硅灰石的加工及在涂料中的应用

              （北京展辰化工有限公司 胡中源 王德华 罗先平）

一．概述：

     硅灰石属于一种链状偏硅酸盐，一般呈纤维状、针状。由于其特殊的晶体形态结晶结构决定了其性质，硅灰石具有良好的绝缘性，同时具有很高的白度、良好的介电性能和较高的耐热、耐候性能。因硅灰石广泛地应用于陶瓷、化工、冶金、造纸、塑料、涂料等领域。

二.硅灰石的结构及特点

石的化学分子式为CaSiO3，结构式为Ca3［Si3O9］，理论化学成分：CaO 48.25%、SiO2 51.75%。自然界中纯硅灰石罕见，在其形成过程中，Ca有时被Fe、Mn、Ti、Sr等离子部分置换而呈类质同象体，并混有少量的Al和微量K、Na。
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：①三斜链状结构的Tc型硅灰石，通称低温三斜硅灰石(α-CaSiO3)；②单斜链状结构的ZM型副硅灰石，通称副硅灰石(α′- CaSiO3)；③三斜三元环状结构的假硅灰石，通称假硅灰石(β-CaSiO3)。目前被广泛用作工业矿物原料的主要是低温三斜硅灰石。

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，解理平行 中等，两组解理面交角为74°。密度2.78～2.91 g/cm3，硬度4.5～5，熔点1540℃。热膨胀系数低，在25～800℃时热膨胀系数为6.5×10-6 mm/(mm·℃)；在1125℃左右时可转化为假硅灰石，这时热膨胀系数增加，并由于释放出Fe、Sr等杂质，因此颜色由白色变为奶油色、红色或褐色。
    硅灰石矿石自然类型通常有夕卡岩型矿石和硅灰石-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、方解石及透辉石、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。硅灰石矿石的结构构造通常也有两种：致密块状矿石具细粒花岗变晶或纤维变晶结构，致密块状构造，硅灰石呈细小粒状、柱状或纤维状集合体，个别极细粒致密者呈玉状；粗晶硅灰石矿石具纤维变晶结构，块状、似角砾状、巨斑状或条带状构造，硅灰石晶体粗大，呈板柱状，束状或放射状(菊花状)。
三.硅灰石的加工
（一）选矿
    国内外硅灰石选矿的主要方法是手选、单一磁选、浮选、磁选-浮选（或电选）联合流程。选矿的主要目的是降低铁含量及分离方解石。
（1）、手选
   采矿场人工拣选富矿块或破碎后在输送带上，人工选富硅灰石矿块。手选适用于质量较好的矿石。
（2）、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出磁性，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。
（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。
（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。浮选分离硅灰石与方解石。石英等矿物主要有两种工艺流程。
①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。
②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表面电性，使其带异号电位，从而用阳离子捕收剂通过静电吸附作用，优先浮出硅灰石，而方解石则作为尾矿留于浮选槽中。浮选作业分为两段：第一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出，方解石则留于槽中；第二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。
（二）、粉碎与针状硅灰石的加工
    硅灰石粉是一种短纤维状的无机粉体。在某些应用领域，如陶瓷、微晶玻璃、冶金保护渣等只对石棉代用品、造纸纸浆代用品、塑料和橡胶的增强填料以及部分涂料填料等，则不仅对其粒度发现和粒度分布有要求，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、造纸纤维以及塑料和橡胶等高聚物基复合材料的高级增强填料等，有较大的应用价值和经济价值。因此。高长径比硅灰石针状粉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，国内主要采用雷蒙磨。为了确保大颗粒的含量不超标，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、离心自磨机等一般适用于生产400~1000目左右的高长径比硅灰石针状粉；流态化床式气流粉碎机适用于生产1250目（d97≤10μm）超细针状硅灰石粉。上述两类设备对偶式干法生产。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）。

四.硅灰石粉应用:
     1. 硅灰石在塑料橡胶中的应用，硅灰石具有独特的针状纤维，具有良好的绝缘性、耐磨性，以及较高的折光率。是塑料、橡胶制品较好的填充材料。特点与性能：硅灰石粉可以提高冲击强度、增强流动性以及改善抗拉强度、冲击强度、线性拉伸及模收缩率。

2. 硅灰石在纸制品中的应用，硅灰石经过特殊加工工艺后仍能保持其独特的针状结构，使添加了硅灰灰石粉的白板纸，提高其白度,不透明度(面层遮盖度),平整度,平滑度,适应性， 减少定量横差和纸板湿变形,提高印刷适应性,并且可大幅度降低其他各种原材料的使 用量，从总体上降低纸制品成本。

   3. 硅灰石在陶瓷中的应用，在陶瓷原料中加入适量的硅灰石粉，可以大幅度降低烧成温度，缩短烧成时间，实现低温快速一次烧成。大量节约燃料，明显降低产品成本；同时提高产品的机械性能、减少产品的裂缝和翘曲、增加釉面光泽、提高胚体强度,进而提高产品的合格率。

4.硅灰石代替石棉应用于建筑隔离板，硅灰石粉是一种无毒、无味、无放射性等优点逐渐取代了对人体健康有害的石棉，成为新世纪环保建材的新原料。经过特殊加工工艺后仍能保持其独特的针状结构,使添加了硅灰石针状粉的硅钙板、防火板等材料的抗冲击性、抗弯折强度、耐磨强度均大大提高。

5. 硅灰石在涂料中的应用，硅灰石具有一种良好的补强性，既可以提高涂料的韧性和耐用性，又可以保持涂料表面平整与及良好的光泽度。因为硅灰石具有较好的硬度和耐磨性，使涂料可以得到更好的机械强度、增加耐久性、增强粘附力和抗腐蚀性能，一般用于防腐涂料的底漆中。随着硅灰石生产企业深加工技术的进步，硅灰石因为其优异耐侯性，良好的着色亮度越来越多应用于乳胶漆中。

①在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，属于惰性填料耐候性好，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应用外墙涂料中。

②在内墙乳胶漆中的应用，硅灰石原来因为色相偏黄，在内墙乳胶漆中应用不多，现在随着硅灰石生产企业深加工技术的进步，白度可以达到90以上，（比如深圳锦昊辉化工的硅灰石JLH6W最高白度可以达到92）完全可以用于内墙涂料。硅灰石针状结构可以提高高PVC内墙乳胶漆的孔隙率从而提高遮盖力。硅灰石的针状结构可以帮助耐擦洗性能，有资料显示，在内墙乳胶漆中加入5-8%硅灰石可以提高耐擦洗100次。另外硅灰石的针状结构可以降低侧角光、提高抗压光性，改善施工性能。

③在底漆中的应用，硅灰石的片状或针状结构，可以形成网状结构，具有很好的渗水性。