关于柠檬酸钠促进云母研磨精炼机制的研究

《Advanced Powder Technology》：Investigation into the refinement mechanism of muscovite grinding facilitated by sodium citrate

柠檬酸钠通过吸附改变云母表面化学及分散性，显著提升研磨效率，0.3%剂量效果最佳，为工业应用提供科学依据。

　　

范晨宇|焦芬|傅丽文|刘波

中南大学资源加工与生物工程学院，中国湖南省长沙市410083

摘要

本研究探讨了柠檬酸钠在云母研磨过程中的助磨机制。云母稳定的晶体结构给传统的机械研磨方法带来了挑战，通常导致效率低下和能耗高。因此，有效的助磨剂对于提高颗粒粒度至关重要。通过系统的研磨实验，评估了柠檬酸钠用量对云母细化的影响，发现其显著提高了研磨效率。利用X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、Zeta电位测量和扫描电子显微镜（SEM）等技术，阐明了柠檬酸钠促进云母细化的作用机制。研究结果表明，柠檬酸钠在浆液中的存在形式为C₆H₅O₇3?和C₆H₆O₇2?，它们吸附在云母表面，改变了云母的表面化学性质并增强了浆液的分散性。这种分散性的提高加速了颗粒粒度的减小过程。本研究为优化云母粉末的制备工艺及其在工业领域的应用提供了科学依据。

引言

由于云母优异的物理和化学性质，它被广泛应用于现代工业体系的各个领域。特别是在涂料行业中，添加适量的细磨云母可以显著提高涂层的耐候性，有效阻挡紫外线和水分侵蚀，减少粉化和褪色的风险，并延长使用寿命。在工业防护涂料中，细磨云母能够提高涂层的硬度和耐磨性，减少机械摩擦造成的损伤[1]、[2]。对于聚碳酸酯（PC）等工程塑料，加入细磨云母可以增强材料的拉伸强度和弯曲模量，满足高端制造的严格强度要求[3]、[4]。在电子绝缘材料领域，微电子元件绝缘包装中的细粒云母能够改善材料的加工流动性，确保在微小空间内的均匀填充[5]，从而降低因局部电场集中导致的绝缘失效概率，减少信号干扰，并提高器件性能[6]。在陶瓷电容器等高端应用中，精确控制细磨云母的粒度和形状可以优化电容器的介电性能，提高电容稳定性并降低漏电流[7]、[8]、[9]。

近年来，助磨剂在提高矿物研磨效率方面取得了显著进展[10]、[11]、[12]。例如，何等人[10]研究表明，聚羧酸醚（PCE）作为助磨剂显著提高了水泥的细度，优化了颗粒分布，并增强了水泥的水化程度和机械性能。然而，他们的研究也指出助磨剂的用量必须严格控制，因为过量使用可能会降低研磨效率。毛等人在石英研磨的研究中发现，TIPA和TEA的组合作为助磨剂特别有效，不仅提高了石英的研磨效率，还通过氢键和静电吸附作用增强了其浮选回收率。此外，谭等人[12]发现，在研磨过程中加入油酸可以将ZrH₂的颗粒粒度降至3.21 μm，同时通过形成保护膜减少了表面氧化并提高了研磨效率。尽管不同助磨剂的作用机制存在很大差异，但目前的研究主要集中在其他矿物上[13]、[14]。针对云母的助磨剂研究仍然有限。因此，探索适用于云母的助磨剂及其作用机制对于推动该领域的发展具有重要意义。

目前，助磨剂主要通过吸附、静电分散、润滑和化学反应等机制来提高研磨效率并促进颗粒细化[15]、[16]、[17]。柠檬酸钠因其环保特性而受到关注，一些研究显示其对矿物分散有显著影响[15]。选择柠檬酸钠作为云母的助磨剂是因为它含有三个羧基（–COO?），这些羧基可以与云母表面的Si-OH/Al-OH基团发生相互作用。三羧酸结构通过与暴露的金属离子（如Al³⁺/Si⁴⁺）的多齿螯合形成稳定的五元环，而羧基与表面羟基之间的氢键作用则破坏了颗粒间的聚集，从而增强了浆液的分散性和研磨效率[16]。与长链结构的聚羧酸醚（PCEs）不同，柠檬酸钠的紧凑分子结构使其能够直接插入层间空隙，通过强螯合作用促进云母剥离[17]。而基于磷酸盐的助磨剂在含Ca²⁺/Mg²⁺的浆液中容易发生沉淀，降低吸附效率并影响研磨效果[18]。然而，柠檬酸钠在云母研磨中的具体作用机制，尤其是其对表面化学性质和颗粒分散性的影响，尚未得到系统研究。本研究旨在通过系统实验和表征技术来探讨柠檬酸钠在云母研磨中的作用机制。首先，研究了柠檬酸钠用量对云母颗粒细化的影响；随后利用X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析了云母表面化学性质的变化；最后探讨了柠檬酸钠如何通过增强浆液分散性来加速云母颗粒的细化。本研究旨在为云母粉末材料的高效制备提供科学依据，并为其下游工业应用提供技术支持。

材料样品

本研究使用的云母样品来自中国河南省。样品经过初步破碎处理，以确保颗粒的均匀性和代表性。X射线衍射（XRD）图谱（图1）显示了云母的特征衍射峰，结晶度很高，表明样品纯度较高，符合纯矿物测试的要求。颗粒粒度分布曲线（图2）表明样品的D₉₀和D₅₀值...

柠檬酸钠对云母粉碎的影响

在研磨实验中，通过测量?10 μm和?25 μm颗粒的含量来评估研磨效率。柠檬酸钠的添加浓度分别为0%、0.1%、0.3%和0.5%（质量比）。结果如图3所示。

如图3所示，随着柠檬酸钠的添加，?10 μm和?25 μm颗粒的含量显著增加。这一观察结果表明，柠檬酸钠作为助磨剂能够有效促进云母的细化...

结论

本研究通过对实验结果的系统分析，全面探讨了柠檬酸钠在云母研磨过程中的作用机制。根据实验数据和分析结果，得出以下主要结论：

(1) 柠檬酸钠显著提高了云母的细化程度：在研磨过程中添加柠檬酸钠可以促进云母颗粒的细化。当柠檬酸钠的用量为0.3%时...

CRediT作者贡献声明

范晨宇：撰写初稿、软件开发、方法设计、数据管理、概念构思。焦芬：资源协调、项目管理、资金争取、概念构思。傅丽文：结果验证、软件使用。刘波：结果验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号52474317）和湖南省杰出青年基金（2023JJ10070）对本研究的财政支持。