納米高嶺土是通過插層、剝片及表面處理等工藝制備的高嶺石晶片厚度在1-100nm范圍內的粉體材料,具有小尺寸效應和表面效應等納米特性,在應用中有良好的性能和價值,是目前研究的熱點。
1、納米高嶺土粉體特性
高嶺石晶層表面具電荷中性,在高濃度下仍具有低的粘度和良好流動性,并且通常比蒙脫石粘土礦床純度高、雜質少,根據這些特性,可以利用高嶺石生產出性能優良的納米粘土粉體。
?。?)化學成分
納米高嶺土的化學成分接近高嶺石的理論值,特別是影響白度的元素鐵和鈦的含量比較低。
?。?)粒度及形狀特征
一般高嶺石晶片的徑厚比在1:20和1:50之間,因此可推斷高嶺石薄片的厚度在50-20nm之間。在自然狀態下,高嶺石顆粒之間相互吸附連接在一起,形成集合體或聚集體,直接應用不可能產生納米效應,必須采用適當的方法使顆粒之間分離呈單個的納米粒子,才能產生納米突變效應。
?。?)比表面積
一般高嶺土的比表面積在10-15m2/g之間。比表面積與高嶺石粒度密切相關,粒度越小,比表面積越大。
(4)松散密度
一般粉體越細,其松散密度越小。小于2微米的高嶺土的松散密度約為0.3g/cm3,而納米高嶺土的松散密度為0.06-0.07g/cm3。
?。?)表面效應
納米高嶺土由于顆粒尺寸小,表面原子數和比表面積隨之增多、增大,使表面能升高,原子配位出現了不足,從而使原子的活性增強,易與其他原子結合。
?。?)小尺寸效應
由于顆粒的納米尺寸,納米高嶺土的大部分原子被納米晶界所包圍,原子在其中隨機排列,受到外力時容易遷移,從而使材料具有一定的延展性和良好的韌性。顆粒的小尺寸還增強了納米高嶺土對光的吸收性能,并使吸收峰發生等離子共振頻移。
2、納米高嶺土的應用前景
?。?)陶瓷
在陶瓷的制作過程中高嶺土有兩個作用:一是作為制作陶瓷的配料,是建筑衛生陶瓷、日用陶瓷、無線電瓷、電瓷、工藝美術瓷、特種工業陶瓷及工業陶瓷等的主要原材料;二是作為粘結劑,將其它礦物配料(如長石、石英等)黏結在一起制成瓷坯。
用納米高嶺土作為制作陶瓷的原料可以使其結構更致密,還能增加延展性和韌性,從而使產品硬度大、易加工、不易破碎等。
在普通陶瓷的釉面涂抹納米高嶺土,增加釉面活性和殺菌的同時還能使其更平滑,從而便于清潔。納米高嶺土的價格比納米TiO2低,可代替它在陶瓷中作為功能性填料,降低成本,同時還具有遠紅外保溫和抗紫外線等功能。
(2)橡膠
在橡膠制品中添加納米高嶺土,由于納米顆粒在橡膠中定向排列,與橡膠大分子在納米尺寸上緊密結合,可使產品的機械物理性能如抗屈撓性、彈性、扯斷伸長率和阻隔性能明顯改善,還能降低成本。
納米高嶺土的尺寸細小,分散性能好,可以改善橡膠內部的應力分布情況,減小脆弱面,使其具有較高的補強性,在順丁橡膠、丁腈橡膠、天然橡膠和三元乙丙橡膠中可代替白炭黑使用。
基于這些優良的性能,納米高嶺土可在輪胎內胎、胎側膠、高爾夫球橡膠、膠絲、鞋底橡膠、丁腈密封橡膠、膠棒、膠輥、輸送橡膠等橡膠產品中應用。
?。?)涂料
納米高嶺土顆粒細小,表面活性大,與大多數的的涂料、原料都能相容,在涂料中易于均勻分散,可以形成一個均一穩定的體系,使涂料的涂刷性、吸附性、抗吸潮性、耐褪色性、耐臟性及抗沖擊性等性能得到明顯改善,
采用納米高嶺土作涂料的添加劑,可以滿足使用過程中對涂料提出的日益多樣化的要求。涂料工業中,納米高嶺土還可以作為體質顏料,增加產品的白度,且久置不產生沉淀,提高產品的光澤度、遮蓋力和干燥性,同時還具有補強作用,替代鈦白粉可以達到相同的效果,還能降低生產成本。
此外,納米高嶺土較大的比表面積使得表面的原子、電子行為發生改變,從而使涂料在光學效應上具有一些特殊的表現。
?。?)混凝土
鋼筋混凝土類結構會隨著使用時間的延長而發生鋼筋銹蝕現象,這種現象使混凝土與鋼筋間的粘結性能急劇惡化,直至鋼筋作用不能正常發揮,影響結構的使用性和安全性。
納米高嶺土作為一種性能優良的納米材料,可以提高混凝土材料的電阻率和力學性能,通過填充在基體內部的微小孔洞里,有效阻止混凝土材料發生滲透,從而提高其致密性,阻止混凝土內部進入氯離子,減慢鋼筋的腐蝕。
(5)農業
目前,我國在肥料的施用上存在著一些難題,例如由于肥料的利用率低而需要增大施用量,由此又污染生態環境等一系列問題[。而高嶺土可以有效地吸附和解吸氮、磷、鉀和有機碳,提高化肥的施用效益,從而減少使用量和降低對環境的污染。
同樣的條件下,在肥料中添加納米高嶺土,其效果比天然高嶺土提高很多,在農業中展現出廣闊的應用前景。
(6)其他
在飲水機、冰箱的制造材料中加入納米高嶺土,可起到抗菌消毒的作用;在塑料中添加納米高嶺土,可提高產品的耐熱性,增強強度,降低密度等;納米高嶺土還可以作為隱身材料,在國防領域也有良好的應用前景。隨著科技的發展,納米材料的成本會逐漸降低,納米高嶺土的應用范圍將更加廣泛。
來源:[1]劉欽甫,張玉德,沙祥平.納米高嶺土及其在橡膠中的應用[C].2003年中國納微粉體制備與技術應用研討會論文集,2003:201-206.
[2]刁潤麗,王花麗.納米高嶺土的應用研究進展[J].佛山陶瓷,2020,30(07):28-30.
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