當高嶺土的顆粒粒徑達到納米量級以后,會出現一些納米微粒所特有的性質,具體如下:
(1)表面效應
納米高嶺土粉體由于顆粒非常細小,比表面積隨之增大,顆粒表面的原子數也增多,由于原子配位的不足及高表面能,使這些原子具有高的活性,很容易與其他原子結合。
(2)小尺寸效應
由于超細晶粒尺寸使納米高嶺土粉體材料有相當大一部分原子處于納米晶界之中。而納米晶界具有既無長程有序又無短程有序的特性,原子排列呈隨機性,原子在外力變形條件下容易遷移,因此表現出良好的韌性與一定的延展性。
同時小尺寸效應使納米高嶺土粉體的光吸收性顯著增強,并產生吸收峰的等離子共振頻移。納米高嶺土的獨特性質使其具有廣闊的應用前景。
根據高嶺土的晶體結構和納米顆粒所具有的特點,納米級高嶺土顆粒的最小尺度應建立在其片狀結構不遭到破壞的基礎上,只有這樣顆粒才會兼具高嶺土以及納米顆粒的特性。
▽比利時矽比科納米高嶺土性能指標
(1)機械粉碎法
用各種超微粉碎機將原料直接研磨粉碎成超微粉??刹捎酶煞ㄑ心セ蛘邼穹ㄑ心ァEc干法制備相比,濕法中的水可作為載體介質,所研磨制備的產品顆粒粒度較細、粒度分布較窄。
缺點:濕法制備的粉體需要進行后續干燥,且研磨后的顆粒有可能會在干燥過程中產生團聚,這就使得濕法研磨制備超細粉體的工藝流程較為復雜。
(2)分級法
高嶺土顆粒的大小由沉降速度判斷得出。此法的優點是可得到不同級配的高嶺土顆粒。
缺點:這種方法只適用于粒度分布較廣的顆粒(粒度小于2μm的產品在水中的懸浮性較好)。此法成本高,產出率很低,不適合在工業上應用。
(3)化學合成法
該法采用偏鋁酸鈉(鋁土礦的堿溶出物)與酸性硅溶膠(泡花堿酸化脫鈉產物)為原料通過一系列方法得到納米級合成高嶺土。其純度高,懸浮穩定性、光散射性以及其他性能俱佳,但合成成本較高。
(4)插層法
這是目前最有希望也是最有效的制備納米高嶺土的方法。插層法是指在不改變具有層片狀主體結構特征的前提下,客體能夠可逆地插入主體層片之間的縫隙中。某些有機小分子能夠直接破壞高嶺石層與層之間形成的氫鍵插入到高嶺土的層間,撐大了高嶺石層間距,使高嶺石層與層產生剝離。
高嶺土納米化之后,其應用領域和效果明顯改善。納米高嶺土將納米高嶺土添加到冰箱、飲水機材料中,具有抗菌消毒作用;在陶瓷中添加納米高嶺土可使其強度提高50倍左右,可用于制造發動機零件;添加納米高嶺土的塑料,具有強度高,耐熱性好,密度低等優良性能,其耐磨性是黃銅的27倍,鋼鐵的7倍,且具有阻燃自熄滅性。
(1)納米高嶺土在橡膠中的應用
納米高嶺土可用于各種橡膠制品,能顯著提高其機械物理性能,同時降低其生產成本。特別是在彈性、抗屈撓、阻隔性能和扯斷伸長率方面具有優勢。
納米高嶺土在橡膠中呈平行定向排列,其邊緣或端面與橡膠大分子在納米尺度上牢固結合,從而可以提高橡膠的拉伸強度、伸長率和彈性,以及抗屈撓性能。良好的分散性能,使橡膠內部的應力均勻分布,極大地降低了高嶺土與橡膠分子之間的脆弱面,從而使其具有良好的補強性能。
(2)納米高嶺土在工程塑料中的應用
納米高嶺土在塑料中應用有著其它材料所不能替代的優勢:
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具有成核劑和增強性能的作用;
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在薄膜中具有高的伸長率;
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在農用薄膜中可阻隔紫外線,具有保溫功能;
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有高的熱變形溫度;
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賦予制品良好的光澤度;
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在絕緣薄膜中具有良好的絕緣性能。
納米高嶺土可用于聚丙烯、聚乙烯、尼龍等工程塑料中,可賦予塑料良好的耐熱性和力學性能,可用作汽車零部件、儲油罐、燃油管道系統、電子接插件、導管、電話機殼體、工具手柄、欄桿、調理器具手把、塑料管道。
由于其剛性高,因此可以制作薄壁復雜結構制品,減輕制品質量和降低成本。納米高嶺土還可賦予塑料制品良好的阻燃性能和阻隔性能。
(3)納米高嶺土在塑料薄膜中的應用
由于納米高嶺土具有良好的阻隔性能,因此可用于食品保鮮包裝,延長食品保質期;用于農用薄膜中,不僅可以增加薄膜力學性能、降低生產成本,而且還不影響其透明度,其優良的紫外線阻隔性能有利于提高棚內溫度;可用于包裝印刷材料中,使其具有優異的力學性能和強度,并賦予良好的感官性能。
納米高嶺土在絕緣膠帶薄膜中的應用實踐表明,該產品比常規的填充料具有顯著的增強性能,同時還賦予產品優良的絕緣性能和光澤度。
除上述應用外,納米高嶺土還能在橡膠、塑料復合材料、發泡聚苯乙烯、化纖、聚胺脂等材料中應用,能提高這些材料的多項性能。
總之,納米高嶺土在橡膠、塑料及其復合材料中應用,能提高這些材料的耐磨性、增強抗撕裂和撓曲強度等。此外,納米高嶺土用作填料時具有優良的紅外線阻隔性能。
(4)納米高嶺土在涂料中的應用
納米高嶺土的表面效應??梢詫⑵鋺糜谕苛现校?/span>改善涂料體系貯存的穩定性,改善涂料的涂刷性、抗吸潮性及抗沖擊等性能,改善顏料的抗浮色和發花性。采用納米高嶺土作添加劑,有助于滿足對涂料提出的日益嚴格的性能和耐久性方面的許多要求。
納米高嶺土由于顆粒細微,顆粒表面活性大,因此更容易均勻分散在涂料中,使其成為一個穩定均一的體系。從而可以使涂料的吸附性、穩定性。同時由于納米高嶺土的比表面積大使得處于表面態的原子、電子與處于小顆粒內部的原子、電子的行為有很大的差別,可能使納米高嶺土涂料具有一些特殊的光學效應。
納米高嶺土具有良好的分散性能,幾乎可以與所有的涂料、原料相容。因為高嶺土屬于惰性原料,并具有弱酸性到中性的pH值,有助于通過阻止水分和化學品穿過漆膜而進行的攻擊,從而使漆膜的抗腐蝕性能得以提高。
在建筑用醇酸漆中加入納米高嶺土,取代原來的各色顏料,油漆的性能幾乎未發生任何變化,而油漆成本卻大大降低。
在一種工業用磁漆中,加入納米高嶺土,取代17%的酞箐綠顏料和14%的鈦白,所得涂層具有高反射率和顏色強度,這是因為高嶺土粒子改善了顏料粒子之間的間隔。由此可見,以納米高嶺土為基礎的顏料具有在使性能得到改善,在不犧牲遮蓋力、光澤度、硬度、柔韌性和其它性質的前提下,達到降低涂料生產成本的效果。
在高固體聚酯烘漆中用納米高嶺土取代10%的鈦白,經測試,發現它可起到了填料的作用,從而降低了成本,而且納米高嶺土還為這個反應性強的酸固化的體系增強了粘度穩定性、硬度和抗化學品性,使涂膜整體性也得到了改善。這是因為,所進行的表面處理使高嶺土成為整體化的涂膜的一個組成部分,從而改善了涂膜的自身弱點。
(5)納米高嶺土在陶瓷材料中的應用
高嶺土在陶瓷材料中的作用主要有2個方面:
①用作陶瓷的配料,是生產日用陶瓷、建筑衛生陶瓷、電瓷、無線電陶瓷、工業陶瓷、特種工業陶瓷及工藝美術瓷等的主要原料;
②在瓷坯成形過程中作為其它礦物配料(如石英、長石等)的粘結劑。
納米高嶺土作為原料可以使陶瓷具有更為致密的結構,即具有高硬度。同時由于納米材料晶界的特性以及其原子排列的隨機性,會使添加納米高嶺土的陶瓷產品具有極大的韌性和良好的延展性。添加納米高嶺土的陶瓷產品就會表現出一些新的特性,如硬度高、不易破碎、易加工等。
(6)納米高嶺土在水泥材料中的應用
納米高嶺土在水泥基材料中的應用主要有兩個方面:
①利用高嶺土制備土聚水泥。土聚水泥是一種高性能的堿激活水泥,其既具有有機高分子、陶瓷、水泥的優良性能,又具有原材料來源廣、工藝簡單、節約能源和環境污染小等優點,因此近幾年來其研究和開發進展很快。
②利用高嶺土制備混凝土摻合料。近年來高活性偏高嶺土作為一種新型混凝土礦物摻合料備受關注,它具有改善硬化混凝土的工作性和耐久性,減少水泥的自收縮等方面的作用。土聚水泥是一種不同于普通硅酸鹽水泥的新型膠凝材料,它是以高嶺土為原料,經較低溫度(500-900℃)煅燒,使Al的配位數從六配位轉化為四配位或五配位,高嶺石結構轉化為無定型結構的偏高嶺土,有較高的火山灰活性。
(7)納米高嶺土在納米反應器中的應用
納米粒子生產中的一個關鍵問題是解決粒子的團聚問題,通常以加入表面活性劑來解決這一問題。
近幾年來,粘土夾層復合物的研究為納米粒子的分散提供了一個新的思路。所謂納米反應器,實際上是以粘土的片層為模板,作為納米粒子生長的場所,既可以制備納米粒子,又可以借助層狀結構將納米粒子隔離,避免產生團聚,納米粒子的形成和生長都在粘土層間進行。
(8)納米高嶺土在農業中的應用
高嶺土對氮、磷、鉀和有機碳的吸附和解吸,可有效改善化肥的施用效果,改善生態環境。實驗表明,在相同的處理方法中,納米高嶺土對磷、氮、鉀的吸附量都較天然高嶺土高出許多,在農業中具有廣闊的應用前景。
納米高嶺土的應用除上述幾方面外還有許多,例如:可利用納米高嶺土粉體對光的吸收顯著增加這個特性制作消光材料、高效光熱和光電轉換材料、紅外敏感元件以及紅外隱身材料等。同時還可利用等離子共振頻率隨納米顆粒尺寸變化的性質,改變顆粒尺寸,控制吸收邊的位移,制造具有一定頻寬的微波納米吸收材料,用于電磁波屏蔽、隱形飛機等行業,更多納米高嶺土的新特性及其應用,還有待進一步研究。
我國高嶺土礦儲量豐富、品質優良,但優質產品相當少,每年仍需從國外進口大量的優質高嶺土。在國內對優質高嶺土需求日益增長的情況下,提高國內高嶺土產品的質量,加快高嶺土深加工技術的發展就成了當務之急,高嶺土的納米化將未來研究和應用的重點方向之一。
部分來源:納米高嶺土的特性及應用,作者:唐志陽