淺述我國(guó)水泥助磨劑的研究及應(yīng)用
1 水泥助磨劑的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀
國(guó)外粉碎作業(yè)使用助磨劑已有70多年的歷史。自從1930年Goddard以樹脂作為助磨劑在英國(guó)首先取得專利以來,先后被研究作為助磨劑的物質(zhì)達(dá)50多種，助磨劑的品種以有機(jī)化合物為主，其中以醇和醇胺類的化合物為多。德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、日本、前蘇聯(lián)、朝鮮等國(guó)對(duì)助磨劑的研究和應(yīng)用較為廣泛，
據(jù)悉目前日本幾乎所有的水泥廠都使用水泥助磨劑。
我國(guó)對(duì)助磨劑的研究和應(yīng)用起步較晚，20世紀(jì)50年代后期，一些水泥廠曾利用煤、紙漿廢液、肥皂廢液等作為水泥助磨劑，效果不甚明顯。20世紀(jì)70年代，不少水泥企業(yè)和研究部門對(duì)助磨劑開展廣泛的研究和應(yīng)用工作。原四川水泥研究所、同濟(jì)大學(xué)、華南工學(xué)院等研究單位和撫順、柳州、首都、大連、哈爾濱、松江、唐山、大同、中國(guó)、上海、吳淞、光華、四川資中、華新、廣州等水泥廠，先后對(duì)水泥磨及生料磨使用助磨劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、工業(yè)性試驗(yàn)和生產(chǎn)上的應(yīng)用，所采用的助磨劑一般是化工廠的副產(chǎn)品或下腳料以及廢液、廢渣等，均收到較好的效果，但由于價(jià)格較貴、來源不充足或質(zhì)量不穩(wěn)定而無法推廣應(yīng)用。近年來，助磨劑的研究得到有關(guān)高等院校、科研院所和科技開發(fā)公司的高度重視，取得多項(xiàng)成果。
2 助磨劑的作用機(jī)理
關(guān)于助磨劑的作用機(jī)理，國(guó)外曾作過長(zhǎng)期的研究，并提出了不同的觀點(diǎn)。主要有列賓捷爾.Rehbinder的強(qiáng)度削弱理論和馬杜里穴.ardulie的顆粒分散理論。
在國(guó)外助磨劑作用機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)各研究單位對(duì)助磨劑的作用機(jī)理也進(jìn)行了探索和分析研究，取得了有益的結(jié)論。具有代表性的主要有以下幾點(diǎn)。
2.1 防止顆粒的并合聚結(jié)和削弱顆粒強(qiáng)度的機(jī)理
華南理工大學(xué)盧迪芬和魏詩(shī)榴通過對(duì)物料粉碎過程的深入研究，結(jié)合多年對(duì)助磨劑研究的積累提出了該機(jī)理。
首先，粉碎過程是一種能量積聚過程。其次，顆粒的粉碎意味著物質(zhì)化學(xué)鍵的折斷和重新組合。正因?yàn)榉鬯楸旧砭蜖可娴轿镔|(zhì)能量狀態(tài)的變換和化學(xué)鍵的折斷組合，因此粉碎是一種由機(jī)械力誘發(fā)的物理化學(xué)現(xiàn)象，即所謂機(jī)械力化學(xué)現(xiàn)象。提高粉碎效率的有效措施是采取機(jī)械力化學(xué)方法，即在粉碎物料過程中加入少量的助磨劑就可起到顯著的效果。具體機(jī)理分析如下：
?。?）在粉碎過程中，如果向物料添加助磨劑，則助磨劑吸附在物料顆粒表面上，使斷裂面上的價(jià)鍵力得到飽和，顆粒之間的附聚力得到屏蔽，因而可防止聚結(jié)的發(fā)生。這時(shí)以使用極性化合物作助磨劑最為適當(dāng)。助磨劑在物料粉碎過程中起著平衡顆粒表面上的過剩價(jià)鍵的作用，避免顆粒聚結(jié)，抑制粉碎逆過程，故有助于粉碎過程的進(jìn)行。因此，助磨劑是一種防聚結(jié)劑或分散劑。
?。?）根據(jù)近代的材料脆斷破壞觀點(diǎn)，裂紋的存在和擴(kuò)張導(dǎo)致斷裂。在被粉碎的物料中添加適量的助磨劑，吸附在裂紋上，能使裂紋表面自由能降低，而且能平衡裂紋表面的剩余價(jià)鍵及電荷，避免裂紋愈合，從而有利于裂紋的擴(kuò)展，提高物料的易碎性。助磨劑在物料粉碎的過程中起著削弱固體強(qiáng)度的作用，使粉碎易于進(jìn)行，有利于粉磨細(xì)度和粉碎效率的提高，因此，助磨劑也是一種軟化劑。
2.2 助磨劑的減硬原理和反粘附效應(yīng)
?。?）減硬原理
在固體粉碎過程中，周圍介質(zhì)使固體硬度降低的作用稱為減硬作用。在粉碎過程中，所發(fā)生的減硬作用與腐蝕溶解或化學(xué)作用無關(guān)，它們實(shí)質(zhì)是潤(rùn)濕作用和吸附作用。
?。釢?rùn)濕作用：潤(rùn)濕作用的實(shí)質(zhì)就是界面性質(zhì)的改變，即從固氣界面變成固液界面。在潤(rùn)濕過程中，表面自由能即減少，過程就有自發(fā)傾向，于是液體將容易鋪展并覆蓋著整個(gè)固體表面，即將進(jìn)入固體的所有容許進(jìn)入的新細(xì)縫。液體進(jìn)入細(xì)縫，削弱了固體晶粒之間的結(jié)合力，同時(shí)還產(chǎn)生一種擠開裂縫的作用，這樣固體的硬度就得到降低。
?。馕阶饔茫何绞墙档捅砻婺艿倪^程，吸附將侵入固體中一切可以達(dá)到的細(xì)裂縫，這種自發(fā)的侵入也會(huì)產(chǎn)生擠開裂縫的應(yīng)力和削弱晶粒間的結(jié)合力，從而降低固體的硬度。
（2）反粘附效應(yīng)
根據(jù)表面化學(xué)的原理，表面力的存在會(huì)使兩固體表面發(fā)生粘附效應(yīng)。在粉碎過程中，粒徑越小，則粘附的影響相對(duì)越大，如水泥熟料和石膏的粉碎，當(dāng)平均粒徑降低到14μｍ以下時(shí)，粘附現(xiàn)象所形成的聚集就非常嚴(yán)重。當(dāng)加入少量助磨劑到物料中，可使物料顆粒表面形成單分子薄膜，減少兩固體顆粒的接觸。有機(jī)表面活性劑作為水泥粉碎過程中的助磨劑，也是基于形成了單分子薄膜，可以在較大的限度內(nèi)防止粘附聚集現(xiàn)象的發(fā)生。
2.3 薄膜假說
合肥水泥研究設(shè)計(jì)院對(duì)水泥助磨劑進(jìn)行了較為深入的研究，朱憲伯、呂忠亞、張正鋒共同提出了“薄膜假說”，認(rèn)為：用作助磨劑的表面活性分子，在被磨細(xì)的細(xì)顆粒表面形成了一單分子吸附薄膜，因而減少了細(xì)顆粒間的聚結(jié)以及細(xì)顆粒與研磨體和襯板間的粘糊，從而提高了粉磨效率。
按照“薄膜假說”可以解釋助磨劑的摻量有一最大值，就是助磨劑分子在所有顆粒表面形成單分子吸附的最低需要量。隨著水泥比表面積的增加，形成單分子吸附薄膜的助磨劑量增加，水泥磨得愈細(xì)，助磨劑所需摻量愈大。同時(shí)還可解釋不同助磨劑助磨效果的差異。根據(jù)“薄膜假說”，用助磨劑的比重和分子量?jī)蓚€(gè)參數(shù)可評(píng)價(jià)同類性質(zhì)助磨劑的助磨效果，并為助磨劑的選擇提供了參考依據(jù)。
2.4 減小粉碎阻力、防止團(tuán)聚和糊磨、提高流動(dòng)性而加強(qiáng)了料和球的作用頻率和效率。
南京工業(yè)大學(xué)江朝華與鹽城工學(xué)院蔡安蘭等對(duì)水泥助磨劑進(jìn)行較深入的研究，在充分分析研究國(guó)外助磨劑作用機(jī)理的基礎(chǔ)上提出了自己獨(dú)到的觀點(diǎn)：
（1）助磨劑吸附于顆粒表面時(shí)，引起顆粒表面特性的許多變化。研磨是個(gè)表面現(xiàn)象，表面硬度的減小，無疑有助于這個(gè)過程的進(jìn)行，故加入助磨劑后細(xì)度提高、細(xì)粉量增加。
?。?）隨著粉磨過程的進(jìn)行，由于受各種力的影響，顆粒有團(tuán)聚變成較大顆粒的傾向，助磨劑可以提供外來離子或分子去滿足斷開面上未飽和的電價(jià)鍵，消除或減弱聚集的趨勢(shì)，阻止斷裂面的復(fù)合，使顆粒達(dá)到更細(xì)的狀態(tài)。同時(shí)，引力減小使顆粒的分散性和流動(dòng)性提高，減少或防止了粘球、糊磨現(xiàn)象，提高了粉磨效率。
（3）在球磨機(jī)里，粉磨速度與料和球之間相互作用的頻率及效率成正比。助磨劑的加入使物料的流動(dòng)性增加，從而增加料球之間相互作用的頻率，提高了粉磨速度。同時(shí)，加入助磨劑后物料處于高分散狀態(tài)，因此有效地增加了粉磨介質(zhì)對(duì)物料的直接作用力，提高了粉磨效率。
3 國(guó)內(nèi)研究及應(yīng)用的水泥助磨劑
目前，國(guó)內(nèi)研究及應(yīng)用的水泥助磨劑，有液體助磨劑和固體助磨劑，其基本成分大都屬于有機(jī)表面活性物質(zhì)。主要為?押胺類，醇類，醇胺類，木質(zhì)素磺酸鹽類，脂肪酸及其鹽類，烷基磺酸鹽類等。具體物質(zhì)為：押三乙醇胺， 二三乙醇胺，乙二醇，
木質(zhì)素磺酸鹽，甲酸，硬脂酸，油酸，十二烷基苯磺酸鈉等。實(shí)際在水泥生產(chǎn)中選用的主要有兩類形式?押一是純度較高的化工產(chǎn)品，二是化工廠等的廢料。助磨劑產(chǎn)品的種類較多，除純化合物產(chǎn)品外，還研究及開發(fā)了多種復(fù)合助磨劑。簡(jiǎn)要敘述如下：
3.1 三乙醇胺、乙二醇類
三乙醇胺及乙二醇屬于非離子型表面活性劑。三乙醇胺、乙二醇均含有極性很強(qiáng)的羥基?穴－OH從結(jié)構(gòu)可知都是極性很強(qiáng)的表面活性劑。原四川水泥研究所對(duì)水泥助磨劑進(jìn)行了一系列的研究試驗(yàn)，并經(jīng)過工廠的試驗(yàn)和使用，得出結(jié)論：押三乙醇胺、二三乙醇胺、乙二醇、多縮乙二醇是較為有效的水泥磨助磨劑，可以較大幅度地提高磨機(jī)產(chǎn)量。就水泥品種而言，純熟料水泥增產(chǎn)效果最好，可達(dá)20％～30％，普通水泥能增產(chǎn)10％～15％。目前，使用較多的水泥助磨劑是三乙醇胺、多縮乙二醇，但三乙醇胺、多縮乙二醇有價(jià)格過高、來源短缺的缺點(diǎn)。
3.2 木質(zhì)素磺酸鹽
木質(zhì)素磺酸鹽包括鈣、鎂及胺鹽。木質(zhì)素磺酸鹽