|
| |
| 我国高岭土矿物纳米材料的开发应用现状及其前景展望 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2014-06-09 09:10:45 浏览次数： |
|
| |
随着纳米科技的迅猛发展，人们已由当初利用价格昂贵的有机或无机化工原料合成制备纳米无机氧化物，如纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米三氧化二铝等系列产品，而逐步转移到利用资源丰富、储量巨大、价格低廉的天然无机非金属矿物纳米材料的研制与开发上来。
我国高岭土矿物纳米材料的开发应用现状
纳米材料中最重要的组成部分就是无机纳米材料，而非金属矿物(高岭石、蒙脱石等)纳米材料则必将成为无机纳米材料之主体。由于其具有资源丰富、原料易得、加工制备工艺相对简单、生产成本低廉、易于规模化生产等诸多优势，故其必将成为在今后相当长的时间内纳米材料、纳米改性材料、纳米复相材料等纳米高科技中最具有适用性，最有应用发展潜力
之主体技术产品。
高岭石的结构是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体通过共同的氧互相连接形成一个晶层单元，称为1∶1型层状硅酸盐矿物。其四面体尖顶上的氧离子都朝向八面体，八面体中仅有2/3的位置被铝离子所占据，单晶层厚度为0.716nm，层间距为0.292nm，晶胞中电荷基本上是平衡的，晶层间的阳离子极少，层外分子一般不易进入晶体层间，仅有少数的强极性分子如乙酸铵、酰胺类及其衍生物等可以插入。
纵观国内外纳米粘土(高岭石、蒙脱石等)复合材料的开发应用现状可知，大多数均是以蒙脱石作为制备纳米粘土的重要原料，如在塑料中采用插层复合的技术方法，可使蒙脱石实现纳米级分散在改性塑料中，以达到提高其物理化学性能之目的。但此方法在一定程度上存在着制备工艺复杂、生产成本高、应用领域较窄(仅适合在塑料等极少数可实现插层复合的领域中使用，而在纳米涂料、纳米陶瓷等领域则很难或根本无法实施插层复合技术)等不足之处。如何在低成本条件下规模化制备生产矿物纳米材料(纳米粘土)粉体，不仅可使粘土矿物纳米材料的应用领域大大拓宽，而且必将具有极大的市场应用潜力和极强的生命力。
纳米高岭土复合材料
高岭土有机复合物作为一种新型矿物材料的许多优异性能亦逐渐显现出来，其插层剂的选择、插层工艺、插层效果的表征和插层材料的应用等现已成为高岭土插层材料研究的热点与关键性重点课题。
由于高岭土的层间距很小，一般很难插层高分子聚合物，但可以通过先插层极性酰胺类物质，使其层间距扩大，再进行有机高分子聚合物取代插层反应，即可获得有机化合物/高岭石纳米复合材料。如先以二甲基亚砜或N-甲基酰胺插层高岭土，然后再将此前驱体在聚乙二醇溶液中进行取代插层反应，便可得到聚乙二醇/高岭石纳米复合材料；利用有机化合物对高岭石插层可以得到有机化合物掺杂的高岭石纳米复合物，如对(脲)插层的高岭土复合物，可利用研磨法使高岭土实现纳米级剥离，从而得到由(脲)掺杂的高岭土纳米复合物，其比表面积可由原高岭土的18.6m2/g增至116m2/g。其超细样品经电子显微镜分析表明，高岭土已被剥离为纳米级片层。
纳米高岭土研究现状及进展
国内地大纳米材料制造有限公司，以优质高岭土为原料，采用化学插层—研磨剥片法的生产制备新工艺，其产品的标称细度达到＜1μm≥90%，白度为87%；粒度为100～250nm和200～500nm的系列产品。由于该产品具有粒度细、白度高、分散性好、比表面积大、吸附能力强和化学性质稳定等许多特点，现已被广泛应用于作特种造纸涂料、油漆与涂料的增稠剂、颜料、催化剂载体、高级化妆品的保湿剂、高档油墨的添加剂，在橡胶与塑料中作增强剂使用可替代5%～15%的钛白粉。
刘钦甫等以高纯度软质高岭土为开发研究对象，采用插层—研磨剥片法的制备工艺，现已成功的制备开发出具有较高质量的纳米高岭土工业化产品，其纳米级高岭石晶片的平均直径为300～500nm，晶片的平均厚度达到20～50nm，白度75%～90%。该项高新技术已于2004年在北京通过了由国家教育部组织的技术鉴定，达到目前国际领先水平。同时，此项高新技术产品现已在山东枣庄三兴高新材料有限公司投入工业化生产。
应用研究结果表明，其纳米高岭土可适用于作各种橡胶制品的增强能，在丁苯橡胶中接近于白炭黑的补强性能。适合在轮胎密封层、胎侧胶、内胎、胶丝、密封橡胶、胶辊、胶棒、输送带等橡胶制品中应用。据透射电子显微镜观察分析，其纳米高岭土在橡胶制品中具有良好的分散性，且呈平行定向排列，其边缘或端面与橡胶大分子已在纳米尺度上牢固结合，从而可以提高橡胶制品的拉伸强度、弹性、伸长率与抗屈挠等性能。
青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室，以该无机纳米高岭土为增强剂，以新型聚烯烃弹性体POE为增韧剂，将传统的弹性体增韧方法和新型的纳米粒子增韧、增强手段相结合，制备成功高性能的聚丙烯纳米复合材料。研究表明，纳米高岭土与弹性体POE对PP的增韧具有协同作用，呈现的并不是二者独立增韧作用的简单的加与和，纳米高岭土对复合体系PP/POE还具有良好的增强作用，可以大大缓减因POE的加入而使其复合体系强度降低的现象。
应用研究成果表明，纳米高岭土在塑料中的应用具有以下特点：①良好的增韧、增强性能；②具有成核剂的作用；③在簿膜中具有较高的伸长率；④在农膜中具有保温与阻隔紫外线的功能；⑤具有高的热变形温度；⑥可赋予制品良好的光泽；⑦在绝缘簿膜中具有良好的电绝缘性能。
纳米煅烧高岭土研究现状及进展
潘业才、强颖怀等以煤系优质高岭土为开发研究对象，采用选矿、超细、煅烧、化学合成等制备生产工艺，已成功的制备出多孔状纳米煅烧高岭土的中试产品，呈多孔状煅烧高岭土的纳米级簿片。其白度≥9 0 %，煅烧高岭土的粒度d 9 0 为1 . 1～1 . 2μm ，d50300～400nm，平均厚度仅为18.4～21.8nm，多孔状煅烧高岭土的孔径约为5nm。该项高新技术具有原料极其易得、制备工艺较为简单、成本低廉、易于产业化和规模化生产开发之特点。此项技术的研究成功必将为我国煅烧高岭土超细深加工行业的科技进步起到积极地推动作用，同时为煅烧高岭土超细深加工企业的新产品开发提供了一条技术开发途径。
纳米高纯莫来石与纳米莫来石复合粉体
潘业才、强颖怀等以煤系优质高岭土原料，采用选矿、超细、煅烧、化学合成、洗涤、脱水、干燥等制备生产工艺，现已成功地制备出纳米莫来石复合(含约10%～20%纳米SiO2)粉体和高纯纳米莫来石(莫来石含量≥95%)系列产品，并成功地迈出了产业化开发的步伐。
由煤系优质高岭土为原料制备生产的纳米高纯莫来石和纳米莫来石复合粉体的白度均在92%～95%，呈短柱状纳米莫来石的最大长度≤170nm，平均长度≤90nm，平均直径≤40nm。其纳米莫来石复合粉体中的纳米二氧化硅细度为：最大粒径≤20nm，最小粒径约5nm，平均粒径≤15nm。纳米高纯莫来石的化学成分半定量分析(%)表明：Al2O368.5～72.1，SiO227.6～29.0，CaO＜0.5，TiO2＜0.5，Fe2O3＜0.5，与莫来石的化学成分理论值(Al2O3 71.80%，SiO228.20%)十分近似，属高纯莫来石之范畴。在放大10万倍的透射电子显微镜下没有发现类球形纳米SiO2的存在，全部为结晶良好的短柱状(其长径比平均为2.7～3.0)纳米莫来石晶体，且其分散性能优良(图1，图2)。从而开创性地实现了在不添加Al2O3的条件下，利用煤系优质高岭土直接制备高纯纳米莫来石全新的工艺技术方法。
无锡市陶都锡阳实业公司李锡春、廖建中等利用纳米莫来石(3Al2O3·2SiO2)产品，已完成对直径为2～5mm的硅酸锆微珠及80、100目硅酸锆喷砂微珠的实验室小试改性研究工作。研究发现，在直径为2～5mm的硅酸锆微珠中，加入15%～20%的纳米莫来石以及在80、100目硅酸锆喷砂微珠中添加10%～15%的纳米莫来石对微珠进行改性后，其微珠的硬度、强度、韧性等均有显著提高，且微珠的主要质量指标磨耗值明显得以改善。尤其是80、100目的硅酸锆喷砂微珠产品的磨耗值已与从日本进口的喷砂微珠产品的质量相当，但其制备成本仅是进口产品的三分之一。
我国高岭土矿物纳米材料的前景展望
科学研究成果表明，高岭土矿物纳米材料(纳米高岭土、纳米煅烧高岭土、纳米高纯莫来石及纳米莫来石复合粉体等)系列产品，具有原料极其易得、加工工艺相对简单、生产成本低廉、产品质量稳定、易于产业化和规模化开发等诸多优点。同时，由于其产品细度已在纳米级尺度范围之内，故其所具备的良好的小尺寸效应、比表面效应、紫外线与红外线的吸收性能等均与目前市场上高价位的纳米无机非金属氧化物的主要综合性能指标相近或相当。随着纳米科技产品的日趋实用化与规模化开发，高岭土矿物纳米材料必将成为今后纳米科技应用领域中质优、价廉的重要基础性原料。
|
|
|
| |
|
| |
|
|
|
|
|
|
