剥片高岭土是一种新型的二维（2D）纳米材料，具有径厚比高、比表面积大和界面吸附性能强等优点，在生物医药、吸附、催化、特种橡胶、航空航天等领域具有广泛的应用前景，这使得高岭土插层剥片成为国际黏土矿物材料领域的研究热点。
　　
　　高岭土的剥片方法包括物理剥片法、化学剥片法和物理化学协同剥片方法等。
　　
　　1、物理剥片法
　　
　　物理剥片法通常包括低速或高速搅拌、超声、微波作用和球磨处理等工艺过程，具有能耗低、无污染、对环境友好等优点，但同时存在片层大小不能较好地控制、矿物颜色变黑或出现片层严重损坏的缺点。此外，长时间的磨剥也会导致研磨介质的磨耗加重，不利于工业生产。
　　
　　高岭土的物理剥片实际上是高岭土的超细粉碎过程，通常使用机械球磨机、剥片机、分散机、搅拌磨、蒸汽射流磨和砂磨机等设备制备超细高岭土纳米片。
　　
　　（1）磨剥法
　　仅使用一个剥片机很难快速减小高岭土的粒度，通过剥片机串联使用的方式能提升高岭土的剥片效果。高岭土进浆浓度为40%时，采用1.5~2.5mm的氧化锆瓷球，在流量为10m3/h、分散剂为六偏磷酸钠（干粉质量1.5%）的条件下，利用GJ5×2双槽高强度搅拌磨对高岭土层结构进行剥离，一段剥片后-2μm的含量仅为64%；将搅拌磨串联5段使用时，剥片后产品中-2μm的含量提升至84%。针对龙岩高岭土，利用300L的剥片机对高岭土进行磨剥，进浆浓度为30%时，采用4段串联的方式对高岭土进行球磨，产品中-2μm的含量由一段的72%增加到96%。结果表明：增加段数会提高磨剥效果；最佳矿浆浓度为36%~38%；分散剂的加入显著提高了高岭土法人分散性及矿浆流动性，其中六偏磷酸钠的磨剥效果比聚丙烯酸钠的效果明显。不同剥片机的串联使用可进一步提高高岭土的剥片效果，当高效磨剥机三段连用时产品中-2μm的含量可达91%。
　　
　　不同容量的剥片机对高岭土的磨剥效率有很大的影响。研究中常使用的剥片机规格通常为300L、1000L和3000L，此外还有可以连续剥片的大流量卧式砂磨机。300L的剥片机一段使用时产品中-2μm的含量可以达72%，3000L的湿法搅拌磨在一段剥片时产品中-2μm的含量可高达91%。大流量卧式剥片机具有连续性、效率高等特点。一般来说，大容量的剥片机更容易获得较细的高岭土粒度，符合工业化应用的需要。最新研究表明，大流量卧式砂磨机的使用提高了广东某地高岭土的质量，使高岭土-2μm的含量由未磨剥时的85.00%提高至93.83%，其各项指标均已接近美国造纸高岭土指标。
　　
　　不同的矿浆浓度会显著影响高岭土的剥片效果。研究表明，在剥片时通常需要考虑矿浆的浓度，矿浆浓度过低会导致剥片效率低下，而矿浆浓度过大会导致矿浆流动性变差、磨剥时矿浆温度上升、六偏磷酸钠分散作用下降，最终造成磨剥效果下降。以砂磨机处理广东高岭土为例，当浓度从35%增加到60%的过程中，-2μm的含量呈现先上升后下降的趋势，在浓度为50%时，含量达到最大值，再增加浓度，剥片效率会下降，最终获得的-2μm的含量仅为91%，从此研究中可以看出，合适的矿浆浓度会提升剥片效率。
　　
　　（2）高压挤出法
　　高压挤出剥片法，其原理是利用柱塞泵的高压力差，对料浆施加一定的压力，使高压料浆通过狭窄的间隙喷嘴并以一定的高速喷出到常压叶轮或挡板上，利用高速流体的强剪切力空化效应及碰撞作用，实现高岭土的超细剥片。高压挤出法克服了机械剥磨法的主要缺点，具有不需要磨矿介质、无二次污染等优点，但仍存在能耗高、成本大、设备易损等缺点，特别是对高压设备质量和材料的要求很严格，且剥片过程中杂质矿物不能排除，需对筛分后的高岭土进行细磨分级处理。
　　
　　
　　2、化学剥片法
　　化学剥片法主要包括化学浸泡法和插层水洗法，此方法通过高岭土层间插层化学药剂使高岭土层间距发生膨胀，最终高岭土层结构发生自然剥落或者水洗剥落。
　　
　　化学剥片法，一般先使用一些有机无机小分子（DMSO、KAc、NMF等）进行插层，然后通过水洗、醇洗等方法进行插层剂去除，同时实现高岭土的剥片。比如沈忠悦等对高岭土进行KAc插层，然后对高岭土复合物进行水洗处理，实现高岭土层结构剥离，所得高岭土-2μm的含量从原来的35%增加到82%。一般来说，KAc插层—水洗工艺能将高岭土片层厚度从40~50nm减小到20nm左右，热水洗的剥片效果会更好。对DMSO、NMF等插层的高岭土进一步通过甲醇置换插层，可减小高岭土片层厚度的同时实现高岭土的表面改性。这些小分子插层剂的插层剥片工艺一般不会引起高岭土的片层卷曲，可使高岭土保持良好的片层形貌。近10年来，甲醇的置换插层极大地推动了工业上高岭土在复合材料领域推广应用。
　　
　　在此基础上，还可使用烷基胺、季铵盐、脂肪酸盐等碳链比较长的大分子物质作为插层剂，实现高岭土的高效剥片。这些大分子置换后高岭土，其片层更易于发生分离、剥落，但同时会发生片层卷曲现象，导致高岭石向埃洛石转变。LIU等采用不同链长的烷基胺（己胺、十八胺）对张家口高岭土进行插层处理，高岭土层间距约为2.87~5.73nm，水洗剥片处理后高岭土形态从原先的板片状变为卷曲状，并发现Kaol/HEA的卷曲程度较弱，仅在边缘处发现，而高岭土/OCA的卷曲较大，形成了完整的纳米管形貌。Kaol/HEA和Kaol/OCA插层化合物卷曲度的差异是由HEA和OCA这2种物质的分子链长度差异造成的。较大的基底间距提供了有利的卷曲空间，从而在插层剂作用力下诱导发生片层卷曲。
　　
　　需要指出的是，化学剥片法采用的水洗工艺，常会导致高岭土表面及层间残留较多的插层剂，会对高纯高岭土粉体造成一定的污染，从而影响高岭土在生物医药等高端应用领域的使用。
　　
　　3、物理化学剥片法
　　
　　物理化学协同剥片法主要包括插层—磨剥剥片法和插层—超声剥片法等。
　　
　　物理化学剥片法，一般先通过DMSO等小分子的插层作用使高岭土层间距扩大，然后施加一定的机械作用力（超声、球磨等）促进高岭土片层发生分离，此外也常使用甲醇置换插层后通过十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、十八胺等大分子插层实现高岭土的高效剥片。
 

　　
　　（1）插层—球磨。插层—球磨工艺被较多高岭土企业尝试过，一般是利用砂磨机、超细研磨机、剥片机等对插层后的高岭土进行球磨处理，后因其效果不理想而较少研究。
　　
　　（2）插层—超声/乳化。插层—超声工艺是近年来研究较多的，且普遍效果较好。DMSO、KAc等小分子插层剂插入高岭土层间后，通过超声或乳化处理，可利用空穴效应、流体强剪切作用等大幅提升高岭土片层分离的效果，并促进插层剂的去除。如对醋酸钾插层高岭土进行超声剥片时，其层厚度可从40~50nm左右降低到15nm左右。李晓光对比了超声辅助对插层高岭土比表面积的影响。结果表明，进行超声处理时张家口高岭土的比表面积和孔容分别由51m2/g和0.22cm3/g增加到101m2/g和0.48cm3/g，经过超声后高岭土的比表面积变化率由原来的410%提高到909%，相应的孔容也发生明显的提高。该类工艺获得的高岭土，一般具有比表面积大、径厚比高等特点，但高岭土的形貌易卷曲为管状形态。
　　
　　（3）插层—置换插层—超声。近年来的研究发现，利用经过大分子置换插层的高岭土进行超声处理，可进一步提升高岭土的剥片效果。MATUSIK等发现埃及高岭土经过己胺或十八胺置换插层及超声处理后比表面积从12.35m2/g增加到29.43m2/g。ABUKHADRA等研究了高岭土经过CTAB置换插层及超声处理后高岭土的比表面积及形貌的变化，发现经过超声处理后高岭土的比表面积从10m2/g增加到105m2/g，高岭土形貌由原来片状转变成边缘弯曲的管状形态。此外，有学者发现，类似石墨的剥片工艺，通过添加一些辅助试剂，也可促进插层高岭土的片层分离。LIU等通过将高岭石-DMSO插层复合物与H2O2进行置换反应并超声处理后显著降低了高岭土的片层厚度。该方法通过辅助试剂H2O2促进了高岭土片层的分离，获得的高岭土片层厚度可低至数纳米[50]。该类工艺可获得径厚比高、比表面积大、片层厚度低的片状高岭土。然而，由于大多数置换插层的有机分子需要通过DMSO、甲醇置换的方式才能进入高岭石层间，该工艺仍存在工艺繁琐、时间长、试剂消耗量大等问题。此外，在片层厚度低于10nm的高岭土的制备与存储过程中，这些超薄高岭土纳米片会出现因环境温度加热而发生片层重新粘附堆叠的现象，从而阻碍其粉体在橡胶、涂料高端应用领域的规模化利用。
　　
　　近年来的高岭土剥片技术研究，主要在高岭土剥片设备、物理化学剥片法上取得了一些新成果，主要包括：①新型大容量研磨设备的开发以及研磨介质及矿浆浓度等工艺参数的优化，进一步提高了我国高岭土企业的超细研磨效率。然而，传统的磨剥法和高压挤出法虽能大幅减小高岭土粒径，但径厚比降低仍不明显。超声破碎仪会造成高岭土片层结构破坏而超声池的直接剥片效果不理想，仍未实现规模化应用。总体而言，现有的物理剥片工艺虽可降低高岭土粒度却难以大幅提升其径厚比。②插层工艺能较大程度地增大高岭土的层间距值并改变其表面性质，有利于剥片效果的大幅提升，但会引起有机大分子残留或导致高岭石向埃洛石的形貌转变。插层、超声、球磨等工艺结合的物理化学协同方法能实现高岭石的高效剥片，获得比表面积大、径厚比高的纳米高岭石，但高岭土的剥片率及其片层形貌会受到具体剥片工艺影响，且存在化学试剂使用量大的问题。　　
　　
　　资料来源：《傅梁杰,屈雨鑫,樊迪康,杨华明.高岭土插层剥片技术研究进展及展望[J].金属矿山:2023》，由【粉体技术网】编辑整理，转载请注明出处！