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| 我國高嶺土礦物納米材料的開(kāi)發(fā)應用現狀及其前景展望 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2014-06-09 09:10:45 瀏覽次數： |
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隨著(zhù)納米科技的迅猛發(fā)展，人們已由當初利用價(jià)格昂貴的有機或無(wú)機化工原料合成制備納米無(wú)機氧化物，如納米二氧化硅、納米二氧化鈦、納米氧化鋅、納米三氧化二鋁等系列產(chǎn)品，而逐步轉移到利用資源豐富、儲量巨大、價(jià)格低廉的天然無(wú)機非金屬礦物納米材料的研制與開(kāi)發(fā)上來(lái)。
我國高嶺土礦物納米材料的開(kāi)發(fā)應用現狀
納米材料中最重要的組成部分就是無(wú)機納米材料，而非金屬礦物(高嶺石、蒙脫石等)納米材料則必將成為無(wú)機納米材料之主體。由于其具有資源豐富、原料易得、加工制備工藝相對簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低廉、易于規?；a(chǎn)等諸多優(yōu)勢，故其必將成為在今后相當長(cháng)的時(shí)間內納米材料、納米改性材料、納米復相材料等納米高科技中最具有適用性，最有應用發(fā)展潛力
之主體技術(shù)產(chǎn)品。
高嶺石的結構是由一層硅氧四面體和一層鋁氧八面體通過(guò)共同的氧互相連接形成一個(gè)晶層單元，稱(chēng)為1∶1型層狀硅酸鹽礦物。其四面體尖頂上的氧離子都朝向八面體，八面體中僅有2/3的位置被鋁離子所占據，單晶層厚度為0.716nm，層間距為0.292nm，晶胞中電荷基本上是平衡的，晶層間的陽(yáng)離子極少，層外分子一般不易進(jìn)入晶體層間，僅有少數的強極性分子如乙酸銨、酰胺類(lèi)及其衍生物等可以插入。
縱觀(guān)國內外納米粘土(高嶺石、蒙脫石等)復合材料的開(kāi)發(fā)應用現狀可知，大多數均是以蒙脫石作為制備納米粘土的重要原料，如在塑料中采用插層復合的技術(shù)方法，可使蒙脫石實(shí)現納米級分散在改性塑料中，以達到提高其物理化學(xué)性能之目的。但此方法在一定程度上存在著(zhù)制備工藝復雜、生產(chǎn)成本高、應用領(lǐng)域較窄(僅適合在塑料等極少數可實(shí)現插層復合的領(lǐng)域中使用，而在納米涂料、納米陶瓷等領(lǐng)域則很難或根本無(wú)法實(shí)施插層復合技術(shù))等不足之處。如何在低成本條件下規?；苽渖a(chǎn)礦物納米材料(納米粘土)粉體，不僅可使粘土礦物納米材料的應用領(lǐng)域大大拓寬，而且必將具有極大的市場(chǎng)應用潛力和極強的生命力。
納米高嶺土復合材料
高嶺土有機復合物作為一種新型礦物材料的許多優(yōu)異性能亦逐漸顯現出來(lái)，其插層劑的選擇、插層工藝、插層效果的表征和插層材料的應用等現已成為高嶺土插層材料研究的熱點(diǎn)與關(guān)鍵性重點(diǎn)課題。
由于高嶺土的層間距很小，一般很難插層高分子聚合物，但可以通過(guò)先插層極性酰胺類(lèi)物質(zhì)，使其層間距擴大，再進(jìn)行有機高分子聚合物取代插層反應，即可獲得有機化合物/高嶺石納米復合材料。如先以二甲基亞砜或N-甲基酰胺插層高嶺土，然后再將此前驅體在聚乙二醇溶液中進(jìn)行取代插層反應，便可得到聚乙二醇/高嶺石納米復合材料；利用有機化合物對高嶺石插層可以得到有機化合物摻雜的高嶺石納米復合物，如對(脲)插層的高嶺土復合物，可利用研磨法使高嶺土實(shí)現納米級剝離，從而得到由(脲)摻雜的高嶺土納米復合物，其比表面積可由原高嶺土的18.6m2/g增至116m2/g。其超細樣品經(jīng)電子顯微鏡分析表明，高嶺土已被剝離為納米級片層。
納米高嶺土研究現狀及進(jìn)展
國內地大納米材料制造有限公司，以?xún)?yōu)質(zhì)高嶺土為原料，采用化學(xué)插層—研磨剝片法的生產(chǎn)制備新工藝，其產(chǎn)品的標稱(chēng)細度達到＜1μm≥90%，白度為87%；粒度為100～250nm和200～500nm的系列產(chǎn)品。由于該產(chǎn)品具有粒度細、白度高、分散性好、比表面積大、吸附能力強和化學(xué)性質(zhì)穩定等許多特點(diǎn)，現已被廣泛應用于作特種造紙涂料、油漆與涂料的增稠劑、顏料、催化劑載體、高級化妝品的保濕劑、高檔油墨的添加劑，在橡膠與塑料中作增強劑使用可替代5%～15%的鈦白粉。
劉欽甫等以高純度軟質(zhì)高嶺土為開(kāi)發(fā)研究對象，采用插層—研磨剝片法的制備工藝，現已成功的制備開(kāi)發(fā)出具有較高質(zhì)量的納米高嶺土工業(yè)化產(chǎn)品，其納米級高嶺石晶片的平均直徑為300～500nm，晶片的平均厚度達到20～50nm，白度75%～90%。該項高新技術(shù)已于2004年在北京通過(guò)了由國家教育部組織的技術(shù)鑒定，達到目前國際領(lǐng)先水平。同時(shí)，此項高新技術(shù)產(chǎn)品現已在山東棗莊三興高新材料有限公司投入工業(yè)化生產(chǎn)。
應用研究結果表明，其納米高嶺土可適用于作各種橡膠制品的增強能，在丁苯橡膠中接近于白炭黑的補強性能。適合在輪胎密封層、胎側膠、內胎、膠絲、密封橡膠、膠輥、膠棒、輸送帶等橡膠制品中應用。據透射電子顯微鏡觀(guān)察分析，其納米高嶺土在橡膠制品中具有良好的分散性，且呈平行定向排列，其邊緣或端面與橡膠大分子已在納米尺度上牢固結合，從而可以提高橡膠制品的拉伸強度、彈性、伸長(cháng)率與抗屈撓等性能。
青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，以該無(wú)機納米高嶺土為增強劑，以新型聚烯烴彈性體POE為增韌劑，將傳統的彈性體增韌方法和新型的納米粒子增韌、增強手段相結合，制備成功高性能的聚丙烯納米復合材料。研究表明，納米高嶺土與彈性體POE對PP的增韌具有協(xié)同作用，呈現的并不是二者獨立增韌作用的簡(jiǎn)單的加與和，納米高嶺土對復合體系PP/POE還具有良好的增強作用，可以大大緩減因POE的加入而使其復合體系強度降低的現象。
應用研究成果表明，納米高嶺土在塑料中的應用具有以下特點(diǎn)：①良好的增韌、增強性能；②具有成核劑的作用；③在簿膜中具有較高的伸長(cháng)率；④在農膜中具有保溫與阻隔紫外線(xiàn)的功能；⑤具有高的熱變形溫度；⑥可賦予制品良好的光澤；⑦在絕緣簿膜中具有良好的電絕緣性能。
納米煅燒高嶺土研究現狀及進(jìn)展
潘業(yè)才、強穎懷等以煤系優(yōu)質(zhì)高嶺土為開(kāi)發(fā)研究對象，采用選礦、超細、煅燒、化學(xué)合成等制備生產(chǎn)工藝，已成功的制備出多孔狀納米煅燒高嶺土的中試產(chǎn)品，呈多孔狀煅燒高嶺土的納米級簿片。其白度≥9 0 %，煅燒高嶺土的粒度d 9 0 為1 . 1～1 . 2μm ，d50300～400nm，平均厚度僅為18.4～21.8nm，多孔狀煅燒高嶺土的孔徑約為5nm。該項高新技術(shù)具有原料極其易得、制備工藝較為簡(jiǎn)單、成本低廉、易于產(chǎn)業(yè)化和規?；a(chǎn)開(kāi)發(fā)之特點(diǎn)。此項技術(shù)的研究成功必將為我國煅燒高嶺土超細深加工行業(yè)的科技進(jìn)步起到積極地推動(dòng)作用，同時(shí)為煅燒高嶺土超細深加工企業(yè)的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了一條技術(shù)開(kāi)發(fā)途徑。
納米高純莫來(lái)石與納米莫來(lái)石復合粉體
潘業(yè)才、強穎懷等以煤系優(yōu)質(zhì)高嶺土原料，采用選礦、超細、煅燒、化學(xué)合成、洗滌、脫水、干燥等制備生產(chǎn)工藝，現已成功地制備出納米莫來(lái)石復合(含約10%～20%納米SiO2)粉體和高純納米莫來(lái)石(莫來(lái)石含量≥95%)系列產(chǎn)品，并成功地邁出了產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)的步伐。
由煤系優(yōu)質(zhì)高嶺土為原料制備生產(chǎn)的納米高純莫來(lái)石和納米莫來(lái)石復合粉體的白度均在92%～95%，呈短柱狀納米莫來(lái)石的最大長(cháng)度≤170nm，平均長(cháng)度≤90nm，平均直徑≤40nm。其納米莫來(lái)石復合粉體中的納米二氧化硅細度為：最大粒徑≤20nm，最小粒徑約5nm，平均粒徑≤15nm。納米高純莫來(lái)石的化學(xué)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，與莫來(lái)石的化學(xué)成分理論值(Al2O3 71.80%，SiO228.20%)十分近似，屬高純莫來(lái)石之范疇。在放大10萬(wàn)倍的透射電子顯微鏡下沒(méi)有發(fā)現類(lèi)球形納米SiO2的存在，全部為結晶良好的短柱狀(其長(cháng)徑比平均為2.7～3.0)納米莫來(lái)石晶體，且其分散性能優(yōu)良(圖1，圖2)。從而開(kāi)創(chuàng )性地實(shí)現了在不添加Al2O3的條件下，利用煤系優(yōu)質(zhì)高嶺土直接制備高純納米莫來(lái)石全新的工藝技術(shù)方法。
無(wú)錫市陶都錫陽(yáng)實(shí)業(yè)公司李錫春、廖建中等利用納米莫來(lái)石(3Al2O3·2SiO2)產(chǎn)品，已完成對直徑為2～5mm的硅酸鋯微珠及80、100目硅酸鋯噴砂微珠的實(shí)驗室小試改性研究工作。研究發(fā)現，在直徑為2～5mm的硅酸鋯微珠中，加入15%～20%的納米莫來(lái)石以及在80、100目硅酸鋯噴砂微珠中添加10%～15%的納米莫來(lái)石對微珠進(jìn)行改性后，其微珠的硬度、強度、韌性等均有顯著(zhù)提高，且微珠的主要質(zhì)量指標磨耗值明顯得以改善。尤其是80、100目的硅酸鋯噴砂微珠產(chǎn)品的磨耗值已與從日本進(jìn)口的噴砂微珠產(chǎn)品的質(zhì)量相當，但其制備成本僅是進(jìn)口產(chǎn)品的三分之一。
我國高嶺土礦物納米材料的前景展望
科學(xué)研究成果表明，高嶺土礦物納米材料(納米高嶺土、納米煅燒高嶺土、納米高純莫來(lái)石及納米莫來(lái)石復合粉體等)系列產(chǎn)品，具有原料極其易得、加工工藝相對簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低廉、產(chǎn)品質(zhì)量穩定、易于產(chǎn)業(yè)化和規?；_(kāi)發(fā)等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于其產(chǎn)品細度已在納米級尺度范圍之內，故其所具備的良好的小尺寸效應、比表面效應、紫外線(xiàn)與紅外線(xiàn)的吸收性能等均與目前市場(chǎng)上高價(jià)位的納米無(wú)機非金屬氧化物的主要綜合性能指標相近或相當。隨著(zhù)納米科技產(chǎn)品的日趨實(shí)用化與規?；_(kāi)發(fā)，高嶺土礦物納米材料必將成為今后納米科技應用領(lǐng)域中質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的重要基礎性原料。
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