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1、sz-sinoma1 1 2 0 0 9 年第3 期 中国非金属矿工业导刊 总第7 5 期【开发利用】电气石超细粉体的制备研究陈 帮，夏晓鸥，罗家珂（北京矿冶研究总院，北京 1 0 0 0 4 4）摘要：本文介绍了近年来国内外电气石研究的进展，简述了电气石的化学结构和特性，详述了一种电气石超细粉体的制备方法，并通过试验和比较对制备的过程和结果进行了分析和讨论，最后展望了电气石超细粉体的应用前景。关键词：电气石；超细粉体；粉碎；应用前景中图分类号：P 5 7 8.9 5 3;T B 3 8 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 7-9 3 8 6(2 0 0 9)0 3-0 0 1 1-0
2、3Research of Tourmaline Super-fine PowderChen Bang,Xia Xiaoou,Luo Jiake(Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy,Beijing 100044,China)Abstract:In this paper,domestic and foreign researching progress of tourmaline in recent years has been introduced.Thechemical structure and charac
3、teristics of tourmaline have been summarized,and a preparation method of tourmaline super-fine hasbeen gone into particulars.The process and result of preparation have been discussed and analyzed by experiment and comparison.The application future of tourmaline has been prospected lastly.Key words:t
4、ourmaline;super-fine powder;grinding;application prospect电气石是天然的负离子发生器，随着高新技术的发展和矿物材料研究利用的进展，它逐渐被广泛地应用于纺织、建筑装潢、水质改善、环保、医药、空气净化、交通以及屏蔽电磁辐射等领域。在国外，日、韩等国的电气石研究水平非常高，而我国对电气石作为工业矿物的应用研究尚处于起步价段，致使大量的非宝石级电气石资源得不到充分地开发和利用 1-2。近些年，随着人类生存质量的改善和生活水平的提高，对环境健康和空气质量的要求也越来越高。在满足基本的居住和生活要求之外，人们要求生活必需品具备更多有利于清洁健康和改善
5、微观环境的功能，使其具有环境协调和健康作用，这些功能和作用也成为当前材料科学界和建材、纺织等相关行业的重要研究方向和开发热点，因此利用天然矿物资源，开发出具有环境友好效应的功能性矿物材料，对于提高矿产资源的综合利用价值，具有极其重要的现实意义。在当前形势下，电气石作为能发生空气负离子的天然矿物，越来越多地在国内外被研究和应用。在多年研究、生产和应用的基础上，文中介绍一些对电气石的认识和一种电气石超细粉的制备方法，并展望这一有着环保、健康功能粉体的应用前景。1 电气石的结构和特性1.1 化学结构及物理性质电气石在被古代称为“碧玺”、“半宝石”，它是电气石族矿物的总称，是一种以含硼为特征、化学组成
6、复杂的铝、钠、铁、锂环状结构的硅酸盐矿物。它的化学式一般可表示为X Y3Z6(T6O1 8)(B O3)3V3W，根据产地和矿区的不同化学式有差异，其中X 位置一般大多为N a 和C a，或者有少量的K，甚至可以空缺；Y 位置可有广泛的多化合价阳离子，一般大多为L i+、M g2+、F e2+、M n2+、A l3+、C r3+、V3+、F e3+和T i4+等；Z 位置主要是三价正离子，如A l3+、F e3+、C r3+和V3+，但也可能包含二价阳离子M g2+甚至是F e2+；T 位置一般为S i，在有些地方的电气石中它也可能含有少量的A l 或者是B。当这些不确定元素位被C r、V、T
7、 i、F e、C u 等不同元素代替，电气石就呈现出不同颜色。电气石主要呈柱状，其次为纤维状集合体，有的呈针状或毛发状包含于石英中。它多色性显著，一般能呈现黑色、褐色、绿色、蓝色、红色、玫瑰色等不同绚丽多彩的颜色，其中以黑色最为常见。它一般有玻璃光泽，摩氏硬度为7.0 7.5，密度为2.9 3.2 5 g/c m3。1.2 特殊性质和功用电气石具有压电性和热电性，在温度、压力变化的情况下，晶体间产生的电势差能使周围的空气发生电离，被击中的电子附着于相近的水分子和氧分子，并使它们转化为空气负离子 3。负离子发生后在空气中移动，可将负电荷输送给细菌、灰尘、烟雾微粒、水滴甚至是空气中有害分子如甲醛等
8、，电荷与这些微粒结合，能达到净化空气的目的。因此，电气石作为sz-sinoma1 2一种很好的环境功能材料，用于室内涂料和家具、电器等的涂层材料可产生负离子，净化室内空气。又因其具有热电性，故随着温度的变化，矿物结晶体两端可产生电压，其极性离子在平衡位置振动而引起偶极距变化，可产生远红外波段的电磁辐射。这种红外辐射可使人体产生热效应和共振吸收效应，对人体有保健作用 4。电气石还具有弱磁性、吸附效应和调节p H 值等特性。它的磁性表现为一种自发性的，一般磁化强度约3 1 0-4A/m 1，而当它的化学成分中F e3O4的含量较高时，它的磁性会有所加强，此时可利用这种性质进行电气石磁选提纯。电气石
9、密度较大，结构密致，吸附效应主要表现为表面吸附，通过分子和离子吸附起作用。电气石的这种吸附性，可利用于处理工业废水，吸附废水中的重金属阳离子和酸根阴离子。电气石还表现出有能调节溶液p H 值的功效，试验证明：在去离子水中加入一定量的电气石粉体，能使水的p H 值保持为略大于7，表现为弱碱性。同样，向酸、碱溶液加入电气石粉体，它的这种功效对酸、碱溶液的p H 值也有影响 4。上述的这些特殊性质和功用随着粉体粒度的减小表现得更为显著，也就是说使用的电气石粉体的粒度越小，它所能表现出的特殊性质和功效就更为明显，因此有必要利用现有电气石资源和加工设备制备出粒度非常细的电气石超细粉，以使电气石能更好地被
10、利用和更好地发挥它的特殊性质及功效。2 电气石超细粉体的制备实际应用的电气石往往都是以粉体形态出现的。实践证明，粉体粒度越细、比表面积越大，它的压电、热电等效应越加明显。例如，在功能纤维中填充电气石粉体，要求它的平均粒径小于0.4 0 m，甚至更小。但电气石硬度高、结构致密，故粉碎加工难度很大，特别是-7 m 以下加工难度更大。目前国内外报导生产或应用的电气石粉体的平均粒度最小一般在0.5 0.7 m，这些电气石粉体的粒度与纺织等行业的要求还有一定的差距，同时也不能很好的发挥出它们的特殊功效。电气石超细粉体制备工艺，能将最大颗粒控制在3.0 m 左右，制备出平均粒度小于0.4 m 的电气石超细
11、粉体。2.1 制备方法与过程生产时采用国内现有电气石资源，经过提纯和预先粉碎后，分析它的化学成分和物理性质。电气石原料化学分析结果(%)：S i O23 8.0 0，T i O20.8 0，A l2O32 4.4 3，F e O 1 1.1 7，M n O 0.0 6，M g O 9.2 5，C a O 1.2 8，N a2O 1.7 5，K2O 0.5 3，B2O39.6 3，F0.0 5，C l 0.0 1 4，H2O 2.5 0。该批原料的物理性质：颜色为黑色、莫氏硬度7.0 7.5、密度3.1 3.2g/c m3、折光率1.6 1 1.6 5。粒度分布(m)：dm a x4 9.0、d
12、5 01 7.6 0、d9 03 7.0 1、d1 0 04 6.0 0。工业生产使用的设备和工具列于表1，研磨介质采用球径-2+0.8 m m 的氧化铝球，介质添加质量为1 5 0 k g，粒度检测仪使用J L-1 1 5 5 型激光粒度测定仪，形貌和最大粒度检测使用S-3 5 0 0 N 型日立扫描电镜(S E M)，分散剂使用六偏磷酸钠。表1 生产设备及工具名称型号或容积功率(k W)数量超细磨机1 0 0 型3 01搅拌冷却桶4 0 0 L1给料泵2.21冷却水泵1.51成品桶5 0 L2在生产应用中，根据生产原料、批量以及产品要求的不同使用过多种生产方法，本文介绍其中最简单易行的一种
13、方法。此方法的工作原理见图1，实际操作为：加入研磨介质到超细磨机中，向冷却搅拌桶中加入9 0 k g水，将1 0 0 k g 电气石料投入冷却搅拌桶并搅拌制成浆料。用给料泵将浆料送入超细磨机，浆料充满磨机后从出料口回流至冷却料拌桶，如此循环并开启超细磨机，开始工作。工作中冷却水泵向冷却搅拌桶的冷却套和冷却管不断送入冷却水以降低浆料温度，根据粒度和温度的变化调整给料泵的流量，当浆料浓度升高到不易流动时就添加1 5 0 m L 分散剂，监测人员每隔约3 0 m i n 取样并检测粒度一次。当检测粒度达到要求后停止工作，卸料并将浆料产品装入成品桶。其中一次生产，磨机工作2 1 4 m i n 即得到
14、满足粒度要求的产品，其间添加了三次分散剂，共4 5 0 m L，采样和检测了7 次样品，检测结果见表2。da v r为平均粒度；dm a x为最大粒度；D-1 m为-1 m 颗粒所占的质量百分比；D-2 m为-2 m 颗粒所占的质量百分比。2.2 结果与讨论从表2 可看出，超细磨机工作2 1 4 m i n 可得到-2 m的质量含量为9 8.4 3%的最终产品；取多个最终产品的样品，用扫描电镜(S E M)观察它的形貌和最大粒度，通过比较拍下颗粒粒度最大的样品图片(图2)，陈帮等：电气石超细粉体的制备研究冷却搅拌桶给料泵超细磨机合格产品图1 生产方法示意sz-sinoma1 3关，它还与浆料浓
15、度、浆料流动性、分散剂、研磨介质物理性质以及介质球径等因素有关系。3 电气石超细粉的应用前景展望电气石作为一种新型环境材料，在环境保护或改善环境质量以及提高人类的健康和生活质量等方面有广泛的应用前景。近年来，日本、韩国、美国和英国等在很多领域兴起研究和应用电气石的热潮，其中在环境、保健、电子等方面具有特别好的应用前景。未来，电气石的应用主要在以下方面：(1)水处理。电气石具有热电性和压电性，能吸附空气中的细小灰尘，还可以增强饮用水活性以用于水质净化、饮用水活性化、海水淡化和污水处理等领域。(2)电子及声电材料。利用电气石晶体的压电性能，可制作压电计、声纳元件、偏光片等电子和声电元器件。(3)电
16、磁屏蔽场合。电气石可与空气中的水分子发生反应形成阴离子，中和辐射发出的阳离子，阻止电磁波的传播以有效地起到电磁屏蔽的作用。(4)医疗保健。电气石能够将有害电磁波转化为对人体无害的远红外线，故可广泛用于一些存在辐射的场合和电器设备上。另外，电气石还可用于促进血液循环和新陈代谢、抗菌、除臭、疗养等保健领域。(5)功能纺织品。将电气石超细粉包裹在功能纤维中，纺织出不同的纤维制品，制成各种纺织品，利用电气石的热电性和压电性改善人体皮肤的呼吸环境，起到保健作用。(6)建材和装潢。在原料中添加电气石超细粉，加工出具备释放负离子等功能的墙体、墙面涂层材料等，使它们具备清除甲醛等有害气体以清新空气提供美好居住
17、环境的功效 5。电气石的功效特殊，功能和应用广泛，因此开展电气石的生产和应用性研究，不仅可给企业和社会带来显著的经济效益，还对改善人类生活质量和生存空间有着良好的作用。【参考文献】1 魏健,刘渝燕,张开永.电气石应用专属性研究 J .非金属矿,2 0 0 3,2 6(1):3 4-3 6.2 李强,文永奋,陈帮,等.新型负离子超细粉的研究开发 C .第四届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会文集,2 0 0 4:1 1 0-1 1 3.3 刘春雨.电气石超细粉的负电性研究 J .化工新型材料,2 0 0 4,3 2(6):5 2-5 3.4 张晓晖,吴瑞华,汤云晖.电气石的自发电极性在水质净化和改
18、善领域的应用研究 J .中国非金属矿工业导刊,2 0 0 3,(3):3 9-4 2.5 黄云龙,郑水林,李杨,等.电气石的加工应用现状及发展前景 J .中国非金属矿工业导刊,2 0 0 3,(4):1 8-2 1.【收稿日期】2 0 0 9-0 1-1 2从中可看出最终产品的最大粒度为2.7 2 m(因取样有偶然性，这个粒度值只是相对意义的最大粒度值)，产品中含细粒级颗粒较多，绝大部分粉体的粒度分布在0.2 0.4 m 粒级很窄的范围内。在电气石超细粉体应用中发现，这种粒度特征对功能性纤维的质量、功能性指标以及生产过程中设备的保护起到较好的效果。利用表2 可绘制出粒度、特定粒级产品的百分含量
19、随着时间的变化曲线，如图3 所示。2 0 0 9 年第3 期 中国非金属矿工业导刊 总第7 5 期表2 粒度检测结果次数采样时间 粒度(m)含量(%)(m i n)da v rdm a xD-1 mD-2 m12 92.2 33 6.0 03 4.3 66 0.2 326 41.0 66.7 05 9.2 68 7.4 139 00.9 95.3 06 3.3 08 9.4 841 1 00.9 44.5 06 4.6 49 0.6 851 2 10.8 53.8 06 8.6 69 2.7 961 8 10.6 93.2 07 6.8 49 6.1 372 0 90.6 02.8 08 2.
20、1 39 8.4 3分析表2 和图3 可看出：超细粉碎初期，随着采样时间从2 9 m i n 延长至1 1 0 m i n，即粉碎时间为8 1 m i n 后，平均粒度从2.2 3 m 降至0.9 4 m，降低了1.2 9 m；但后期随着时间从1 1 0 m i n 延长至2 0 9 m i n，即又粉碎了9 9 m i n，平均粒度从0.9 4 m 降至0.6 0 m，仅降低了0.3 4 m。可见，随着粒度变细，在相同的粉碎条件下，如果要进一步降低粒度，其粉碎效率会有所降低，粉碎时间需要的更多；随着粒度的变细，粉碎到一定时间后平均粒度和最大粒度的变化趋于平缓。研究表明，生产中粒度的变化不仅和粉碎时间有