高岭土在材料学方面的应用

 

质纯的高岭土具有白度和亮度高,质软(硬度1～2.5),强吸水性,易于分散悬浮于水中,良好的可塑性和高的粘结性,优良的电绝缘性,良好的抗酸碱性,强离子吸附性和弱阳离子交换性质以及良好的烧结性和较高的耐火度(约1800℃)等性能,使其成为陶瓷生产的主要原料。洁白、柔软、高度分散性、吸附性及化学惰性,使其在造纸、橡胶、塑料等工业部门广泛应用。高岭土还广泛应用于耐火材料、石油化工、农业、国防尖端技术等领域,此外,高档化妆品粉料、洗涤剂助剂和污水净化剂的材料亦可由高岭土产品加工制备出来。陶瓷工业是应用高岭土最早、用量较大的行业。一般用量为配方的20%～30%。高岭土在陶瓷中的作用是引入Al2O3,有利于莫来石的生成,提高其化学稳定性和烧结强度,在烧成中高岭土分解生成莫来石,形成坯体强度的主要框架,可防止制品的变形,使烧成温度变宽,还能使坯体具有一定的白度。同时,高岭土具有一定的可塑性、粘结性、悬浮性和结合能力,赋予瓷泥、瓷釉良好的成形性,使陶瓷泥坯有利于车坯及注浆,便于成形。如用在电线中,可以增加绝缘性,降低其介电损耗。

陶瓷不仅对高岭土的可塑性、结合性、干燥收缩、干燥强度、烧结收缩、烧结性质、耐火度及烧后白度等有严格要求,而且涉及到化学特性,特别是铁、钛、铜、铬、锰等致色元素的存在,使烧后白度降低,产生斑点,因此要求Fe2O3含量在0.6%～0.7%范围内,TiO2含量低于0.5%,否则半透明度降低。碱元素的存在会改变空隙度,要求(CaO+MgO)<2%、钾含量小于1.5%。硫酐(SO3)的存在会使陶瓷产品产生起泡、溶洞及开裂等缺陷,以<1%为宜。

国外造纸工业是高岭土的最大市场,用量远远超过陶瓷、塑料、橡胶和油漆等行业。在造纸业中,高岭土可用作填料和涂布料,因为高岭土在纸浆中不与其它配料发生化学反应,具有稳固性,可很好地保留在纸张纤维之间;同时,高岭土粒度细,易于流动,能适应机械化高速生产,可保证纸张表面的薄膜状涂层厚度均匀。作填料时,根据高岭土在纸浆中的稳固程度决定加入的数量,高岭土填料在纸浆中的稳固程度一般为35%～60%,稳固性与高岭土的细度有关,最佳细度为2～20μm。其作填料的作用是充填纸张中木质纤维之间的空隙,以提高纸张的密度及纸面的平滑度,降低其透明度,保证更好地吸收印墨油色。作涂料时是利用高岭土的覆被能力,作用是将片状高岭土微粒涂在纸张表面,使其光滑、光亮整洁,具不透明性和可印性。也就是说,高岭土作填料时,既可作为增量剂,部分替代价格较贵的材料,又不影响最终产品的性质;也可作为功能性填料,作为色料增强白度。高岭土作涂布料时,其功能是改善纸对油墨的包容性、渗透性和外观。

造纸业对高岭土的质量要求可概述如下:高岭土中高岭石的含量越高越好,主要成分Al2O3和SiO2的含量越接近理论值越好,Al2O3含量影响纸张的光泽度,一般Al2O3含量高可增加纸张的光泽度,SiO2含量过高,会影响纸张的光泽度,并提高高岭土的硬度,使磨耗值增大,影响纸张的质量。致色成分Fe2O3、TiO2等越少越好。硫酐(SO3)的存在会使纸张因长时间保存而出现变黄的现象。矿物晶形以薄片状为好,易于使涂料具有触变性,且可增加光泽度,粒径与厚度之比以8∶1为宜,管状晶形会降低光泽度,加大粘度。高岭土的白度越白越好。高岭土的粘浓度值要高,则其粘度低,流动性好。如用于刮刀涂布高岭土白度要求大于85%,粘浓度值要大于70%;粒度分布要适宜,但并不是越细越好,要有一定的级配,<10μm的要大于98%,<2μm的大于85%,<0.5μm的小于10%。

高岭土具有高的耐火度,常用来生产耐火材料。

其制品具有抵抗高温,并在高温下承受负荷而不变形的能力。

以高岭石为主要成分的高岭土,以及膨润土和铝土矿等,据其耐高温的用途,统称为耐火粘土。我国把耐火度大于1580℃的粘土,耐火度大于1770℃的铝土矿,通称为耐火粘土。前者分为硬质粘土、软质粘土、半软质粘土,后者称高铝粘土。某些带色的高岭土,不能用于陶瓷和造纸,却是耐火材料的好原料。因此,耐火材料是综合应用高岭土的重要市场。

高岭土用作耐火材料制品主要有两类:耐火砖、硅铝棉。前者是耐火度不低于1730℃,2×105Pa荷重软化开始温度不低于1350℃,重烧线收缩率小于0.5%(1400℃,2h),可据需要制成各种尺寸与形状的耐火砖。后者是一种轻质耐火保温材料,其制造方法是采用高岭土,经1000～1100℃焙烧,再用2000℃电弧炉将矿石熔融,在高速气流下吹制成棉。耐火材料对高岭土的质量要求不是十分严格,但高岭土中Al2O3和SiO2含量的比值变化直接影响耐火度的变化。在优质高岭土中Al2O3/SiO2的值一般在0.7～0.8之间或稍高。纯高岭土中Al2O3/SiO2比值为0.85,该比值大于0.85时,有富铝矿物存在,会提高耐火度。而小于0.7时,高岭土含量低,有石英存在,会降低耐火度。另外,高岭土中Fe2O3、TiO2、K2O的含量高都会降低耐火度,具有一定的危害性。

高岭土作为填料用于塑料工业,其作用是使表面光滑、减少热裂和收缩,有利于抛光、尺寸的精确度、耐化学腐蚀性等。塑料中高岭土的添加量从15%到60%。在聚氯乙烯的制造中,使用高岭土作为一种强化剂,它使塑料更经久耐用,煅烧与部分煅烧的高岭土在聚氯乙烯电线的绝缘体中作填充剂,能增大吸附表面和活性,把塑料中残留的导电离子吸附,使电绝缘性提高,增加其电阻率,煅烧高岭土按重量以7%～8%添加到聚乙烯薄膜里,能增强红外线吸收特性。处理过的高岭土变成功能性填料,改进尼龙、聚酯和其它塑料的机械、电学和热学性质。在制造玻璃纤维强化聚酯时,高岭土的加入可以解决大型产品的流动性能问题,能制造汽车的车身和船体等,因为高岭土能产生一种强度较高且更均匀的整体。另外,在某些塑料体系中,修整表面时,高岭土可以提高分散性。

高岭土的用途很广泛,除上述用途外,还可用于生产白水泥、聚合铝,低铁和低硫的高岭土可在催化剂生产中应用。高岭土有亲水性,经常用疏水物质覆盖其颗粒表面。此外,还在化肥、农药、化妆品等方面应用。高岭土的用途多种多样,随着经济的发展,各行各业对高岭土的需求量急速增加,对高岭土的质量要求也越来越高,普通的的高岭土已不能满足工业的需求,综合开发利用高岭土资源是很有必要的。途径就是发展深加工,开发新产品,从传统的应用领域转向高科技、新技术、高效益的领域。造纸涂料级高岭土、煅烧高岭土、超细和提纯高岭土以及其它高精尖产品的研制将会使高岭土具有更好的物化性能,随着科学技术的进步,它的应用范围将会越来越广泛。

 

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