高温煅烧制作石英纳米粉体的研究
第36卷第7期
2007年7月
应 用 化 工
App lied Che m ical I ndustry
Vol .36No .7Jul .2007
收稿日期:2007205226
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50472028)
作者简介:王尉和(1953-),男,河南林州人,长安大学工程师,从事矿物材料及无机非金属材料的教学与科研工作。电
话:029-********,E -mail:weihe w@chd .edu .cn
高温煅烧制作石英纳米粉体的研究
王尉和,刘开平,赵鹏
(长安大学资源学院材料科学与工程系,陕西西安 710054)
摘 要:根据高温煅烧使石英碎裂的原理,选用天然高纯石英为实验材料,从室温开始以30℃/h 速率升温,升至
1460℃,接着保温72h,然后以30℃/h 速率降温至室温。将煅烧过的石英以250r/m in 在行星式高能球磨机中研
磨2h 。经原子力显微镜、成分测试等手段分析,石英粉平均粒径为43n m,纯度由99.51%提高至99.97%。关键词:石英;纳米粉体;高温煅烧;高能球磨
中图分类号:T B 3 文献标识码:A 文章编号:1671-3206(2007)07-0636-02
Research of prep arati on of nano qu artz powder through si n teri n g process
WAN G W ei 2he,L I U Ka i 2ping,ZHAO Peng
(Materials Science and Engineering Depart m ent of Res ources School,Chang ’an University,Xi ’an 710054,China )
Abstract:The natural high purity quartz sa mp les were sintered with 30℃/h te mperature rising rate t o 1460℃,kep t at the te mperature for 72h,then cooled at the 30℃/h rate t o r oom te mperature .After that,the sintered quartz were m illed at the p lanetary high 2energy m ill with 250r/m in s peed f or 2h .The result p r oduct were tested by AF M and che m ical analysis .It shows that the quartz powder has an average particle size of 43n m ,and the purity has been increased fr om 99.51%t o 99.97%.Key words:quartz;nano powder;high 2te mperature sintering;high 2energy m illing
石英是储量丰富的非金属矿物,主要成分是
Si O 2,莫氏硬度为7,具有强耐酸性和极好的电绝缘性。超细石英粉是一种优质的中性无机填料,应用于多个工业领域。其中高纯度的石英纳米粉是高附加值的石英超细产品,应用范围几乎涉及到所有应用Si O 2粉体的行业,是极具工业应用前景的纳米材料。在电子封装材料、高分子复合材料、塑料、涂料、橡胶、颜料、陶瓷、胶粘剂、玻璃、药物载体、化妆品及抗菌材料等领域,石英纳米粉已经成为传统产品升
级换代的新型材料[1]
。
采用高能球磨法是高效低耗制备石英纳米粉的新方法[2]
。但由于石英硬度较大,研磨中要采用硬度更大的研磨介质。即使如此,研磨中也难以避免
带来杂质污染[3]
。另外,天然石英中常含有气泡等包裹体。与人工合成的Si O 2纳米粉相比,机械研磨法制备的石英粉难以将这些包裹体除去,对工业应
用带来影响[4]
。为了便于研磨,避免杂质污染,去除天然石英中的气泡等,本文根据高温煅烧使石英
碎裂的原理[526]
,结合行星高能球磨的方法采用普通硬度的研磨介质制作了石英纳米粉体,取得了一定进展。
1 实验部分
1.1 原料与仪器
江西某地产天然块状石英,无色透明至半透明,玻璃光泽,Si O 2含量为99.51%。
1600℃硅钼棒电炉;偏光显微镜;行星式高能
球磨机;AJ 2Ⅲ型原子力显微镜。1.2 实验方法
将石英原料放入电炉,从室温开始以30℃/h 速率升温,持续升温48h,温度升至1460℃,在1460℃下保温72h,然后以30℃/h 速率降温48h,温度降至室温。用研钵将煅烧后的石英研磨
到200目细度,放入行星式高能球磨机
[7]
4×500mL 陶瓷研磨罐中,加直径2mm 氧化锆陶瓷
球介质和适量水,设定行星式高能球磨机转速为250r/m in,研磨2h 。
2 结果与讨论
2.1 石英纳米粉测量分析结果
石英纳米粉经原子力显微镜照片分析,结果表明,颗粒的最大粒径为126n m ,最小为12nm ,平均为43n m ,见图1。
第7期
王尉和等:
高温煅烧制作石英纳米粉体的研究图1 石英纳米粉AF M 照片
Fig .1 AF M phot o of the nano 2quartz powder
2.2 高温煅烧的作用
在常温下取出石英,煅烧后的石英成白色块状,体积有膨胀,比重减小,无光泽,条痕无色,块体酥松,用手可较容易的掰成碎块。
将煅烧后的石英块体制成薄片在显微镜下观察,视域为0.19mm ,单偏光下观察到极细微的絮状微裂纹。正交偏光显微照片可以看到石英一级灰干涉色,旋转物台可以观察到许多极细的微晶随着旋转明暗变化的现象,说明石英在持续的高温下体积膨胀产生微裂纹促使晶体破碎裂开。
采用硬度与石英相近的氧化锆为研磨介质,经过仅2h 的研磨,即能将粒度2mm 的石英块研磨为平均粒径为43n m 的细粉,说明高温煅烧对于提高研磨效率起到了很好作用。分析其原因,可能是石英在高温下内部的包裹体的膨胀应力以及晶体相变应力,可产生微米级、纳米级的微裂纹,从而导致石英破碎粉裂。2.3 高温煅烧的机理
高温煅烧使石英块碎裂的原因可以根据热胀冷
缩原理进行解释[8]
。当矿物晶体受热后,键的长度会增加,键的方向也会变化。其中键角的微小变化会引起体积的显著变化。由于晶体中的原子的热振动不是理想的简谐振动,位能随原子间距变化而变化,但正负变化的幅度不同。原子间距减小的变幅比原子间距增加的变幅要小,即围绕平衡位置的位能变化是不对称的。原子的能量随温度提高而提高,使振动原子偏离了平衡位置,漂移到比原始状态更大值的地方,从而产生了热膨胀现象。
体积膨胀后,当受到突然冷却,部分可以恢复原形,但更多的只能收缩到一定程度。这样,必然在材料内出现裂纹和晶格缺陷,直到破坏。因此,高温煅烧导致矿物破碎的主要原因为热冲击、相变、内部的体积变化以及晶粒间的应力等因素所致。热冲击破碎是高温体内部与冷却表面间因温度不同引起不均匀膨胀和收缩造成。相变碎裂是在热处理过程中,矿物由于晶相变化而产生热应力所致。另外,矿物
中的包裹体受热时体积增加,也会在矿物颗粒内产生应力。对于单个各项异性的晶体,在热膨胀或收缩过程中晶体间也会产生应力。这些因素都会引起矿物高温煅烧处理时碎裂。
2.4 S i O 2纯度提高与高温失去水分有关
气液杂质是天然石英中客观存在的杂质,其中
水是天然石英中最主要的气液杂质,高温水的含量
对应用于石英玻璃时的质量影响最大[9]
。经过本工艺制作的纳米粉,化学成分分析测得Si O 2含量为99.97%,较原矿纯度得到提高。其原因主要是原矿
中气泡及高温水含量在高温煅烧后减少所致。2.5 采用高温煅烧再研磨可避免杂质污染
石英纯度提高的事实也说明,采用高温煅烧后再研磨石英粉,石英研磨难度降低,可以避免传统研磨中出现的杂质污染问题。2.6 高温煅烧与高能球磨相结合的方法简单易行
根据本实验结果,传统上采用化学法才能制得的高纯度Si O 2纳米粉,现在采用相对容易的高温煅烧与高能球磨相结合法也可以制备出。
3 结论
通过高温煅烧与高能球磨相结合,降低了石英研磨难度,大大提高了磨矿效率,减少了磨矿中研磨介质对原料的污染及机械磨损。产物纯度由99.51%提高至99.97%,平均粒度达到43nm 。证明高温煅烧与高能球磨相结合是一种经济可行的高纯石英纳米粉制备方法。参考文献:
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