（中国粉体技术网/班建伟）膨润土具有很强的吸湿性,能吸附相当于自身体积8～20倍的水而膨胀至30倍；在水介质中能分散呈胶体悬浮液,并具有一定的粘滞性、触变性和润滑性,它和泥沙等的掺和物具有可塑性和粘结性,有较强的阳离子交换能力和吸附能力。
膨润土素有“万能”粘土之称,广泛应用于冶金、石油、铸造、食品、化工、环保及其他工业部门。本文综述了以膨润土为原料制备钠基膨润土、活性白土、有机膨润土和4A分子筛的工艺、结构和性能,并且对近年来国内外膨润土深度开发产品聚合物/膨润土纳米复合材料进行了展望。
1 钠基膨润土
钙基膨润土的层间距d(001)在1.5nm左右；钠基膨润土的层间距d(001)在1.2nm左右。钙基膨润土的物化性能主要表现在吸附性及粘结性好,但它的膨胀性较小,有时需要改成钠基膨润土,以提高其经济价值和应用价值。由于Na+比Ca2+有更强的水合作用,钠基膨润土具有比钙基膨润土优越的物化性能,如吸水率和膨胀倍数高、阳离子交换容量高,其胶体悬浮液触变性、粘度、润滑性好,热稳定性能好,并具有较强的可塑性和粘接性等。、
在冶金工业膨润土用作铁矿球团的粘结剂,使团矿粒度均匀,还原性能好,这是膨润土的最大用途,所用膨润土以钠基膨润土为主；在石油工业钠基膨润土用于制备焦油-水的乳化液；在食品工业钠基膨润土用于动植物油的脱色和净化,葡萄酒和果汁的澄清、啤酒的稳定剂等；在纺织印染工业钠基膨润土用作填充剂、漂白剂、抗静电涂层,可代替淀粉上浆及做印花糊料。
钙基膨润土的钠化改型工艺有干法和湿法两种。湿法改型工艺又称为悬浮液法,即将膨润土与水配成约为1:1或更稀的矿浆,然后加入过量碳酸钠等钠化改性剂,在60～80℃左右搅拌1～2h,得到钠基膨润土,此法改型产品质量稳定,但是产品脱水、干燥困难。相反干法加工工艺应用较广泛,该法是将碳酸钠加入膨润土中经挤压而成。常用的干法钠化方法有:堆场钠化法、轮碾钠化法、双螺旋混合挤压钠化法、螺旋阻流挤压法等。影响钙基膨润土钠化的主要因素是:挤压作用的时间、膨润土温度的影响、粒度和挤压次数等。
2 活性白土
尽管钠基膨润土的物化性能较钙基膨润土好,但是比表面积和吸附性都比不上活性白土。活性白土是一种具有微孔网络结构、比表面积很大的白色或灰白色粉末,具有很强的吸附性。活性白土具有很强的活度和脱色能力,它用于石油的精炼,润滑油和动植物油的脱色及绝缘油的净化等；活性白土是生产化妆品、医药、涂料的原料；颗粒状的活性白土还可做芳烃重整、异构化、歧化的催化剂。一般用无机酸活化膨润土制备活性白土,根据工艺条件,可分为干法、湿法和半湿法。
3 有机膨润土
有机膨润土是有机季铵盐与天然膨润土的复合物,是近些年开发的一种精细化工产品。有机膨润土的主要特性就是有机介质中表现出溶胀性、高分散和触变性。在涂料方面,有机膨润土一般作为防沉剂、增稠剂,用作金属防腐涂料,具有耐腐蚀、耐磨、抗盐水侵蚀、抗冲击、不易湿等特点；在纺织工业方面,有机膨润土主要合成纤维织物的染色助剂；在高速印刷油墨方面,根据需要来调节油墨的稠度、粘度及控制渗透性；在钻井方面,有机膨润土可作为乳胶稳定剂；在高温润滑脂方面,有机膨润土特别用于制备适于高温和长时间连续运转作业的高温润滑脂。
有机膨润土的制备有湿法、预凝胶法和干法三种。这三种方法中,干法操作简单,生产效率高,制出的有机膨润土适于作为油基钻探液的增稠剂,但此方法粉尘较多,对环境污染较大；湿法的关键步骤是悬浮液中的微粒的粒度是否达到要求,膨润土中的杂质,特别是石英是否去除,它直接关系到有机膨润土性能的好坏。值得注意的是,有机膨润土的制备原料必须是钠基膨润土,而不能用钙基膨润土,因为Na+较Ca2+的水合离子半径大,使膨润土的层间距d(001)加大,有利于有机阳离子的离子交换。
4 4A分子筛
4A分子筛是一种结晶态的硅铝酸盐,其空间网络结构由硅氧四面体单元[SiO4]和铝氧四面体[AlO4]单元交错排列而成。在结构中存在大量水分子和阳离子,这种构造特点使分子筛具有选择吸附、催化和离子交换三大特性。4A型分子筛的特性决定了它具有广泛的工业用途。利用其强的吸水性能,用作气体和非极性(有机)液体的干燥剂；利用其具有特定的孔径,用作气体分离剂和有机(无机)反应的催化剂；利用其快速的离子交换性能,易将它转型为3A或5A分子筛以及其它A型分子筛；利用较高的Ca2+,Mg2+离子交换容量和高的交换速度,用作洗涤剂助剂三聚磷酸钠(STPP)的代替品,还可作为橡胶、纸浆和涂料的添加剂以及民用除臭剂等,特别是70年代以后,人们将4A沸石代替洗涤剂STPP,以避免STPP对环境污染,使其需要量猛增。
人工合成4A分子筛的方法分为两种:一种为全合成试剂法,即用硅酸盐、氢化钠和氢氧化铝水热合成4A分子筛,日本东洋曹达公司及美国P&G公司采用此法；另一种方法为半合成法,用天然粘土或用天然沸石转化制取4A分子筛。全合成试剂法生产成本较高,但产品质量稳定可靠;而半合成法成本较低,产品质量与所用粘土的组成及预处理息息相关。采用半合成法制备4A分子筛是降低成本的途径。利用膨润土制备4A分子筛的研究报道较少,制备方法有两种:一种是碱法,将膨润土与碱高温焙烧,将焙烧产物直接转化硅铝酸盐即分子筛的有效组成部分,在一定温度和碱度等条件下进行水热合成,制备4A分子筛。
另一种是酸法,即以经过酸处理的膨润土为原料,采用水热合成法制备4A分子筛。前者的优点是它可以将膨润土的石英等杂质通过碱焙烧而转化为4A分子筛的有效组成即硅铝酸盐。它的缺点是需要高温,耗能高。而酸法不需要高温焙烧,可以降低生产成本。但是,在酸法中要求必须在选矿时去掉石英等杂质,以保证合成合格的分子筛产品。
5 展望
随着纳米时代的来临,利用膨润土制备纳米复合材料已成为膨润土深度开发的热点。当膨润土的层间阳离子为可聚合有机物时,在适当的聚合条件下,单体在受限的空间内聚合导致粘土层崩解,从而使膨润土以纳米级的层片分散于聚合物基体中,形成聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料。
与常规的聚合物/无机复合材料相比,聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料具有高耐热性、高强度、高模量、高气体阻隔性和低的膨胀系数,比常规填充复合物轻和成本低等优点,其优异的性能及崭新的应用前景引起了众多国内外学者的兴趣。
膨润土及其深度开发产品经过一百多年的研究和应用,在工农业生产和科学领域已经发挥了重要作用。虽然我国的膨润土资源储量丰富,居世界第二位,但是按照持续发展的要求,应加大膨润土的有效利用的研究,大力发展膨润土的高、精、尖产品。相信,随着科技的进步,膨润土深度开发产品的种类和应用范围会越来越广,将对振兴国民经济做出新贡献。
►欢迎进入【粉体论坛】
|
