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我國超細微高嶺土的研究現狀 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2015-02-02 10:26:49 瀏覽次數: |
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(中國粉體技術網/班建偉)高嶺土是一種重要的粘土礦物,可被廣泛應用于很多領域。其可增大材料的體積、提高塑料的絕緣強度、電阻,增強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,可顯著提高產品的檔次,增加產品的附加值。高嶺土的超微細化是指使高嶺土粉體顆?;驈秃喜牧现械母邘X土顆粒粒徑達到1 0 0 n m 以下的工藝過程。
1 超微細高嶺土的特性
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、方解石和有機質;致密塊狀或疏松土狀;硬度在2左右;質軟,有滑膩感。高嶺土的顏色多為白色,含雜質時呈黃、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,而在超微細高嶺土的掃描電鏡照片中,晶片明顯分離為單個顆粒,具有較好的分散性。松散密度是指在自然堆積松散狀態下無壓實或敦實作用時單位體積超微細粉體的質量。
利用化學方法處理的超微細高嶺土的松散密度一般在0.06~0.07g/cm3左右,而原礦直接超細粉碎所得超細粉體的松散密度約為0.2g/cm3左右。由此可見,化學表面處理可明顯消除顆粒的團聚,使超微細高嶺土顆粒得到高度分散,視密度大大降低。
超細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。超微細高嶺土的表面原子百分數急劇增長,表面效應不容忽略。超微細高嶺土比表面積與其顆?;蚱瑢又g存在的團聚有關。超微細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,同時也提高了其分散性。
2 超微細高嶺土的制備
超微細高嶺土的制備在我國最主要的幾種方法是機械粉碎法、插層法、分級法、化學合成法和一些表面改性的方法。
2.1 機械粉碎法
采用粉碎方法制備超細高嶺土是比較常用的方法之一,這種方法制備的超細高嶺土已經在很多的行業得到了應用。機械粉碎法制備超細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,如果超過一定的時間會出現團聚現象。另外,這種方法耗能較大,不能達到節能的目的。
在我國粉碎界的主要理論就是三大功耗學說,現在機械粉碎的新觀念是進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粉碎機械。新型破碎機主要有外動顎式破碎機、振動顎式破碎機、雙腔顎式破碎機、雙作用筒擺式顎式破碎機、雙腔回轉式破碎機、圓錐破碎機、錘式破碎機、立軸式沖擊粉碎機及其他新機種。
新的粉碎方法主要有等離子粉碎、控溫粉碎、柔性粉碎。然而,隨著科學技術的發展以及為適應不同領域的應用要求,超細化高嶺土的粉碎設備最典型的有輥式粉碎機、球磨機、介質攪拌式研磨機、氣流式粉碎機和超聲粉碎機。這些設備都是借用了高嶺土的結構特性(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,達到超細化的最終目的。
可以看出超細粉體制備機械在近幾年來沒有大的發展,但除了粉碎機械以外,更多的研究者與制造商開始關注有關分級、過濾、干燥、造粒等方面機械設備的研究與開發。想通過這些手段使高嶺土進一步超細化。
梁宗剛等應用BMP-500型用95瓷襯內筒加高分子耐磨剝盤制得5μm 以內的煤系高嶺土顆粒。這種設備結構簡單,需要的配套設備少,耗能低,產量大,粒度分布效果好,適合大規模生產。
邵亞平等介紹了由江蘇宜興明興粉體機械有限公司研發生產的YMP1000B拉桿式磨粉機應用在高嶺土原礦超細粉碎上,先利用G D L 粒化煅燒爐進行煅燒,利用該設備進行打散,整個過程比較簡單、高效、可靠,可以得到1 250目以上的超細高嶺土,而且其產量比較大。
李三華等使用立式攪拌磨對煤系高嶺土進行了濕法超細研磨,同時在研磨的過程中使用不同的化學試劑作為助磨劑,得出了使用六偏磷酸鈉作為助磨劑時,一次性可以制得粒徑小于2μm 的超細粉體。利用分級技術也可以得到超微細化的高嶺土。
李啟成等采用離心分級機對高嶺土進行了超細分級實驗,通過對給料濃度和分離因數的控制,得出最佳的實驗條件范圍,從而得到了2μm 粒級含量在85%以上的超微細高嶺土。
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。高嶺土的主要化學成分高嶺石的結構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,有機分子在層間的排列趨向更加有序,在熱力學上為熵減過程,因此插層過程在熱力學上是不利的,需要一定的條件才能進行。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,因此只有極性強的有機小分子才能直接插入高嶺石層間并與之發生相互作用,撐開高嶺石片層。
夏華等以高嶺土/ 甲醇插層復合物作為中間體,采用“取代法”將吡啶插入到高嶺土層間。研究表明當用甲醇和吡啶的混合溶液處理高嶺土/ 甲醇插層復合物時,高嶺土的層間距進一步增大到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速率,并可促進高嶺土的剝離。醋酸鉀/ 高嶺石插層復合物不穩定,沖洗后插層復合物結構坍塌,利用其不穩定性,可制備超細高嶺土。
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生了N - H - O H 作用,形成了新的氫鍵。并且得出結論:直接插層反應按放熱過程進行,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鍵。高嶺土插層一般都采用傳統的浸泡法,如果想使插層率達到9 0 % 以上,常溫下需要將高嶺土在液體中浸泡很長時間,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產生的化學反應,有效地改變傳統的插層高嶺土費時、低效率的缺陷。把原來兩個月或幾十個小時的時間縮短到3~4h,大大提高了效率;同時插層的效果也達到較好的程度,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,發現微波對小尺寸、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與非熱效應綜合作用的結果。利用微波對二甲亞砜類分子插層的促進作用,可以快速合成高嶺石二甲亞砜類有機插層復合體,為工業生產高嶺石有機插層復合材料,以及制造超細甚至納米級高嶺土打下基礎。
閻琳琳等采用插層法和超聲法相結合的方法對高嶺土進行剝片,選用三種插層劑進行插層,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合物,再對其進行超聲處理。得知采用醋酸鉀插層做插層劑時效果顯著。高嶺石/ 醋酸鉀復合物進行超聲剝片后,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微粒的大小,將高嶺土在液體中沉降可得到超微細高嶺土,我們可以對顆粒的細度進行估算。但這種方法的成本較高,產出率很低,不適合在工業上的廣泛應用。
2.4 化學合成法
化學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物酸性硅溶膠為原料通過一系列方法得到超微細合成高嶺土。其高純度、懸浮穩定性、光散射性,同時其他性能俱佳,但是其合成的成本較高。
3 結語
超微細高嶺土的研究在我國發展較快,經過不同的方法研究現在已經可以得到在幾十納米范圍之內的超細化高嶺土。高嶺土的插層復合材料研究也是現在的一個熱點,同時可以通過插層得到更加微細的高嶺土。越是超細化的高嶺土,它的應用領域將越廣泛,對基料性能的提高越明顯。
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