徐建華、吳禹函 / 工研院材化所；周子琪 / 工研院機械所
在全球淨零碳排趨勢下，降低占水泥廠總電耗逾50%的粉磨能耗為產業轉型關鍵。本文探討導入含特定極性官能基（如羥基、胺基）之有機助磨劑，對水泥熟料研磨效能與微觀機理之影響。理論分析顯示，界面活性分子能迅速吸附於顆粒斷裂面，透過降低表面自由能、中和靜電與空間位阻效應，有效克服微細粉體的靜電團聚與糊磨瓶頸。工研院團隊經由試驗驗證，指出添加0.15%高純度有機助磨劑之組別成效最佳；該配方不僅大幅提升物理粉碎效率，更能調控水化動力學，顯著強化28天的晚期抗壓強度。本研究結果為水泥工業邁向低碳、節能且兼顧品質的生產模式，提供了具備高度實務價值的科學解方。
【內文精選】
有機助磨劑化學結構對水泥粉磨與水化行為之影響
水泥粉磨過程消耗大量電能，且極易產生顆粒結塊與糊磨現象。為了解決此瓶頸並提升粉碎效率，業界廣泛導入各類化學添加劑。研究證實，助磨劑分子的化學結構與其官能基（如醇胺基、二醇類等）特性，會直接影響其在水泥顆粒表面的吸附模式，進而改變物料的流變性質與粉磨效能。如表一所示，不同分子結構的助磨劑不僅能改善研磨效率，更會與水泥中的不同礦物相發生化學錯合反應，對早期水化動力學及中後期力學強度產生截然不同的影響。釐清這些有機分子的微觀作用機制，是優化高性能水泥配方的關鍵。
針對最常見的醇胺類分子，V. S. Ram- achandran團隊探討了三乙醇胺（TEA）在水化過程中發現TEA對於矽酸鹽相具有延緩水化的作用，但對於鋁酸鹽相則表現出加速效果。當TEA的添加量超過0.1%時，會大幅縮短初始凝結時間，並導致水泥在各個齡期的抗壓強度全面下降。M. Jachiet團隊的研究也印證了這一點，指出TEA雖然能透過誘發耗散力在孔隙溶液中促進水泥顆粒分散，但它會強烈加速鈣礬石（Ettringite）的生成，這類針狀水化物的大量產生反而會增加水泥漿體的塑性黏度。如圖六所示，隨著TEA摻量增加（0.05%~0.60%），水泥漿體的塑性黏度（Plastic Bingham Viscosity）與降伏應力（Yield Stress）均呈現上升的趨勢，進一步佐證了鈣礬石大量生成對流變性質的改變。
為了尋求更好的強度發展，研究人員轉向具有不同空間阻礙的分子。M. Katsioti 團隊比較了TEA與三異丙醇胺（TIPA）的效能。如表二研磨性測試結果所示，相較於未添加助磨劑的對照組（研磨指數0.781）以及TEA組（GA1-GA3，研磨指數約0.860~0.890），TIPA組（GA4-GA6）展現了更佳的物理助磨效果，能在達到相近比表面積的前提下顯著降低所需的研磨圈數，並將研磨指數最高提升至0.984（增幅高達 26%）。在水化化學方面，TIPA中的異丙醇基團雖在早期發揮了輕微的緩凝作用，但其能有效促進鐵相固溶體的反應，使得添加TIPA的水泥在28天的抗壓強度大幅提升了15%，明顯優於傳統的TEA。J. J. Assaad團隊研究亦指出在達到相同粉磨細度的前提下，含有TIPA等胺基配方的助磨劑，其強度增幅顯著高於單純的二醇類（如DEG和MEG）助磨劑。
圖九 球磨裝置、砂漿試體製備及各齡期（1、3、7、28天）抗壓強度試驗
助磨劑輔助水泥研磨製程之應用評估
為驗證特定有機溶劑應用於水泥熟料研磨之節能與品質優化效益，工研院團隊藉由不同劑量（0%、0.05%、0.10%與 0.15%）的對照試驗篩選最佳配方。其標準化球磨裝置與砂漿試體製備流程如圖九所示：試驗固定熟料與石膏比例，並採用鋯球作為研磨介質。根據圖十之各齡期抗壓強度測試結果，添加助磨劑普遍能增進力學表現。其中，添加0.15%高純度有機溶劑之組別表現最為優異，其28天晚期強度明顯增強，彰顯該溶劑有效釋放了熟料的潛在活性。此結果充分印證極性分子吸附中和表面靜電、防止顆粒團聚並大幅提升研磨效率之理論預測 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》479期，更多資料請見下方附檔。