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| 我國超細(xì)微高嶺土的研究現(xiàn)狀 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-02-02 10:26:49 瀏覽次數(shù)： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）高嶺土是一種重要的粘土礦物，可被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。其可增大材料的體積、提高塑料的絕緣強(qiáng)度、電阻，增強(qiáng)對紅外線阻隔效果等。納米高嶺土作為化工添加材料，用于造紙、塑料及油漆行業(yè)，可顯著提高產(chǎn)品的檔次，增加產(chǎn)品的附加值。高嶺土的超微細(xì)化是指使高嶺土粉體顆?；驈?fù)合材料中的高嶺土顆粒粒徑達(dá)到1 0 0 n m 以下的工藝過程。
1 超微細(xì)高嶺土的特性
部分高嶺土礦中含有少量的蒙脫石、伊利石，還含有少量的石英、云母、方解石和有機(jī)質(zhì)；致密塊狀或疏松土狀；硬度在2左右；質(zhì)軟，有滑膩感。高嶺土的顏色多為白色，含雜質(zhì)時(shí)呈黃、灰或玫瑰色，單晶呈六方板狀或書冊狀。平行連生的集合體往往呈蠕蟲狀或手風(fēng)琴狀。高嶺石原礦的顆粒緊密地呈面—面接觸，形成聚集體，而在超微細(xì)高嶺土的掃描電鏡照片中，晶片明顯分離為單個(gè)顆粒，具有較好的分散性。松散密度是指在自然堆積松散狀態(tài)下無壓實(shí)或敦實(shí)作用時(shí)單位體積超微細(xì)粉體的質(zhì)量。
利用化學(xué)方法處理的超微細(xì)高嶺土的松散密度一般在0.06～0.07g/cm3左右，而原礦直接超細(xì)粉碎所得超細(xì)粉體的松散密度約為0.2g/cm3左右。由此可見，化學(xué)表面處理可明顯消除顆粒的團(tuán)聚，使超微細(xì)高嶺土顆粒得到高度分散，視密度大大降低。
超細(xì)粉體顆粒或聚集體的顆粒粒度越大，視密度越大；粉體顆粒粒度或聚集體顆粒越小，視密度越小，其分散性則越好。比表面積是指表面積與體積之比，它與顆粒尺寸成反比。超微細(xì)高嶺土的表面原子百分?jǐn)?shù)急劇增長，表面效應(yīng)不容忽略。超微細(xì)高嶺土比表面積與其顆粒或片層之間存在的團(tuán)聚有關(guān)。超微細(xì)高嶺土的比表面積為一般高嶺土的2～3 倍，片層的表面性能得到了大大的改善，同時(shí)也提高了其分散性。
2 超微細(xì)高嶺土的制備
超微細(xì)高嶺土的制備在我國最主要的幾種方法是機(jī)械粉碎法、插層法、分級法、化學(xué)合成法和一些表面改性的方法。
2.1 機(jī)械粉碎法
采用粉碎方法制備超細(xì)高嶺土是比較常用的方法之一，這種方法制備的超細(xì)高嶺土已經(jīng)在很多的行業(yè)得到了應(yīng)用。機(jī)械粉碎法制備超細(xì)高嶺土工藝的方法較多，但是基本原理單一，工藝簡單，效率在一定的條件下比較高，但是在制備的過程中一定要把握好度，在粉碎過程中，如果超過一定的時(shí)間會出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。另外，這種方法耗能較大，不能達(dá)到節(jié)能的目的。
在我國粉碎界的主要理論就是三大功耗學(xué)說，現(xiàn)在機(jī)械粉碎的新觀念是進(jìn)一步研究破碎過程的能量消耗，分析物料在粉碎過程中的變化過程，以致研究出更適合的超細(xì)粉碎機(jī)械。新型破碎機(jī)主要有外動顎式破碎機(jī)、振動顎式破碎機(jī)、雙腔顎式破碎機(jī)、雙作用筒擺式顎式破碎機(jī)、雙腔回轉(zhuǎn)式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、立軸式?jīng)_擊粉碎機(jī)及其他新機(jī)種。
新的粉碎方法主要有等離子粉碎、控溫粉碎、柔性粉碎。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及為適應(yīng)不同領(lǐng)域的應(yīng)用要求，超細(xì)化高嶺土的粉碎設(shè)備最典型的有輥式粉碎機(jī)、球磨機(jī)、介質(zhì)攪拌式研磨機(jī)、氣流式粉碎機(jī)和超聲粉碎機(jī)。這些設(shè)備都是借用了高嶺土的結(jié)構(gòu)特性(高嶺土屬于層狀硅酸鹽)，在外力的作用下，層與層之間的作用力就會被破壞，從而使得高嶺土變成很小的顆粒，達(dá)到超細(xì)化的最終目的。
可以看出超細(xì)粉體制備機(jī)械在近幾年來沒有大的發(fā)展，但除了粉碎機(jī)械以外，更多的研究者與制造商開始關(guān)注有關(guān)分級、過濾、干燥、造粒等方面機(jī)械設(shè)備的研究與開發(fā)。想通過這些手段使高嶺土進(jìn)一步超細(xì)化。
梁宗剛等應(yīng)用BMP-500型用95瓷襯內(nèi)筒加高分子耐磨剝盤制得5μm 以內(nèi)的煤系高嶺土顆粒。這種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，需要的配套設(shè)備少，耗能低，產(chǎn)量大，粒度分布效果好，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
邵亞平等介紹了由江蘇宜興明興粉體機(jī)械有限公司研發(fā)生產(chǎn)的YMP1000B拉桿式磨粉機(jī)應(yīng)用在高嶺土原礦超細(xì)粉碎上，先利用G D L ?；褵隣t進(jìn)行煅燒，利用該設(shè)備進(jìn)行打散，整個(gè)過程比較簡單、高效、可靠，可以得到1 250目以上的超細(xì)高嶺土，而且其產(chǎn)量比較大。
李三華等使用立式攪拌磨對煤系高嶺土進(jìn)行了濕法超細(xì)研磨，同時(shí)在研磨的過程中使用不同的化學(xué)試劑作為助磨劑，得出了使用六偏磷酸鈉作為助磨劑時(shí)，一次性可以制得粒徑小于2μm 的超細(xì)粉體。利用分級技術(shù)也可以得到超微細(xì)化的高嶺土。
李啟成等采用離心分級機(jī)對高嶺土進(jìn)行了超細(xì)分級實(shí)驗(yàn)，通過對給料濃度和分離因數(shù)的控制，得出最佳的實(shí)驗(yàn)條件范圍，從而得到了2μm 粒級含量在85%以上的超微細(xì)高嶺土。
2.2 插層—剝離法
插層法是目前最有希望也是最有效的制備納米級高嶺土的方法。高嶺土的主要化學(xué)成分高嶺石的結(jié)構(gòu)單元是通過一層鋁氧八面體的羥基和一層硅氧四面體的氧原子形成氫鍵而結(jié)合，有些小分子能夠破壞其層與層之間的氫鍵。插入其層間，撐大了其層間距使其剝離，這種方法也叫做插層—剝離法。
在插層過程中，有機(jī)分子在層間的排列趨向更加有序，在熱力學(xué)上為熵減過程，因此插層過程在熱力學(xué)上是不利的，需要一定的條件才能進(jìn)行。高嶺石層間缺乏可交換的陽離子，層間域兩面原子的不對稱分布使層間顯極性，因此只有極性強(qiáng)的有機(jī)小分子才能直接插入高嶺石層間并與之發(fā)生相互作用，撐開高嶺石片層。
夏華等以高嶺土/ 甲醇插層復(fù)合物作為中間體，采用“取代法”將吡啶插入到高嶺土層間。研究表明當(dāng)用甲醇和吡啶的混合溶液處理高嶺土/ 甲醇插層復(fù)合物時(shí)，高嶺土的層間距進(jìn)一步增大到1.22nm。
陳潔渝等采用研磨及在95～100℃保溫，相對以往利用飽和醋酸鉀溶液浸泡插層，不但降低了醋酸鉀的用量，而且加快了插層反應(yīng)速率，并可促進(jìn)高嶺土的剝離。醋酸鉀/ 高嶺石插層復(fù)合物不穩(wěn)定，沖洗后插層復(fù)合物結(jié)構(gòu)坍塌，利用其不穩(wěn)定性，可制備超細(xì)高嶺土。
李憲洲等以高嶺土為原料，50%的水合肼為插層劑，采用直接液相插層法，制備出肼高嶺土插層材料。研究表明：插層中肼分子中的NH基和高嶺石表面羥基之間產(chǎn)生了N - H - O H 作用，形成了新的氫鍵。并且得出結(jié)論：直接插層反應(yīng)按放熱過程進(jìn)行，插層分子與高嶺土分子之間的相互作用程度是決定插層成功的關(guān)鍵。高嶺土插層一般都采用傳統(tǒng)的浸泡法，如果想使插層率達(dá)到9 0 % 以上，常溫下需要將高嶺土在液體中浸泡很長時(shí)間，或是在80℃
下攪拌40h。
韓世瑞等利用超聲這一特殊的能量形式和誘導(dǎo)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，有效地改變傳統(tǒng)的插層高嶺土費(fèi)時(shí)、低效率的缺陷。把原來兩個(gè)月或幾十個(gè)小時(shí)的時(shí)間縮短到3～4h，大大提高了效率；同時(shí)插層的效果也達(dá)到較好的程度，插層率提高到了90%左右。
孫嘉等通過對高嶺石在微波輻照下用醋酸鉀、尿素、二甲亞砜插層劑分別插層的紅外光譜及XRD 圖譜的分析比較，發(fā)現(xiàn)微波對小尺寸、大偶極距的二甲亞砜類分子的插層效果有很明顯的促進(jìn)作用。對小偶極距的醋酸鉀，尿素類分子的作用則不明顯。這是微波對高嶺石、插層劑以及水的熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。利用微波對二甲亞砜類分子插層的促進(jìn)作用，可以快速合成高嶺石二甲亞砜類有機(jī)插層復(fù)合體，為工業(yè)生產(chǎn)高嶺石有機(jī)插層復(fù)合材料，以及制造超細(xì)甚至納米級高嶺土打下基礎(chǔ)。
閻琳琳等采用插層法和超聲法相結(jié)合的方法對高嶺土進(jìn)行剝片，選用三種插層劑進(jìn)行插層，尿素、醋酸鉀和DMSO(二甲基亞砜)分別采用飽和溶液浸泡法、吸潮法和微波插層法，先制備出高嶺土的插層復(fù)合物，再對其進(jìn)行超聲處理。得知采用醋酸鉀插層做插層劑時(shí)效果顯著。高嶺石/ 醋酸鉀復(fù)合物進(jìn)行超聲剝片后，顆粒明顯變小，片層明顯變薄。高嶺土剝片后保持了原來的晶體形狀，但無序度增大，晶體厚度40～50nm，基本可以滿足納米化剝片的要求。
2.3 分級法
由斯托克斯法則可以知道，從微粒的沉降深度可以判斷出某一沉降范圍內(nèi)微粒的大小，將高嶺土在液體中沉降可得到超微細(xì)高嶺土，我們可以對顆粒的細(xì)度進(jìn)行估算。但這種方法的成本較高，產(chǎn)出率很低，不適合在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。
2.4 化學(xué)合成法
化學(xué)合成法采用鋁土礦的堿溶出物偏鋁酸鈉和泡花堿酸化脫鈉產(chǎn)物酸性硅溶膠為原料通過一系列方法得到超微細(xì)合成高嶺土。其高純度、懸浮穩(wěn)定性、光散射性，同時(shí)其他性能俱佳，但是其合成的成本較高。
3 結(jié)語
超微細(xì)高嶺土的研究在我國發(fā)展較快，經(jīng)過不同的方法研究現(xiàn)在已經(jīng)可以得到在幾十納米范圍之內(nèi)的超細(xì)化高嶺土。高嶺土的插層復(fù)合材料研究也是現(xiàn)在的一個(gè)熱點(diǎn)，同時(shí)可以通過插層得到更加微細(xì)的高嶺土。越是超細(xì)化的高嶺土，它的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃綇V泛，對基料性能的提高越明顯。
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