（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）膨潤土具有很強(qiáng)的吸濕性,能吸附相當(dāng)于自身體積8～20倍的水而膨脹至30倍；在水介質(zhì)中能分散呈膠體懸浮液,并具有一定的粘滯性、觸變性和潤滑性,它和泥沙等的摻和物具有可塑性和粘結(jié)性,有較強(qiáng)的陽離子交換能力和吸附能力。
膨潤土素有“萬能”粘土之稱,廣泛應(yīng)用于冶金、石油、鑄造、食品、化工、環(huán)保及其他工業(yè)部門。本文綜述了以膨潤土為原料制備鈉基膨潤土、活性白土、有機(jī)膨潤土和4A分子篩的工藝、結(jié)構(gòu)和性能,并且對近年來國內(nèi)外膨潤土深度開發(fā)產(chǎn)品聚合物/膨潤土納米復(fù)合材料進(jìn)行了展望。
1 鈉基膨潤土
鈣基膨潤土的層間距d(001)在1.5nm左右；鈉基膨潤土的層間距d(001)在1.2nm左右。鈣基膨潤土的物化性能主要表現(xiàn)在吸附性及粘結(jié)性好,但它的膨脹性較小,有時需要改成鈉基膨潤土,以提高其經(jīng)濟(jì)價值和應(yīng)用價值。由于Na+比Ca2+有更強(qiáng)的水合作用,鈉基膨潤土具有比鈣基膨潤土優(yōu)越的物化性能,如吸水率和膨脹倍數(shù)高、陽離子交換容量高,其膠體懸浮液觸變性、粘度、潤滑性好,熱穩(wěn)定性能好,并具有較強(qiáng)的可塑性和粘接性等。、
在冶金工業(yè)膨潤土用作鐵礦球團(tuán)的粘結(jié)劑,使團(tuán)礦粒度均勻,還原性能好,這是膨潤土的最大用途,所用膨潤土以鈉基膨潤土為主；在石油工業(yè)鈉基膨潤土用于制備焦油-水的乳化液；在食品工業(yè)鈉基膨潤土用于動植物油的脫色和凈化,葡萄酒和果汁的澄清、啤酒的穩(wěn)定劑等；在紡織印染工業(yè)鈉基膨潤土用作填充劑、漂白劑、抗靜電涂層,可代替淀粉上漿及做印花糊料。
鈣基膨潤土的鈉化改型工藝有干法和濕法兩種。濕法改型工藝又稱為懸浮液法,即將膨潤土與水配成約為1:1或更稀的礦漿,然后加入過量碳酸鈉等鈉化改性劑,在60～80℃左右攪拌1～2h,得到鈉基膨潤土,此法改型產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,但是產(chǎn)品脫水、干燥困難。相反干法加工工藝應(yīng)用較廣泛,該法是將碳酸鈉加入膨潤土中經(jīng)擠壓而成。常用的干法鈉化方法有:堆場鈉化法、輪碾鈉化法、雙螺旋混合擠壓鈉化法、螺旋阻流擠壓法等。影響鈣基膨潤土鈉化的主要因素是:擠壓作用的時間、膨潤土溫度的影響、粒度和擠壓次數(shù)等。
2 活性白土
盡管鈉基膨潤土的物化性能較鈣基膨潤土好,但是比表面積和吸附性都比不上活性白土?；钚园淄潦且环N具有微孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、比表面積很大的白色或灰白色粉末,具有很強(qiáng)的吸附性?；钚园淄辆哂泻軓?qiáng)的活度和脫色能力,它用于石油的精煉,潤滑油和動植物油的脫色及絕緣油的凈化等；活性白土是生產(chǎn)化妝品、醫(yī)藥、涂料的原料；顆粒狀的活性白土還可做芳烴重整、異構(gòu)化、歧化的催化劑。一般用無機(jī)酸活化膨潤土制備活性白土,根據(jù)工藝條件,可分為干法、濕法和半濕法。
3 有機(jī)膨潤土
有機(jī)膨潤土是有機(jī)季銨鹽與天然膨潤土的復(fù)合物,是近些年開發(fā)的一種精細(xì)化工產(chǎn)品。有機(jī)膨潤土的主要特性就是有機(jī)介質(zhì)中表現(xiàn)出溶脹性、高分散和觸變性。在涂料方面,有機(jī)膨潤土一般作為防沉劑、增稠劑,用作金屬防腐涂料,具有耐腐蝕、耐磨、抗鹽水侵蝕、抗沖擊、不易濕等特點(diǎn)；在紡織工業(yè)方面,有機(jī)膨潤土主要合成纖維織物的染色助劑；在高速印刷油墨方面,根據(jù)需要來調(diào)節(jié)油墨的稠度、粘度及控制滲透性；在鉆井方面,有機(jī)膨潤土可作為乳膠穩(wěn)定劑；在高溫潤滑脂方面,有機(jī)膨潤土特別用于制備適于高溫和長時間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)的高溫潤滑脂。
有機(jī)膨潤土的制備有濕法、預(yù)凝膠法和干法三種。這三種方法中,干法操作簡單,生產(chǎn)效率高,制出的有機(jī)膨潤土適于作為油基鉆探液的增稠劑,但此方法粉塵較多,對環(huán)境污染較大；濕法的關(guān)鍵步驟是懸浮液中的微粒的粒度是否達(dá)到要求,膨潤土中的雜質(zhì),特別是石英是否去除,它直接關(guān)系到有機(jī)膨潤土性能的好壞。值得注意的是,有機(jī)膨潤土的制備原料必須是鈉基膨潤土,而不能用鈣基膨潤土,因?yàn)镹a+較Ca2+的水合離子半徑大,使膨潤土的層間距d(001)加大,有利于有機(jī)陽離子的離子交換。
4 4A分子篩
4A分子篩是一種結(jié)晶態(tài)的硅鋁酸鹽,其空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由硅氧四面體單元[SiO4]和鋁氧四面體[AlO4]單元交錯排列而成。在結(jié)構(gòu)中存在大量水分子和陽離子,這種構(gòu)造特點(diǎn)使分子篩具有選擇吸附、催化和離子交換三大特性。4A型分子篩的特性決定了它具有廣泛的工業(yè)用途。利用其強(qiáng)的吸水性能,用作氣體和非極性(有機(jī))液體的干燥劑；利用其具有特定的孔徑,用作氣體分離劑和有機(jī)(無機(jī))反應(yīng)的催化劑；利用其快速的離子交換性能,易將它轉(zhuǎn)型為3A或5A分子篩以及其它A型分子篩；利用較高的Ca2+,Mg2+離子交換容量和高的交換速度,用作洗滌劑助劑三聚磷酸鈉(STPP)的代替品,還可作為橡膠、紙漿和涂料的添加劑以及民用除臭劑等,特別是70年代以后,人們將4A沸石代替洗滌劑STPP,以避免STPP對環(huán)境污染,使其需要量猛增。
人工合成4A分子篩的方法分為兩種:一種為全合成試劑法,即用硅酸鹽、氫化鈉和氫氧化鋁水熱合成4A分子篩,日本東洋曹達(dá)公司及美國P&G公司采用此法；另一種方法為半合成法,用天然粘土或用天然沸石轉(zhuǎn)化制取4A分子篩。全合成試劑法生產(chǎn)成本較高,但產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠;而半合成法成本較低,產(chǎn)品質(zhì)量與所用粘土的組成及預(yù)處理息息相關(guān)。采用半合成法制備4A分子篩是降低成本的途徑。利用膨潤土制備4A分子篩的研究報(bào)道較少,制備方法有兩種:一種是堿法,將膨潤土與堿高溫焙燒,將焙燒產(chǎn)物直接轉(zhuǎn)化硅鋁酸鹽即分子篩的有效組成部分,在一定溫度和堿度等條件下進(jìn)行水熱合成,制備4A分子篩。
另一種是酸法,即以經(jīng)過酸處理的膨潤土為原料,采用水熱合成法制備4A分子篩。前者的優(yōu)點(diǎn)是它可以將膨潤土的石英等雜質(zhì)通過堿焙燒而轉(zhuǎn)化為4A分子篩的有效組成即硅鋁酸鹽。它的缺點(diǎn)是需要高溫,耗能高。而酸法不需要高溫焙燒,可以降低生產(chǎn)成本。但是,在酸法中要求必須在選礦時去掉石英等雜質(zhì),以保證合成合格的分子篩產(chǎn)品。
5 展望
隨著納米時代的來臨,利用膨潤土制備納米復(fù)合材料已成為膨潤土深度開發(fā)的熱點(diǎn)。當(dāng)膨潤土的層間陽離子為可聚合有機(jī)物時,在適當(dāng)?shù)木酆蠗l件下,單體在受限的空間內(nèi)聚合導(dǎo)致粘土層崩解,從而使膨潤土以納米級的層片分散于聚合物基體中,形成聚合物/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料。
與常規(guī)的聚合物/無機(jī)復(fù)合材料相比,聚合物/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料具有高耐熱性、高強(qiáng)度、高模量、高氣體阻隔性和低的膨脹系數(shù),比常規(guī)填充復(fù)合物輕和成本低等優(yōu)點(diǎn),其優(yōu)異的性能及嶄新的應(yīng)用前景引起了眾多國內(nèi)外學(xué)者的興趣。
膨潤土及其深度開發(fā)產(chǎn)品經(jīng)過一百多年的研究和應(yīng)用,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。雖然我國的膨潤土資源儲量豐富,居世界第二位,但是按照持續(xù)發(fā)展的要求,應(yīng)加大膨潤土的有效利用的研究,大力發(fā)展膨潤土的高、精、尖產(chǎn)品。相信,隨著科技的進(jìn)步,膨潤土深度開發(fā)產(chǎn)品的種類和應(yīng)用范圍會越來越廣,將對振興國民經(jīng)濟(jì)做出新貢獻(xiàn)。
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