高岭土制备高性能矿物材料的研究进展

1、高岭土制备高性能矿物材料的研究进展吴胜利（攀枝花钢城集团有限公司，四川 攀枝花617023）【摘要】高岭土是一种重要的卄:金属矿产资源，在许多领域都有广泛的应川。本文主要介绍髙岭土在制备高性能材料 方面的最新研究进展及其应用特性，包括高性能陶瓷、聚合氮化铝、纳米氧化铝、介孔材料、高吸水材料以及高性能填料 等，为髙岭土的精细化、高值化加工及髙效综合利用提供新思路。【关键词】高岭土；高性能材料；陶瓷；纳米氧化铝；多孔材料【中图分类号】td985;p619.232【文献标识码】a【文章编号】1 007-9386(2012)04-0001-03research progress of advanced

2、 materials from kaolinwu sheng-li(panzhihua gangcheng group co., ltd., panzhihua 617023, china)abstract: kaolin is a kind of important non-mctallic mineral resources, which have been widely used in various industrial fields this paper mainly introduces the current research progress and application c

3、haracteristics of advanced materials from natural kaolir resources, including special ceramics, polyaluminium chloride, nano-alumina, mesoporous material, superabsorbent material, and high- performance filler. this review could provide novel routes for the fine processing and complex utilization of

4、kaolin.key words: kaolin; advanced materials; ceramics; nano-alumina; porous material.高岭土是一种重要的非金属矿产资源，在我国分 布广泛、储量丰富。目前，我国己发现高岭土矿床 （点）700多处，其屮200多处矿床己探明储量为3c 亿t （其中含煤系高岭土约16.7亿t）。高岭土主要由 高岭 石矿物组成，高岭石是一种层状硅酸盐矿物， 主要由小于2um的微小片状、棒状或管状晶体组 成。根据其质量、可塑性和砂质含量，高岭土可划 分为硬质高 岭土、软质高岭土和砂质高岭土三种次 型。我国高岭土矿床按矿床成因可分为五种：

5、热液蚀 变型、风化残 余型、风化淋积型、河湖海湾沉积型和 含煤建造沉积型y由于高岭土具有良好的可塑性、烧结性、绝缘 性、较高的耐火度、化学稳定性等特性，所以它在造 纸、陶瓷、建筑材料、橡胶、塑料、涂料、日用化工 等行业有着广泛的应用。目前，世界高岭土消费杭 成为：造纸45%,油漆、橡胶、塑料和密封剂10%, 陶瓷16%,耐火材料15%,玻璃纤维6%,其他 8%14,o近年来，随着国内外非金属矿深加工技术及 市场的发 展，高岭土的应用领域正在不断拓宽和变 化。1高岭土制备高性能陶瓷高岭土是陶瓷工业的重要原料。he等®利用高岐 土、碳作为原材料通过原位反应及热压烧结制备 al2o3/si

6、c复相陶瓷材料，研究表明：最佳的粉末合 成温度为1550°c, al2o3/sic复相陶瓷粉通过热压烧 结合成al2o3/sic复相陶瓷，抗弯强度达到 420mpa,相对密度达到98%,硬度为hra89。bai以锻烧煤系高岭土和a -a12o3为原料，通 过1500°c反应烧结，制备得到了多孔莫來石陶瓷， 其弯曲强度为42.1mpa,开口孔隙率为36.4%,孑l径 分布较窄，在0.25uin之间。郝佳瑞等以聚氨酢 泡沫为载体，采用有机泡沫浸渍法工艺，以高岭土用 硅藻土为原材料，六偏磷酸钠为分散剂，硅溶胶作料 结剂，并添加一定量的蒙脱土为陶瓷浆料，反复浸 渍，采取抽真空阴干、

7、烘干和烧结的工艺，制备一利 新型多孔陶瓷材料。研究结果表明：naoh浓度 40%、温度20°c、浸泡时间120min为最佳处理条 件。确定了最佳烧结机制，随着硅藻土含量的增加， 陶瓷的显气孔率增大，抗压强度减小，制备的多孔陶瓷显 气孔率为71%83%,抗压强度为0.581.5mpa。 2高岭土制备聚合氯化铝、纳米氧化铝高岭土按化学成分计算，理论氧化铝含量达到 39.53%,是比较理想的制备氯化铝、氧化铝、纯铝 等产品的铝源。采用高岭土为原料制备聚合氯化铝、 纳米氧化铝具有成本低廉，产品附加值大幅度提高， 经济效益增加等优点。聚合氯化铝（pac）是一种新型 无机高分子絮凝剂，其絮凝能力

8、强，净化性能高，主 要用于净化饮用水和特殊水质处理，也可用于工业水 处理。李传常同以低品位高岭土为原料制备了聚合氯 化铝，制备包括活化、溶出以及聚合三个过程。研宪 结果表明：投加4g的pac处理150ml甲基橙模拥 废 水后，模拟废水色度、浊度和cod值分别降 低了66%、67%和76% o同时，将pac样品稀释为 a1203含量为5mg/ml后，用于处理200ml实际废水，试 验 表明：投加5ml的pac稀释液后，废水的浊度、 色度和cod分别降低了 96%、96%、76%。吴良彪91以肩 岭土为原料，利用盐酸酸溶、聚合过程制备聚合氯 化铝。探索最佳工艺条件，研究了当焙烧温度800°

9、;c、原料配比1 ：3.5、反应时间3.5h、反应温度6()°c对 合 成工艺的影响，发现此时ai2o3溶出率可达8()%左 右。纳米氧化铝由于其表面电子结构和品体结构发牛 较大的变化，表现出纳米材料所特有的小尺寸效应、 t=3 * » 9 => * .a u 八几 1-e u .t 亠 i 料叫其中纳米a*器由就翹關疵舌 效果，而被广泛用于汽车尾气催化剂、石油炼制催化 剂、加氢和加氢脱硫催化剂等高效催化领«,u-，41o yang等何通过对高岭土进行焰 烧和酸化处理,制备得到了纳米y -a12o3,研究绘 果表明：通过熾烧和酸化的活化处理，高岭土中笊 铝离

10、子浸出率可达95%以上，制备得到的纳米氧化铠 形态为棒状，其平均直径为7nm,长度为20nn)o吳 外，周竹发等以苏州高岭土为原料，通过酸溶、 过滤、干燥和锻烧等步骤制备纳米ai2o3粉体，研突 结果表明：高岭土经700°c锻烧，盐酸浓度20%, a1/hc1摩尔比为1 : 7, 100°c酸浸3h ,浸取率迖 到93.83%,干燥产物在800c锻烧后得到长度为50nm、 长径比为1()左右的针状y-ai2o3，1 300°c时完全 转变为a-al2o3o3高岭土制备白炭黑和介孔材料片炭黑是白色粉末状无定形硅酸和硅酸盐产品滋 总称，是一种多孔性物质，因其主要性能和

11、用途和茨 黑相近而得名。白炭黑因具多种组成可用sio2-nh2o表示，其中«h2o是以表面轻基的形试存 在，它被广泛应用于制药、橡胶、塑料、f1用化学品等领 域。生产白炭黑的方法主要有以水玻璃为原料的沉淀 法和以四氯化硅为原料的气相法，这两种方法原料成 本偏高，生产工艺复杂，并且生产规模不宜过大。刃 欣梅等的以煤系高岭土为原料制备白炭黑，考察了扃 岭土活化洱度、酸度、酸量、反应时间奔对白炭黑物 化参数的影响，试验结果表明：以煤系高岭土为原料 通过酸洗除杂、焙烧活化和两步酸溶的方法制取高质 量的白炭黑是完全可行的。在适宜的制备条件下可以 得到大比表面积(529.6m2/g)和高纯度(9

12、6.2%)的白 炭黑产品，同时具有较好的中孔孔隙结构和均匀的勅 粒分布。介孔材料具有极高的比表面积、规则有序的孔進 结构、狭窄的孔径分布、孔径大小连续可调等特点， 使它在很多微孔沸石分子筛难以完成的大分子吸附、 分离，尤其是催化反应中发挥作用,19'21,o liu、di 等122羽以高岭土为铝、硅源通过活化处理以及添加塔 种模板剂制备得到了介孔ai2o3和a1-mcm-4 1介 孔材料，研究结果表明：制备得到的介孔ai2o3的h 表面积为460m2/g,孔径大小为5.8nm；制备得到 的a 1 - mcm-41介孔材料，比表面积最高达到1 041nr/g,孔容为0.97ml/g,孔径

13、分布比较集中， 平均孔径大 小为3.7n m。另外,madh usoodana亀 删通过对锻烧高岭土进行有选择性的酸浸得到不叵 的si/al比，然 后在添加澳化十六烷基三甲基钙 (ctab)为模板剂的条件下进行水热反应，制备得至i 了含ai介孔sio?,比 表面积最大可达1 420n?/g。 4咼岭土制备咼吸水材料超吸水性树脂是一类含强亲水性基团的功能性高 分了交联物，英文全称super absorbent polymers (简称sap),其分子具有三维空间网络结构，分子网 络所吸收的水分不能被简单的物理方法挤出，有很强 的吸水和保水性能闕。舒小伟等留以n,n 亚甲基恐 丙烯酰胺为交联剂，过

14、硫酸钠为引发剂，采用水溶 液法制备出高岭土复合聚丙烯酸一丙烯酰胺超吸水 性树脂，结果表明：当中和度为80%,高岭土、引发 剂和交联剂剂量分别为丙烯酸单体质量的50%、0.3% 和0.025%,单体丙烯酰胺与丙烯酸质量比为7 : 1c 时 所制得复合树脂吸蒸绸水率达960g/g,吸自来 水和 生理盐水达330g/g和60g/g。余丽秀等的以浪 合丙烯酸盐、高岭土和淀粉等为原料，用水溶液交 联共聚法制备了复合高吸水树脂材料，研究了引发 剂、交联齐i、高岭土用量等因素对材料吸水性能笊 影响，结果表明：当复合高吸水树脂材料中高岭土 含量为30%时制备得到了吸去离子水、0.9%nac】 溶液、自来水分

15、别达到14 80、55、1 60 g /g的样 品。5高岭土制备高性能填料高岭土的洁白、柔软、高度分散性、吸附性、化 学稳定性以及优良工艺性能，使其在造纸工业上得到 广泛的应用。在造纸工业中，高岭土作填料和涂料，吴胜利：高岭土制备高性能矿物材料的研究进展可提高纸张的密度、白度和纸面的平滑度，降低透明 度，保证更好地吸收印色|28'2910另外，由于高岭土具 有质轻、隔音、隔热、阻燃等特点，在节能、坏保、 生态平衡等方面冇其独特的优势，所以把它用作树腔 的填料和补强剂在橡塑行业已经越来越受到重视。a 岭土与树脂相比价格要低得多，用高岭土填充改性秋 脂，除可节省树脂、降低成本外，述可以改善

16、制品k 硬度、弹性模量、耐磨性、耐酸碱腐蚀性、尺寸稳定 性等。sukumar等旳通过使用钠橡胶籽油对高岭土迪 行有机表面改性，研究结果表明：改性后的高岭土埃 充到天然橡胶中后可以明显改善橡胶的拉伸模量、拉 伸强度以及断裂伸长率。buggy等冋通过使用氨基启 烷对锻烧高岭土进行表面改性制备得到了高岭土 /尼 龙6.6复合材料，研究结果显示：改性后的锻烧高峻 土填充到尼龙6 .6中可以显著地改善尼龙6 .6的力 学 强度和伸长率。李国喜等阳将改性后的高岭土与聚 乙烯(pe)熔融共混，制备纳米高岭土/pe复合材 料，检测结果显示：用复合材料制备的食品包装脈 的力学性能、热封性能、摩擦因数均优于pe膜

17、， 复合膜的水蒸气透过量降低46.4%,氧气透过显 降低31.7%。6结论与展望高岭土性能优良，其用途非常广泛。我国高岭土 资源丰富而且分布广泛，为更好地发挥这一资源的优 势，需要把传统应用高岭土的思路转移到如何结合矿 物组成、化学成分、结构、表面性质等相关特性，a 过矿物性能、矿物加工、材料性能以及相关应用领域 不同学科、专业的交叉合作研究，以充分发挥高岭土 本身的物理化学特性，将高岭土应用到高技术含量、 高附加值的领域，为其高附加值开发应用提供全新笊 途径，这对于我国非金属矿行业具冇十分重耍的意义。 【参考文献】1 亓春英，刘星，周跃飞高岭土的综合利用与发展前景j.昆明理 工大学学报,20

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29、3 : 8, 按工艺(1)进行制膏，其性能与其他样品的对比结果见表4。表4膨润土无机凝胶与其他样品的对比试验结果样品名称潍坊膨润丄无机凝胶cmc潍坊钠基土怀俄明钠基土莱西膨润土无机凝胶浙江丰虹smlaponite胶水液粘度(mpa-s)31 70029 50026 55029 10027 55032 05065 000膏粘度即时10400010100064 20073 20066 400105 500308000(mpa s)2周后928 300894 700722 500775 000723 300928500-成条形即时较好较好不好不好不好较好好2周后很好很好好好较好很好很好膏ph值7.9

30、407 8637.7197 8897.7367.6387.775由表4可以得到以下结论：(1) 潍坊膨润土无机凝胶与cmc的复配效果要优 于单独使用cmc,这在2周后的膏粘度上更好的表 现出来。主要是因为在制膏过程中，捏合机强烈的初 械搅拌作用使原来在胶水液中形成的三维网络结构運 到破坏，因此二者的协同作用在膏即时粘度上没有齐 分 表现出来；膏体制成后，膨润土无机凝胶三 cmc开始对遭到破坏的结构进行修复，这个过科 大约需要24周的时间，表现为膏体粘度的逐渐增加。(2) 潍坊膨润土无机凝胶与cmc的复配效果明显 优于淮坊钠基土，这主要是因为前者在钠基土的基砧 上添加了水溶性聚电解质增稠剂paa

31、s和cmco 这里，paas是主增稠剂，cmc是胶体稳定剂和戲 增稠剂，两者复配，既可达到协同增稠和稳定胶体 的作用，与配方中粘合剂cmc与保湿剂山梨醇等 也具有很好的相容性。(3) 潍坊膨润土无机凝胶、怀俄明钠基土与cmc 的复配效果分别优于莱西膨润土无机凝胶、潍坊钠星 土，这与各样品原矿层电荷高低有关。三者原矿层电 荷由低到高为：怀俄明膨润土 潍坊膨润土 莱西臆 润土。膨润土层电荷越低，在水介质中越容易分散形 成“卡方式”结构，与cmc的复配效果越好。(4) 潍坊膨润土无机凝胶与cmc的复配效果可£ sm相媲美，但较laponite效果差。但laponite价 格高，市场售价在15万/t,潍坊膨润土无机凝胶 的售价约为0.7万/t,在保证复配效果的条件下， 使用膨润土无机凝胶，可大大节约成本。3.4膨润土无机凝胶在牙膏屮应用的优点(1) 与cmc复配使用，可减少相应有机胶的用 量，使产品成本降低。(2) 可减轻有机胶对人体皮肤的刺激，减少有机 胶日用化学品使用造成的环境污染，具其他有机胶所 不具备的保健作用。(3) 与cmc复配使用，可减轻酸效应和盐效应対 cmc性能的影响。4结论综上所述，膨润土无机凝胶是一种值得推