高岭土与粘土

近年来，非金属材料的开发应用已扩展渗透到国民经济的各个领域，发展十分迅速，其产值快速增长，已超过金属材料，在经济发展中占有越来越重要的地位。

高岭土作为一种重要的非金属矿产，因具有良好的可塑性、高白度、易分散、高粘结性和优良的电绝缘性等，广泛应用于陶瓷、电子、造纸、橡胶、塑料、搪瓷、石油化工、涂料和油墨等行业。

另外，高岭土还具有抗酸溶性、低的阳离子交换性和较高的耐火度等理化性能，在光学玻璃、玻璃纤维、化纤、砂轮、建筑材料、化肥、农药杀虫剂载体及耐火材料等行业得到应用。近年来，高岭土在新材料中的应用也得到深入研究，如用于制备高岭石有机插层纳米材料、地聚无材料、层柱分子筛等。整体来看，对高岭土的加工与应用研究，尤其在新材料方面的应用研究水平与国外相比存在着较大差距，这与我国的高岭土产出大国地位极不相称。其中，高岭石有机插层纳米材料的研究在我国始于1992年，只有短短十几年的时间，而较多的研究则集中于2000年以后。高岭石插层纳米材料的制备及其应用研究是提高高岭土产品档次的重要途径，可以大幅度提高产品的附加值。因此，对高岭土插层复合材料的研究工作有着十分重要的现实意义和理论意义。

高岭石晶体结构特征

高岭石的晶体结构是典型的1:1型二八面体层状硅酸盐，即由硅氧四面体片和“氢氧铝石”八面体片连接形成的结构层沿C轴堆垛而成，而在a轴和b轴方向上连续延伸。所有的硅氧四面体的顶尖都朝着同样的方向，指向铝氧八面体。硅氧四面体晶片和铝氧八面体晶片由共同的氧原子连接在一起。高岭石单元晶层，一面为OH层，另一面为O层，OH键具有强的极性，晶层与晶层之间以氢键结合，强氢键（O－OH=0.289nm)作用加强了结构层之间的连接（图1-1）。而且层间表面一个面为硅连接的四面体氧，而另一个面为八面体上的羟基，因此存在非对称效应，使得层与层之间具有较强的结合力。因而晶层之间连接紧密，晶层间距仅为0.72nm，故高岭石的分散度较低且性能比较稳定，几乎无晶体取代现象。高岭石在显微镜下呈六角形鳞片状结构。层间不含可交换性阳离子。

A₄I[Si₄O₁₀]0(H)₈2_———4H₂O。电子显微镜下高岭石呈假六方片状

高岭石理论化学组成为A120：39.0%，Si₄O₂46.4%，H₂013.6%。它含有吸附水、层间水和结晶水。表面有许多活性基因，如Si—O。、AI—O。、AI—OH等，其化学成分一般比较简单，只有少量Mg、Fe等代替八面体重的AI，AI、Fe代替si数量很少。高岭石因晶格边缘存在断键，可引起少量的阳离子交换。

（3）高岭石的物化性能

  高岭石为白色，因含杂质可染成其他不同颜色。高岭石在电镜下呈假六方板状、半自形鳞片状或它形片状晶体，集合体常为片状、蠕虫状、鳞片状、书册状及放射状等，粒度一般为.02-5pm。高岭石粘土具有可塑性、烧结性、较高的耐火性、电绝缘性、化学稳定性以及能与有机质作用等性质，因而广泛应用于陶瓷、建筑材料、造纸、橡胶、塑料、涂料、石油化工、环境保护、冶金工业、新材料等行业。

    高岭石晶体结构特征 

高岭石在新材料中的用途

高岭土有机插层材料

高岭石层间作用力较强，不含可交换性阳离子，无膨胀性，与其他层状粘土矿物相比，较难与有机化合物发生插层反应。仅有一些极强性有机小分子，如二甲基亚矾（DMSO）、甲酰胺（FA）、N—甲基甲酰胺（NMF）、脲（Uera）、联氨（Hydrazine)等可以直接插入到高岭石层间。而其它有机分子则可以采用“置换插层法”，即置换预插层在高岭石层间的上述有机小分子而制备相应的有机插层复合物。大量研究表明，高岭土经过置换插层制备的高岭石——甲醇有机复合物，可以作为进一步置换插层的前驱体，具有广泛的通用性。由此可以制备出多种有机插层复合物。高岭土多次插层一去插层（脱嵌）后，具有较高的反应活性，能够轻易地插入二价碱土金属和过渡金属等，用这种方法有望制备出高活性的催化剂。

                       高岭土制备的地聚物材料

地聚物材料（geopolymericmaetrials）是以偏高岭土、碱基发剂为主要原料，在20—120度的低温条件下成形硬化，通过化学反应得到的具有与陶瓷性能相似的一种新材料。地聚物是由无机的硅氧四面体与铝氧四面体聚合而成沸石及类沸石相，其产物以离子键和共价键为主。地聚物兼有有机高聚物、陶瓷、水泥的特点，又不同于这些材料，它具有许多独特的材料性能，而且具有原材料丰富、工艺简单、价格低廉、节约能源等优点，可用作固封有毒化学废料和放射性元素的有效胶凝材料、建筑结构材料、阻燃耐高温建筑装饰材料、耐火保温材料等。

                          制备其它新材料

以高岭石为原料，还可以制备莫来石复合纳米晶123—l，聚癸二酞癸二胺（P A1010）高岭土杂化材料、高岭石—MBT复合材料、高岭土一丙烯酰胺系超吸水性复合材料【271、超高分子量聚乙烯/高岭土复合材料、高岭土复合材料、高岭土一聚丙烯酸钠高吸水性复合树脂129】、HDPE/高岭土复合新材料的制备拓宽了高岭土的用途，也增加了产品的高科技含量。提高产品档次，能取得更好的经济效益。

层状硅酸盐因其结构本身具有纳米尺度的层状结构，用分子插层或者离子插层方法可以将这些片状结构加以剥离得到纳米结构材料的前驱体，在插层纳米复合材料中被广泛采用。

层状硅酸盐（Layered Sicliate，简称Ls）有两个特殊性能：（1）Ls颗粒能够分散成晶层，从而得到径厚比可高达1000的完全分散晶层；（2)可以通过有机阳离子的离子交换反应调节Ls的表面活性。制备的聚合物/层状硅酸盐PolymerLayered sliciaet，简称PLs纳米复合材料具有聚合物分子链与粘土硅酸盐片层以分子水平交替排列，达到分子级分散的特点，通过祸合作用能产生优异的力学性能、热性能、电性能、阻隔性能、及光性能等。以往研究主要集中于蒙脱石的插层复合，有大量文献包括多篇博士论文报道。继蒙脱石之后，高岭土（石）以资源丰富、价格便宜等优势也逐渐成为研究热点。高岭石一有机复合物的插层

 

     粘土

由于聚合物/粘土纳米复合材料具有常规聚合物/无机填料复合材料无法比拟的优点（如优异的力学、热学性能和气体阻透性能等），因而自从日本丰田公司首次报道尼龙6/粘土纳米复合材料以来，聚合物基粘土纳米复合材料受到了各国学者的广泛关注。目前研究较多并具有实际应用前景的2:1型层状硅酸盐粘土矿物，如钠蒙脱土、锂蒙脱土和海泡石等，可用于制备高聚物/层状硅酸盐纳米复合材料。它的基本结构单元是由1片铝氧八面体夹在2片硅氧四面体之间，靠共用氧原子而形成的层状结构。这种四面体和八面体的紧密堆积结构使其晶格排列高度有序，具有很高的刚性，层间不易滑移。

粘土的表面特性和聚合物与粘土的相容性问题是制备聚合物/粘土纳米复合材料时必须关注的两个问题。为改善层状硅酸盐在聚合物中的分散性，使蒙脱土层间由亲水转变为疏水，降低硅酸盐表面能，以利于高聚物或其单体插入蒙脱土层间制备纳米复合材料，常采用有机表面活性剂修饰粘土表面。对于表面改性，目前国内外对单一阳离子修饰蒙脱土的报道较多，而且多用于聚合物/粘土纳米复合材料的制备；但对于双阳离子，阴-阳离子和非离子型等改性剂改性的有机粘土则主要是利用其吸附性用于水中苯系污染物、重金属及有机磷农药等的处理，并未用于制备复合材料。