硅灰石的加工及其在涂料中的应用

硅灰石属于一种链状偏硅酸盐,一般呈纤维状、针状,具有良好的绝缘性、介电性、耐热性、耐候性,以及很高的白度,广泛应用于涂料、陶瓷、化工、冶金、造纸、塑料等领域。

1 硅灰石的结构及特点
硅灰石的化学式为CaSiO3,理论化学成分:CaO48.25%、SiO2 51.75%。自然界中纯硅灰石罕见,在其形成过程中,Ca 离子有时被Fe、Mn、Ti、Sr 等离子部分置换而呈同质多象体,并混有少量的Al 离子和微量K、Na 离子。由于硅灰石形成时的温度、压力等条件不同,可能出现3 种同质多象体:第1 种,三斜链状结构的Tc 型硅灰石,通称低温三斜硅灰石(α-CaSiO3);第2 种,单斜链状结构的ZM 型副硅灰石,通称副硅灰石(α′-CaSiO3);第3 种,三斜三元环状结构的假硅灰石,通称假硅灰石(β-CaSiO3)。目前被广泛应用的主要是第一种——低温三斜硅灰石。低温三斜硅灰石为三斜晶系,大多呈针状、纤维状或片状,常簇集呈扇形、辐射形集合体,有的呈细小的颗粒状;白色微带灰、红色,玻璃光泽,解理面呈珍珠光泽,两组解理面交角为74° ;密度2.78~2.91 g/cm3,硬度4.5~5,熔点1 540℃,在25~800℃时热膨胀系数为6.5×10-6 mm/(mm·℃);在1 125℃左右时可转化为假硅灰石,这时热膨胀系数增大,并由于释放出Fe、Sr 等杂质,颜色由白色变为奶油色、红色或褐色。

自然类型硅灰石矿石通常有夕卡岩型和硅灰石-石英- 方解石型矿石两类。前者主要产于夕卡岩型矿床中,矿物组分复杂,常伴生石英、方解石、透辉石、石榴子石等夕卡岩矿物;后者主要产于接触变质和区域变质型矿床,矿物组分简单,又可分为:硅灰石-石英、硅灰石- 方解石和硅灰石- 石英- 方解石型3个亚类。硅灰石矿石的结构通常也有2 种:致密块状硅灰石矿石具细粒花岗变晶或纤维变晶结构,呈细小粒状、柱状或纤维状集合体,个别呈玉状;粗晶硅灰石矿石具纤维变晶结构,呈块状、角砾状、巨斑状或条带状构造,硅灰石晶体粗大,呈板柱状,束状或菊花状。

2 硅灰石的加工
2.1 选矿
国内外硅灰石选矿的主要方法是手选、单一磁选、单一浮选、磁选- 浮选(或电选)联合工艺。选矿的主要目的是降低铁含量及分离方解石。

2.1.1 手选
采矿场人工挑选富矿块或破碎后放在输送带上,人工选富硅灰石矿块。手选适用于质量较好的矿石。

2.1.2 单一磁选
硅灰石岩石中的主要伴生矿物,如透辉石和石榴子石等属于弱磁性矿物,而硅灰石基本不显现磁性,故可用干法或者湿法强磁选技术使硅灰石与之相互分离,即可分离出大量含铁矿物,提高产品纯度。

2.1.3 单一浮选
根据硅灰石与方解石矿物表面物理化学性质的差异,用浮选法可有效地使之相互分离,从而提高硅灰石产品的纯度。

2.1.4 磁选- 浮选联合工艺
此法适用于低品位硅灰石的处理。首先用干式或湿式磁选,将弱磁性矿物分离出来,然后用浮选法将硅灰石与方解石、石英等矿物分开,主要有以下两种工艺流程:
第1 种,阴离子捕收剂反浮选方案。方解石为碳酸盐类矿物,硅灰石与石英同属硅酸盐类矿物,据此,根据二者表面电性差异,通过改变矿浆介质的pH 值,采用调整剂来抑制硅灰石,浮选分离出方解石。然后再浮选分离石英和硅灰石。一般用氧化石蜡皂作方解石的捕收剂,硅酸钠作硅灰石和石英的抑制剂。
第2 种,阳离子捕收剂正浮选方案。此法主要是通过调节硅灰石与方解石矿物的表面电性,使其带异电荷,从而用阳离子捕收剂通过静电吸附作用,优先浮选出硅灰石,而方解石则作为尾矿留于浮选槽中。浮选作业分为2 段:第1 段用胺类捕收剂将硅灰石与硅酸盐矿物作为泡沫产品一起浮选出,方解石则留于槽中;第2 段用胺离子与阴离子混合捕收剂进行浮选硅酸盐杂质,而硅灰石作为槽中产品回收。

2.2 针状硅灰石的加工
硅灰石是一种短纤维状无机粉体,可用作涂料填料,不仅对其粒度和粒度分布有要求,而且还对其纤维状颗粒的长径比有要求。高长径比(>10)硅灰石粉体可以代替石棉纤维、造纸纤维以及高级增强填料等,具有较大的应用价值和经济价值。因此。高长径比针状硅灰石的加工技术是硅灰石的主要深加工技术之一。目前,400 目以下的普通硅灰石粉大多采用雷蒙磨和球磨机进行加工,我国主要采用雷蒙磨。为了确保硅灰石的大颗粒含量不超标,可增设分级或筛分设备。这种生产工艺大多采用干法。高长径比硅灰石和超细硅灰石的主要生产设备有:机械冲击磨机、离心自磨机(如旋风或飓风超细自磨机、LFS 离心式粉碎机)、流态化床式气流粉碎机等,其中,机械冲击磨机、离心自磨机等一般适用于生产400~1 000 目左右的高长径比针状硅灰石;流态化床式气流粉碎机适用于生产1 250 目(粒径d 97 ≤10 μm)的超细针状硅灰石粉。如果硅灰石在湿法提纯(浮选或湿式强磁选)后再进行超细粉碎加工,可采用湿法工艺,湿法粉碎到要求的产品细度后,再进行脱水(过滤和干燥)。

3 硅灰石粉在涂料中的应用
硅灰石具有良好的硬度和耐磨性,可赋予涂料更好的机械强度、耐久性、附着力和抗腐蚀性,一般用于防腐底漆中。随着硅灰石深加工技术的进步,硅灰石以其优异的耐候性和良好的着色亮度,越来越多地用于乳胶漆中。

3.1 外墙乳胶漆中的应用
硅灰石硬度高(莫氏硬度4.5~5),热膨胀系数低,耐候性好,其针状结构具有抗开裂性,白度高,着色力好,调色时颜色明亮度高,作为重要填料越来越多地应用于外墙涂料中。

3.2 内墙乳胶漆中的应用
原来硅灰石因色相偏黄,在内墙乳胶漆中应用不多。现在随着硅灰石深加工技术的进步,其白度可达到90 以上,从而可以用于内墙涂料。针状硅灰石可以提高高PVC 内墙乳胶漆的孔隙率,从而提高遮盖力,且针状硅灰石有助于提高耐擦洗性。有资料报道,在内墙乳胶漆中加入5%~8% 硅灰石,耐擦洗性可以提高100 次。另外,针状硅灰石还可改善施工性。此外,片状或针状硅灰石用于底漆中,可形成网状结构,具有很好的渗水性。

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