低速球磨法生产硅砂纳米颗粒工艺参数优化
添加时间:2021-09-05   点击次数:165

抽象的

使用田口方法设计实验以寻找使用低速球磨生产硅砂纳米颗粒的最佳参数。应用正交阵列和信噪比研究球粉重量比、研磨罐容积和转速等加工参数的性能特征。从信噪比分析获得的结果表明,球粉重量比是最有影响的参数。

球磨机

一、简介

硅砂纳米颗粒由于尺寸减小而具有独特的特性,因此得到了逐步的研究和生产。二氧化硅砂纳米颗粒已被证明是一种非常有效的聚合物添加剂,可提高耐久性、强度和柔韧性。纳米二氧化硅还用作添加剂,以提高自密实和高性能混凝土的强度和可加工性。纳米二氧化硅颗粒广泛通过化学工艺生产。然而,纳米二氧化硅的化学合成会在最终产品中产生高污染。随着对更高纳米二氧化硅纯度的需求不断增加,预计污染水平将降至最低。除化学合成外,其他工艺如沉淀、高温汽化、溶胶-凝胶工艺、高速立式旋转磨、和行星式球磨机是生产硅砂纳米颗粒最常用的方法之一。本研究的目的是设计一种通过结合低速球磨和加热过程将天然硅砂转化为硅砂纳米颗粒的技术。

预计该技术将能够始终如一地生产小于 100 nm 的高纯度硅砂纳米颗粒。

田口方法提供了一种简单、高效和系统的方法来确定最佳参数。与因子方法相比,田口方法不是测试所有可能的可用参数组合,而是提供了一种更简单的方法来设置实验参数的组合。本文中测试的参数是球粉重量比 (BPR)、研磨罐的体积和研磨速度。

2. 参数识别

球磨过程中用到的参数很多。然而,最优化测试的参数是转速和铣削时间。这表明这两个参数在决定铣削效果方面起着重要作用。正如 Simoes 所支持的那样,球粉重量比被认为是最有影响力的参数之一,与研磨时间和转速一样。

认为研磨介质的体积是影响最大的参数,其次是转速。以前作品使用的球粉重量比明显不同。虽然大多数使用的比率在 10:1 到 20:1 的范围内,但有些作品使用的比率远高于此,达到 100:1。较高的球粉重量比有助于提高粒径减小率。但是,当使用的比例过高时,有可能发生研磨球与研磨瓶内壁碰撞而造成的污染。关于最佳 BPR 没有决定性的决定,因为有些工作在使用 20 : 1 的 BPR 时得到了最好的结果,而有些工作在使用 10 : 1 的 BPR 时得到了最好的结果。其他工作表明 BPR 应该至少为 15 : 1产生最好的结果 。

对于研磨罐的体积,由于可用性,有 5.6 L、1.8 L 和 1.0 L 三种尺寸可供选择。另一个对研磨效率影响很大的参数是研磨速度。几乎所有的研究都使用高转速或铣削速度,超过 100 rpm。事实上,正如 Bilgili 等人所证明的那样,使用了高达 2000 rpm 的铣削速度。更高的研磨速度提供了更高的研磨球施加到材料上的冲击能量,并导致更好的研磨效率。对于球磨速度,由于以前的工作通常使用100转以上的高速球磨,低速球磨机的最佳转速是未知的。因为更高的速度导致研磨球和粉末之间的更高碰撞。

 

3. 实验设置

球磨是一种细粉研磨和制造亚微米或纳米结构粉末材料的方法球磨机用于研磨各种矿山和材料。多年来,它已被证明是一种生产纳米晶粉末的有效且简单的技术,并且有可能获得大量的材料。研磨罐偏心安装在行星球磨机的太阳轮上。研磨罐中的研磨球受到叠加的旋转运动,称为科里奥利力。研磨球和研磨罐之间的速度差异产生摩擦力和冲击力之间的相互作用,释放高动态能量。这些力之间的相互作用产生了行星式球磨机高且非常有效的尺寸减小程度

所用球磨机为美国斯通瓦球磨机,最高转速为100转/分。使用的研磨罐是 Roalox 氧化铝强化研磨罐。它们由耐磨的化学瓷制成,氧化铝强化,其耐磨寿命是瓷罐的近 4 倍。高强度、抗冲击的机身最大限度地减少了碎屑和破损,降低了粉末污染的可能性。使用的研磨球由直径为 10 毫米的氧化锆制成。

4. 实验程序

天然硅砂取自,远离发达地区,避免天然硅砂与建筑砂混合。首先将沙子洗涤以去除杂质并在120°C的烘箱中干燥1小时。然后,使用 Sieve Shaker将沙子筛成425 μ m至600  μ m之间的尺寸 然后将沙子与研磨球一起插入研磨罐中并研磨2小时。研磨2小时后,将沙子筛入小于 425 μ m的尺寸 啮合步骤的目的是去除在研磨过程中可能积聚的杂质和硬团块.沙子过筛后,再次在烘箱中在 120°C 下干燥 1 小时。每研磨 2 小时重复一次网格和干燥过程,直到总研磨时间达到10 小时。使用的网格尺寸为 425  μ m、212  μ m、150  μ m 和 63  μ m。研磨 10 小时后,2000 粒度分析仪分析硅砂的粒度和粒度分布