丁生祥 馮有利

　　(河南理工大學資源與環(huán)境學院,河南焦作454000)

　　摘要:結合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,主要介紹了高嶺土表面改性的方法、作用、改性后的產(chǎn)品性能及在涂料、塑料、橡膠工業(yè)中的應用。

　　關鍵詞:高嶺土;表面改性;應用

　　中圖分類號:TD87312文獻標識碼:A文章編號:1671-8550(2009)01-0066–03

　　收稿日期:2008-05-09;修回日期:2008-08-05

　　作者簡介:丁生祥(1984-),男(漢族),湖北仙桃人,河南理工大學資環(huán)系碩士研究生。

　　中圖分類號:TD87312文獻標識碼:A文章編號:1671-8550(2009)01-0066–03

　　0引言

　　高嶺土改性的研究與應用,國內(nèi)外專利文獻、資料時有報道,成果顯著、發(fā)展迅速,改性高嶺土年用量以較大幅度增長。改性高嶺土比改性碳酸鈣、硅酸鈣、氧化鋁、二氧化硅和云母的用量、用途及效果更勝一籌。高嶺土的改性從廣義講可以通過物理、化學或機械的方法進行。對高嶺土進行煅燒是改性,超微粉碎也是改性,因為它們均能賦予高嶺土更好的活性(物理的、化學的)和更好、更廣泛的應用特性[1]。

　　由于高嶺土的礦物形成條件及開采加工方法的差異,導致其表面性能(物理性質(zhì)如表面積、表面能、表面形態(tài)等;化學性質(zhì)如晶體結構、表面官能團等)有很大差別,使高嶺土的應用范圍具有局限性[2]。因此,研究、開發(fā)不同表面改性的方法,適應高嶺土在不同行業(yè)中的應用要求,是擴大高嶺土的應用范圍及效果的重要手段。

　　1高嶺土礦物表面物理化學特征

　　高嶺土又稱瓷石,是多種礦物組成的含水鋁硅酸鹽的集合體,主要有用的成分是高嶺石,其晶體化學式為2Al2Si2O5(OH)8或2SiO2•Al2O3•2H2O,顯然是一種含水鋁硅酸鹽。高嶺石中的水是以—OH的形式存在,其晶體結構的特點是由—Si—O四面體層和—Al—(O,OH)八面體層連接而成。高嶺石每個結構單元層的O與相鄰結構單元層八面體層的—OH通過氫鍵相結合,使高嶺土結構單元呈層狀堆積。這種層間力由于是弱的氫鍵和范德華力,故高嶺土形態(tài)主要呈板狀,易于沿與層面平行的方向裂開,而被加工成超細粉。在自然界中高嶺土以鱗片狀存在,它能與許多極性分子如HC—ONH2、CH3CONH2、(NH2)2CO等相互作用,產(chǎn)生高嶺石(極性有機分子嵌合復合體)。有機分子進入層間域,并于結構層兩表面與氫鍵相結合,其結果:1)使高嶺土的結構單元層厚增大;2)改變了高嶺土的表面性質(zhì)(如親水性等),使高嶺土的應用領域由此而拓寬[2]

　　2高嶺土的表面改性方法

　　對高嶺土表面改性,主要是提高其白度、亮度、表面化學活性及與聚合物的相容性等。

　　目前主要方法有:

　　—煅燒是使高嶺土脫水和揮發(fā)性物質(zhì)的一種方法,其目的在于提高高嶺土的白度、純度,改變晶體結構、表面及加工性能等。煅燒后的高嶺土具有白度高、密度小、吸油性增加、比表面積增大、遮蓋性和耐磨性良好、絕緣性和熱穩(wěn)定性高等特點。

　　—偶聯(lián)劑處理也是高嶺土表面改性的一種方法,是利用偶聯(lián)劑與高嶺土表面活性基團間的相互作用而達到改變高嶺土性質(zhì)的。偶聯(lián)劑處理高嶺土主要方法:1)濕法處理。將高嶺土粉浸入溶有偶聯(lián)劑的溶液中,在一定溫度下作用,然后使高嶺土粉與溶劑分離,再將粉料進行干燥。與干法相比,濕法具有偶聯(lián)劑與粉料混合均勻的優(yōu)點,但也存在著加工工藝復雜、溶劑消耗大、成本高等缺點,目前該工藝已很少使用。用作高嶺土表面處理的偶聯(lián)劑種類很多,目前使用較多的有硅烷類、鈦酸酯類、胺和脂肪酸表面活性劑類及鋁鈦復合型和鋯類偶聯(lián)劑等;2)干法處理。將高嶺土微粉放入高速混合器中,在一定溫度下攪拌、烘干,將溶有偶聯(lián)劑的溶劑及助劑緩緩加入,經(jīng)一定時間攪拌處理,可制成表面改性的高嶺土填料。由于改性劑的用量很少,通常只是粉體的1%～5%,要使改性劑與粉體用干法處理混合包覆好,對設備和操作過程應充分注意,力求盡可能達到濕法的效果。

　　—包膜處理是利用有機物或無機物在高嶺土微粉粒表面包膜而改進其使用性能的一種方法。該法簡便、實用性強,對一些使用要求不高的高嶺土產(chǎn)品常采用該法改性,如硬脂酸包膜高嶺土粉作普通橡膠填料等。

　　—化學接枝處理是利用高嶺土表面的活性—OH基在一定條件下能與其它物質(zhì)形成化學鍵或被其它基團取代的原理,對高嶺土表面進行處理的一種方法。經(jīng)化學接枝處理的高嶺土能極大地提高填料的性能,可根據(jù)需要選擇合適的接枝體和不同的改性條件,達到不同的改性目的。在制造精細化、專用化產(chǎn)品方面,該方法具有較大的優(yōu)勢,是高嶺土深加工的一個主要方面。

　　3改性高嶺土的應用

　　經(jīng)改性后的高嶺土,與有機高分子材料的交聯(lián)性有了改善、分散性得到了提高、承受外界負荷的有效截面得到增加,使有機高分子材料制品的力學性能等得到增強,功能性大幅提高,所以改性高嶺土的應用十分廣泛。

　　3.1改性高嶺土在涂料中的應用

　　高嶺土作為填充料很早就用于乳膠涂料和油漆中,這是因為它具有化學惰性、好的流動性能、色白、價廉、晶體表面陽離子交換容量較大,經(jīng)一定的處理可提高其分散性。適用的粒度范圍很寬,如粗粒高嶺土在無光或平光漆中使用;細粒高嶺土在高光澤的油漆或乳膠液中使用。

　　涂料工業(yè)經(jīng)常使用的高嶺土有兩大類:1)水洗超細高嶺土;2)煅燒超細高嶺土。煅燒高嶺土是近年發(fā)展起來的一種新型功能型填料,作為涂料的填料不僅具有較高的白度和不透明性,能在高聚合物中提供較好的穩(wěn)定性和色澤,而且有較好的遮蓋力、軟而耐磨,并有抗磨蝕、不收縮等特性[3]。

　　高嶺土作為白色填料,其本身并不具備遮蓋力,但若以一定比例加入到白色涂料(油漆)中,則可起增亮劑的作用,使涂料的遮蓋力有所提高。因此,在配方中能部分替代主顏料(如TiO2BaSO4•ZnS),降低產(chǎn)品成本。

[nextpage]

　　3.2改性高嶺土在塑料中的應用

　　在塑料工業(yè)中,高嶺土可代替重質(zhì)CaCO3作PVC、PP、聚酯、尼龍、酚醛樹脂等塑料的填充料,用來生產(chǎn)塑料地板和水管等[6]。以高嶺土作塑料的填充料,能使塑料表面光滑,提高尺寸精度和耐化學腐蝕性等,尤其在生產(chǎn)高絕緣電纜塑料時作填充料,可提高其電阻率,這是其它無機礦物填料所無法比擬的。

　　在其它塑料制品中應用改性煅燒高嶺土,可使其產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性、抗沖擊強度和變形溫度等均有較大的提高,并可增加填加量,降低成本[4]。

　　3.3改性高嶺土在橡膠中的應用

　　在橡膠制品生產(chǎn)中,提高各種配合劑在膠料中的分散和交聯(lián)程度,是確保制品膠料質(zhì)地均一和制品性能優(yōu)異的關鍵。對橡膠制品力學性能的影響主要是填料的結構、粒度、粒度分布、物理化學性質(zhì)[7],如粒狀無機填料在橡膠制品生產(chǎn)中有利于加工成型。但它可造成應力集中,導致制品力學性能降低。鱗片狀的無機填料在填充加工過程中,礦物的定向排列將有助于制品的定伸、扯斷等力學指標的提高。無機填料表面能的大小直接影響在膠料中的分散性。在填料經(jīng)過合適的偶聯(lián)劑和工藝改性后,起到降低表面能的作用,使之增強相互之間的交聯(lián)性和分散性[4～6]。

　　高嶺土作為填料和補強劑,可提高橡膠制品的檔次。這是因為在橡膠中摻入粉狀高嶺土后,形成有機高聚物(橡膠)—無機物(高嶺土)復合材料,它能改善橡膠制品的物理化學性能,如可提高橡膠制品的力學強度、耐磨性、耐酸堿腐蝕性、穩(wěn)定性以及改善膠料的加工性能(如包輥性、吃粉速度、壓延壓出等)。與此同時,可明顯降低橡膠制品的成本,提高經(jīng)濟效益。但是作為橡膠補強劑的高嶺土,其Mn的含量必須<0.007%～0.0045%,否則會加速橡膠的老化。此外,橡膠制品對高嶺土的吸附性、酸堿性及粒度也有一定的要求[7]。

　　4結語

　　綜上所述,高嶺土的改性是一項應用廣泛的精加工技術,隨著研究開發(fā)的不斷深入,市場的不斷開拓,新技術、新產(chǎn)品將不斷涌現(xiàn),推陳出新。相信改性高嶺土將有更多的品種、更好的使用性能與效果。

　　參考文獻:

　　[1]潘琳等1高嶺土改性的作用與功能.《國外金屬礦選礦》,1998(?？?:354～357.

　　[2]吳自強等.高嶺土晶體結構、性質(zhì)及在涂料工業(yè)中的應用.《中國涂料》,1995(6):45～16.

　　[3]Zhang,Yong.EffectofsiliconeoilonmechanicalpropertiesofhighlyfilledHDPEcomposites[J].Polymerandpolymercomposits,872000.45～46.

　　[4]CarpentierFabien(ENSCL),ect.Rheologicalinvestigationinfireretar-dancy:Applicationtoethylene-vinyl–acetatecopolymer-magne-siumhydroxide/zincborateformulation

　　[J].PolymerInternation-al,9102000.55～56.

　　[5]李寶智1高嶺土在聚乙烯

　　>農(nóng)用薄膜中的應用研究[M].《非金屬礦》,1999(4):23～24.

　　[6]李寶智.改性無機填料在橡膠制品中應用效果的研究[J].《中國非金屬礦工業(yè)導刊》,2000(6):14～15.

　　[7]鄭水林.粉體表面改性[M].建材工業(yè)出版社,1995:35～36.