Grinding of Chrysotile in Hydrocarbons, Alcohol, and Water

Abstract

The change of the properties of chrysotile after ball milling in organic liquids (aromatics, alcohols, silicone oils) or water was studied by gas adsorption, electron microscopy, X-ray powder diffraction, infrared spectroscopy, differential thermal analysis, zeta potential measurements, and chemical analysis. Grinding in low viscosity organic solvents leads initially to a rapid defiberization of the asbestos bundles and to a fragmentation of the isolated fibrils. Finally, amorphization and agglomeration occur causing a drastic decrease of the specific surface area of the ground material. Grinding in water brings about a defiberization, but much more slowly than in organic solvents. Moreover, prolonged grinding in water does not significantly alter the structure of chrysotile. The efficiencies of the organic solvents, considered as grinding aids that induce fracture of the fibrils, are related to the environmental stress cracking of brittle solids (Rehbinder theory). Hence, the pertinent properties of the organic liquids are their viscosity and their cohesion energy (solubility parameter). Solvents chemisorbed on the surface of the ground chrysotile reduce the surface energy of the fracture surface and prevent aggregation. Water does not react according to Rehbinder's theory, but appears to form a protective layer around the fibrils. This hypothesis was verified by dry grinding defiberized asbestos (rapid amorphization) or by disturbing the stability of the water coating by coadsorbing alcohol on the solid surface. Alternatively, the resistance of the fibrils to fracture may be explained by Westwood's theory that grinding in water is equivalent to grinding in an alkali medium, wherein the surface charge of the chrysotile becomes negligible, and the mechanical stability of the fiber reaches a maximum.

Резюме

Изменение свойств хризотила после шарообразного перемола в органических жидкостях (ароматических, алкоголях, силиконовых маслах) либо в воде исследовались при помощи газовой адсорбции, электронного микроскопа, ренигеновской порошковой дифракции, инфракрасной спектроскопии, дифференциального термоанализа, измерения зета-потенциала, и химического анализа. Растирание в органических жидкостях с низкой вязкостью сначала приводит к быстрому отделению волокон асбестовых пакетов и к фрагментации отделениях волокон. Окончательно появляются аморфизация и аггломерация, вызывая решительное уменьшение величины удельной площади поверхности порошкового материала. Растирание в воде тоже приводит к отделению волокон, но более медленно, чем в органических жидкостях. Кроме того, длительное растирание в воде не изменяет значительно структуры хризотила. Эффективности органических растворителей, рассматриваемых в качестве помощников растирания, которые приводят к раздробленны волокон, связаны с вызванными окружающей средой напряжениями разрыва хнурких тел (теория Ребиндера). Отсюда, основные свойства органических жидкостей—это вязкость и параметр энергии сцепления (растворяемость). Растварители, химически адсорбированные на поверхносте порошкового хризотила, уменьшают поверхностную энергию поверхности излома и предохраняют от агрегации. Согласно теории Ребиндера вода не реагирует, но вызывает образование предохранительного слоя вокруг волокон. Эта гипотеза была проверена путем сухого растирания асбеста с отделёнными волокнами (быстрая аморфизация) либо путем распределения стабильности воды при помощи коадсорбции алкоголя на поверхности. С другой стороны сопротивление волокон к разрыву может быть обьяснено теорией Вествуда, что растирание в поде соответствует растиранию в щелочной среде, в которой поверхностным зарядом хризотила можно пренебречь и механическая стабильность волокон достигает максимума. [Е.С.]

Resümee

Die Veränderung der Eigenschaften von Chrysotil durch das Mahlen in der Kugelmühle mit organischen Flüssigkeiten (Aromaten, Alkoholen, Silicon-Ölen) oder Wasser wurde mittels Gasadsorption, Elektronenmikroskopie, Röntgenpulverdiffraktometrie, Infrarotspektroskopie, Differentialthermoanalyse, Zeta-Potentialmessungen, und chemischer Analyse untersucht. Das Mahlen in niedrig viskosen organischen Lösungsmitteln führt zu Beginn zu einer schnellen Entfaserung der Asbestbündel und zum Zerbrechen einzelner Fasern. Am Ende tritt eine Amorphisierung und eine Agglomeratbildung auf, die eine drastische Abnahme der spezifischen Oberfläiche des gemahlenen Materials verursachen. Das Mahlen in Wasser ist mit einer Entfaserung verbunden, die jedoch viel langsamer vor sich geht als in organischen Lösungsmitteln. Darüberhinaus äindert ein läingeres Mahlen in Wasser die Struktur von Chrysotil nicht wesentlich. Die Wirksamkeit der organischen Lösungsmitteln, die als Mahlhilfen betrachtet werden, indem sie ein Brechen der Fasern bewirken, werden mit der Umgebungsbeanspruchung, die spröde Feststoffe zerbricht, in Beziehung gebracht (Rehbinder-Theorie). Daher sind die hervorstechenden Eigenschaften von organischen Flüssigkeiten ihre Viskosität und ihre Kohäsionsenergie (Löslichkeitsparameter). Lösungsmittel, die an die Oberfläche des gemahlenen Chrysotil chemisorbiert sind, verringern die Oberflächenenergie der Bruchstücksoberfläche und verhindern die Agglomeratbildung. Für Wasser gilt die Theorie von Rehbinder nicht, da es um die Fasern eine Schutzschicht zu bilden scheint. Diese Hypothese bewahrheitete sich durch trockenes Mahlen von entfaserten Asbesten (schnelle Amorphisierung) oder indem die Stabilität der Wasserhülle durch Mitadsorption von Alkohol an die Festkörperoberfläche zerstört wurde. Auf der anderen Seite kann die Widerstandsfähigkeit der Fasen gegen Brechen durch die Westwood'sche Theorie erklärt werden, wonach das Mahlen in Wasser dem Mahlen in einem alkalischen Medium entspricht, wodurch die Oberflächenladung des Chrysotil vernachlässigbar wird, und die mechanische Stabilitiit der Fasern ein Maximum erreicht. [U.W.]

Résumé

La variation des propriétés du chrysotile, traité dans un broyeur à boulets en présence de liquides organiques (aromatiques, alcools, huile de silicone) ou d'eau, a été étudiée par adsorption gazeuse, microscopie électronique, diffraction des rayons X, spectroscopie infra-rouge, analyse thermique differentielle, mesure de potentiel zeta, et analyse chimique. Le broyage dans des solvants organiques de faible viscosité cause initialement une défibrillation des macrofibres et une segmentation des microfibres. Finalement, il se produit une amorphisation et une agglomération se traduisant par une chute considérable de la surface spécifique du matériau broyé. Le broyage en milieu aqueux entraîne une défibrillation, mais beaucoup plus lentement qu'en milieu organique. De plus, le broyage prolongé, dans l'eau, n'affecte pas sensiblement la structure du chrysotile. L'efficacité des solvants organiques en rant qu'adjuvants de broyage ou d'initiateurs de la fracture des microfibres, s'explique par la théorie de Rehbinder (rupture fragile, sous contrainte et en milieu corrosif). Aussi, convient-il de considérer comme importante la viscosité et l’énergie de cohésion des liquides (paramètre de solubilité). Par ailleurs, les solvants se chimisorbent sur les surfaces de fracture reduisant ainsi leur énergie superficielle et prévenant l'aggrégation des fibres séparées. L'eau ne répond pas exactement à la théorie de Rehbinder, mais semble former une gaine protectrice autour des fibrilles. Pour vérifier cette hypothèse, les microfibrilles out été rebruyées à sec (amorphisation rapide) et de plus, des essais de destabilisation du film d'eau, par coadsorption d'alcool, out été entrepris. La résistance à la segmentation des fibrilles en présence d'eau, pourrait aussi s'expliquer en remarquant que le milieu de broyage devient alcalin; par suite leur potentiel zeta devient négligeable et leur stabilité mécanique optimale.