張 紅，丁述理，徐博會，任曉慧

(1河北工程大學理學院，河北邯鄲056038;2河北工程大學，河北省資源勘測研究重點實驗室，河北邯鄲056038)

煤系高嶺土中高嶺石主要呈假六邊形狀的層狀結(jié)構，在外力的作用下易于沿層面平行的方向裂開。通過特定的技術手段還可使堆垛的高嶺石晶體在層間發(fā)生解離達到微米級甚至納米尺度，從而提高原礦的價值。在工業(yè)上，高嶺石晶粒(粒徑)達到2 μm左右時，在紙張的填料、涂布料、陶瓷原料、橡膠和塑料填充料等方面的應用就變得相當廣泛。目前，國際上對高嶺土解離主要采用物理方法(通過機械或高速噴射實現(xiàn)剝磨)和化學方法(化學浸泡處理后進行高速機械攪拌處理)進行處理。前者需要長時間、高強度剝磨，不可避免對晶體結(jié)構產(chǎn)生破壞;后者工藝雖然簡單，但是2 μm粒級含量一般只能達到40% －50%，且處理過程中會造成環(huán)境污染［1－4]。隨著超聲技術的發(fā)展，功率超聲因?qū)μ岣弋a(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、防止環(huán)境污染、提高生產(chǎn)效率等方面有巨大潛力，從而在機械、電子、化工、醫(yī)藥、材料等領域的應用得到廣泛研究。上個世紀中期人們就已經(jīng)提出了超聲粉碎的概念，早在2000年國內(nèi)利用超聲電解法成功制備了100 nm以下的銅粉和鎳粉［5]，但目前關于超聲在高嶺土剝片中的應用還鮮見報道。由于超聲效果會受到樣品濃度、體積、超聲強度、樣品溫度等的影響，這些因素的相互制約使得超聲作用較為復雜，因此有關超聲剝片的研究目前還處于實驗室階段。本文研究了高嶺石超聲剝片的機理，給出影響超聲空化的物理參數(shù)的定量關系，分析這些因素對高嶺土超聲剝片效果的影響，目的是為工業(yè)化生產(chǎn)大徑厚比的超細高嶺石晶片提供數(shù)據(jù)參考。

1.超聲剝片機理

利用超聲進行剝片的主要機理就是功率超聲的空化效應。在液體或者流體系統(tǒng)中傳播的超聲波強度超過液體的空化閥值時，液體中超聲波的稀疏區(qū)域就會被拉斷出現(xiàn)空腔，于是在液體內(nèi)部或液體和固體的交界面上產(chǎn)生大量氣泡，這些氣泡在超聲作用下形成、生長、膨脹、壓縮直到崩潰，此過程被稱為空化。氣泡的崩潰類似于一個小的爆炸過程，極短的時間內(nèi)，在氣泡的極小區(qū)域中產(chǎn)生局部高溫、高壓、強烈的沖擊波和快速射流［7－8]。伴隨空化的這些物理效應是功率超聲應用的基礎。高溫、高壓以及強烈的機械運動帶來的溫度升高會大大促進化學反應，強大的沖擊波和快速射流都會對分子的解聚和剝片產(chǎn)生正面影響。

空化閥值壓力PB同空化氣泡的半徑Re、流體靜壓力Ph、液體表面張力σ有密切關系。對于較大的空化氣泡空化泡的表面張力)［9]，

當超聲壓力大于空化閥值壓力時，聲波使液體受到的負壓力超過液體分子間的范德瓦爾斯力而把液體分子拉開，形成空腔(空化泡核);在負壓力持續(xù)作用下空化泡核膨脹，溶于液體中的氣體或者液體蒸汽將會進入空化氣泡;當液體由負壓相轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎合鄷r，如果氣泡外壓力小于空化泡內(nèi)壓力，空化泡將繼續(xù)膨脹直到空化泡外界壓力大于空化泡內(nèi)部壓力，這時空化泡開始收縮。這個過程時間極短，可以看作是絕熱過程，絕熱收縮使得泡內(nèi)的壓強和溫度瞬間上升，當空化泡收縮到最小體積時，將會發(fā)生崩潰，崩潰的瞬間會把氣泡中的壓力釋放到液體中。由于泡內(nèi)溫度來不及傳遞，而在此產(chǎn)生局部高溫。空化氣泡崩潰時的瞬態(tài)壓力和瞬態(tài)溫度都將達到最大值?？栈荼罎r的瞬態(tài)壓力為

式中Pg－空化泡內(nèi)起始壓力;Pm－空化泡在崩潰時受到的壓力;γ－泡內(nèi)氣體的比熱比。

崩潰時泡內(nèi)的瞬態(tài)溫度為

其中Tmin為環(huán)境溫度。氣泡崩潰時周圍的高速液體沖入氣泡形成強烈的局部快速射流?？栈萃瓿闪藦某珊?、生長、壓縮和崩潰的全過程。

超聲在液體中傳播的動態(tài)過程相當復雜，目前最先進的模擬方法是近格子－波爾茲曼法(LBM)。定義U為聲速的幅值，ω=2/λ圓頻率，k=/λ波數(shù)，ρ0為原始聲強密度，λ為波長，c為聲速，v為運動粘滯系數(shù)為衰減系s數(shù)。采用LBM模擬計算得到壓力梯度［10]

由上式可以推導出在任意x位置的聲壓

2 高嶺石的功率超聲剝片

2.1 材料與方法

原料:高嶺巖樣采自陜西省平魯?shù)V區(qū)，屬晚二疊系山西組煤層夾矸。高嶺巖中高嶺石礦物組分占98%以上?；瘜W成分為:SiO246.38%，Al2O30.29%，TiO20.48%，CaO 0.1%，MgO 0.2%，K2O 0.55%，Na2O 0.1%，燒失量為 14.29%。

測試:功率超聲采用中國科學院聲學研究所生產(chǎn)的88－1型超聲乳化強化處理機。粒度分析采用Marlvern2000型激光粒度分析儀。

實驗方法:1)復合體的制備:稱取一定量＜325目高嶺石放入燒杯中，加入飽和醋酸鉀溶液，常溫下放置7 d，得到高嶺石－醋酸鉀復合物體。2)超聲剝片:將盛有不同濃度和體積的高嶺石－醋酸鉀復合物漿液的燒杯放到超聲波儀器的托盤上，調(diào)節(jié)托盤高度，使超聲變幅桿頭進入復合物漿液中一定深度，調(diào)整超聲頻率進行超聲剝片(圖1)。

2.2 試驗結(jié)果和分析

將濃度為5%的高嶺土漿液分為a，b，c三組樣品，體積分別為 100 ml、200 ml和 500 ml，在超聲工作時間為5 min、pH值為7.0的條件下對樣品進行測試(圖2)。從結(jié)果中可以看到，a，b樣品中粒度小于1 μm的粒子含量分別為72.74%和75.3%，明顯高于樣品c的67.92%。這是由于液體中超聲能量衰減造成的。聲壓公式P=給出:隨著距聲源距離的增加，聲強將呈指數(shù)衰減。樣品體積的增加，意味著作用區(qū)域x的取值范圍增大，遠離聲源位置，聲強迅速減弱，從而導致500 ml樣品的剝片效果最差。雖然隨著體積的增大空化效應衰減，但并非體積越小超聲剝片效果越好。從圖中可以看出體積為200 ml樣品的剝片效果要優(yōu)于體積為100 ml的剝片效果。這是因為，除了超聲強度的影響，粘滯系數(shù)v和表面張力σ也會影響空化效果。100 ml樣品中較容易達到較好的剝片效果，細粒含量迅速增加，但相應的表面張力σ和粘滯系數(shù)v也隨之增大。進而導致空化閥值P=P+和聲壓衰減系數(shù)α

Bh的增大，兩者共同的影響會使空化作用減弱，在空化作用較弱的持續(xù)超聲作用下，溶液中的顆粒更容易發(fā)生團聚，最終影響剝片效果。

為了測試濃度對剝片效果的影響，改變樣品濃度分別為5%、10%、20%、50%，其它條件一致即:體積均為200 ml，超聲作用5 min，對樣品剝片效果進行分析。依據(jù)上面的分析，濃度的增加會提高σ和v的數(shù)值，σ將增加PB，而v使P衰減增強，PB和P的共同影響導致空化效應減弱，因此濃度越大剝片效果越差。圖3所示的試驗結(jié)果和理論分析一致。)圖4給出的是濃度為5%、體積為200 ml的樣品，超聲作用時間分別為5 min、15 min和30 min的情況下得到的粒度累計分布曲線。從結(jié)果中可以看出，三種樣品中小于1 μm的顆粒含量最多的是作用時間為5 min的樣品，其次是15 min，最少的是作用時間為30 min的樣品。超聲作用5 min后，由于樣品顆粒的細化會增加樣品的表面張力σ和粘滯系數(shù)v，從而使得值PB增大、聲壓P衰減增強，空化作用減弱。超聲持續(xù)作用到15 min時可以看到，小于1 μm的顆粒由75.3%降到72.28%，而小于2 μm 的顆粒含量由92.78%增加到了95.66%，也就是說小的顆粒向較大的顆粒粒度轉(zhuǎn)變，團聚開始發(fā)生，但同時細化仍然進行。當作用到30 min時，團聚持續(xù)進行，小于1 μm的顆粒由72.28%進一步降到71.1%，小于2 μm 的顆粒含量也開始由95.66%降到91.29%。

3 結(jié)束語

高嶺石的功率超聲剝片實驗表明，剝片過程中的漿液濃度、漿液體積以及超聲作用時間對剝片效果影響顯著，它們之間有著較為復雜的非線性關系，只有三者之間達到合理的分配才能達到較佳的剝片效果。運用理論模型分析空化閥值壓力PB、液體表面張力σ、空化氣泡崩潰時的瞬態(tài)壓力和瞬態(tài)溫度等的數(shù)值關系，對高嶺石功率超聲剝片的參數(shù)優(yōu)化具有理論意義和實用價值。

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