我國是全世界利用高嶺土資源最早的國家,主要的生產省份有江蘇、江西、浙江、福建、湖南、廣東、廣西等地。高嶺土在日常生活與國民經濟中的應用十分廣泛,現已用于油漆、涂料、造紙、橡膠、塑料、陶瓷、電纜、水泥、汽車、紡織、環保、化學、農業、耐火材料等諸多行業。目前國內對高嶺土的研究以對其性質的深層次認識為主,并不斷拓寬其在更多領域中的應用。另外,從80 年代開始,我國高嶺土產品由初加工向精加工、由普通產品向新科技產品得到進一步發展。
國際高嶺土市場比較分散,一般情況下,經濟發達的國家,高嶺土用量比較大。據統計,近年來高嶺土在日本需求量為130 萬t/a,加拿大70 萬t/a,東南亞國家85 萬t/a。全球高嶺土產地主要在美國、英國、巴西、澳大利亞、捷克等國,產量基本穩定在4000 萬t 左右。由于高嶺土的片狀結構,可以保證紙張的平滑度、光澤等達到質量指標,所以高嶺土是造紙工業的主要顏料之一。高嶺土屬于不可再生資源,加上其應用領域的不斷擴展,當前世界上用于造紙涂料的高嶺土資源非常緊缺,價格也隨之提高。
通常,高嶺土礦物的形成過程和加工過程均存在著很大差別,這使其表面性質(包括物理性質與化學性質)大不相同,其應用范圍縮小。因此,要使高嶺土適應各種行業的需求,就要開發出多種不同的表面改性方法,拓寬其應用領域和范圍。近來高嶺土的改性與綜合利用,成果顯著、發展飛速,年用量以較大幅度增長。
1 高嶺土的改性
(1)煅燒法改性
高嶺土經過煅燒過程脫去水分以及其他易揮發物質,由此達到純度、白度、表面性能、加工性能、晶體結構等方面均有所改善的目的。高嶺土煅燒后密度變小、白度增高、比表面積變大、吸油性能增強,另外,其覆蓋性、抗磨性、絕緣性及熱穩定性都得到相應的提高。
(2)偶聯劑改性
偶聯劑可與高嶺土表面上的活性基團發生相互作用,從而改變高嶺土的某些性能。其方法主要有濕法處理和干法處理兩種。濕法處理,在偶聯劑溶液中加入高嶺土粉末,一定溫度下粉末將與溶劑發生分離, 再將粉末進行干燥處理;干法處理,在高速混合攪拌器中加入高嶺土粉末,一定溫度下攪拌混合并烘干,接著緩慢加入偶聯劑與助劑,并繼續攪拌混合一段時間,便可得到改性后的高嶺土粉料。
濕法與干法相較,濕法雖然可使物料混合更加均勻,但是其溶劑用量較大、工藝工程繁雜、加工成本偏高,現已很少為工業所利用。目前應用的偶聯劑種類非常多,如鋯類、硅烷類、鈦酸酯類、鋁鈦復合型、胺和脂肪酸表面活性劑類等。
(3)包膜法改性
包膜法是將有機物或無機物覆蓋于高嶺土粉粒表面,從而達到提高高嶺土性能的方法。這種方法方便簡潔、更具有實用性價值,通常可以用來處理一些對高嶺土本身要求不高的產品。
(4)化學接枝改性
化學接枝,在一定條件下,高嶺土表面的活性氫氧基可形成化學鍵或被基團取代,從而使高嶺土的表面改性。通過選取適當的接枝體與改性條件,便可以達到所需要的改性目的。改性后高嶺土的性能明顯有所提高,在精細化專用化產品的生產加工方面,化學接枝法優勢非常大,通常被應用于高嶺土深加工和新產品開發的研究領域。
2 改性后高嶺土的應用
(1)改性高嶺土在涂料中的應用
高嶺土由于其色白、價廉、流動性良好、化學性質穩定、表面陽離子交換量大,因此很早就被用作為涂料和油漆的填料。用于涂料的高嶺土一般有水洗超細高嶺土和煅燒超細高嶺土兩類。其中煅燒高嶺土是最近幾年剛剛研究開發出來的,其作為一種新的功能型添加料,具有良好的白度、覆蓋性、柔軟度、耐磨性、不透明性、不收縮性等,并在高聚合物中使涂料保持很好的色澤和穩定性[9]。高嶺土本身為白色,用作添加料并沒有覆蓋性,但是如果適量地添加到白色涂料或油漆中,便可以起到增強光澤的作用,提高其覆蓋能力。
(2)改性高嶺土在塑料中的應用
高嶺土在塑料中作為填料,能夠代替PP、PVC、尼龍、聚酯、酚醛樹脂中的重質CaCO3。這些塑料可用于加工生產地板、水管等塑料制品[10]。在塑料制品中應用改性煅燒高嶺土,可使其表面光滑,提高其尺寸精度、變形溫度、抗沖擊強度、耐化學腐蝕性等,并可增加填加量,降低成本[11]。特別是在加工生產強絕緣性電纜塑料制品時,高嶺土的添加可提高電阻率,使其性能遠高于其它無機物填料。
(3)改性高嶺土在橡膠中的應用
一般通過增強橡膠原料中配合劑的分散度與交聯度,來改善橡膠原料的品質和性能,通常影響其制品力學性能的主要因素是填料的結構、粒度、粒度分布、物理化學性質等。利用一定的偶聯劑和適當的加工工藝將無機填料改性后,使膠料的表面能有所降低,而交聯度和分散度則有所增強。在橡膠中加入高嶺土粉末,可生成有機高聚物與無機物的復合物材料,使其產品的物理化學性能均得到改善,同時可大大降低成本,提升產品級別,提高經濟效益。
國際高嶺土市場比較分散,一般情況下,經濟發達的國家,高嶺土用量比較大。據統計,近年來高嶺土在日本需求量為130 萬t/a,加拿大70 萬t/a,東南亞國家85 萬t/a。全球高嶺土產地主要在美國、英國、巴西、澳大利亞、捷克等國,產量基本穩定在4000 萬t 左右。由于高嶺土的片狀結構,可以保證紙張的平滑度、光澤等達到質量指標,所以高嶺土是造紙工業的主要顏料之一。高嶺土屬于不可再生資源,加上其應用領域的不斷擴展,當前世界上用于造紙涂料的高嶺土資源非常緊缺,價格也隨之提高。
通常,高嶺土礦物的形成過程和加工過程均存在著很大差別,這使其表面性質(包括物理性質與化學性質)大不相同,其應用范圍縮小。因此,要使高嶺土適應各種行業的需求,就要開發出多種不同的表面改性方法,拓寬其應用領域和范圍。近來高嶺土的改性與綜合利用,成果顯著、發展飛速,年用量以較大幅度增長。
1 高嶺土的改性
(1)煅燒法改性
高嶺土經過煅燒過程脫去水分以及其他易揮發物質,由此達到純度、白度、表面性能、加工性能、晶體結構等方面均有所改善的目的。高嶺土煅燒后密度變小、白度增高、比表面積變大、吸油性能增強,另外,其覆蓋性、抗磨性、絕緣性及熱穩定性都得到相應的提高。
(2)偶聯劑改性
偶聯劑可與高嶺土表面上的活性基團發生相互作用,從而改變高嶺土的某些性能。其方法主要有濕法處理和干法處理兩種。濕法處理,在偶聯劑溶液中加入高嶺土粉末,一定溫度下粉末將與溶劑發生分離, 再將粉末進行干燥處理;干法處理,在高速混合攪拌器中加入高嶺土粉末,一定溫度下攪拌混合并烘干,接著緩慢加入偶聯劑與助劑,并繼續攪拌混合一段時間,便可得到改性后的高嶺土粉料。
濕法與干法相較,濕法雖然可使物料混合更加均勻,但是其溶劑用量較大、工藝工程繁雜、加工成本偏高,現已很少為工業所利用。目前應用的偶聯劑種類非常多,如鋯類、硅烷類、鈦酸酯類、鋁鈦復合型、胺和脂肪酸表面活性劑類等。
(3)包膜法改性
包膜法是將有機物或無機物覆蓋于高嶺土粉粒表面,從而達到提高高嶺土性能的方法。這種方法方便簡潔、更具有實用性價值,通常可以用來處理一些對高嶺土本身要求不高的產品。
(4)化學接枝改性
化學接枝,在一定條件下,高嶺土表面的活性氫氧基可形成化學鍵或被基團取代,從而使高嶺土的表面改性。通過選取適當的接枝體與改性條件,便可以達到所需要的改性目的。改性后高嶺土的性能明顯有所提高,在精細化專用化產品的生產加工方面,化學接枝法優勢非常大,通常被應用于高嶺土深加工和新產品開發的研究領域。
2 改性后高嶺土的應用
(1)改性高嶺土在涂料中的應用
高嶺土由于其色白、價廉、流動性良好、化學性質穩定、表面陽離子交換量大,因此很早就被用作為涂料和油漆的填料。用于涂料的高嶺土一般有水洗超細高嶺土和煅燒超細高嶺土兩類。其中煅燒高嶺土是最近幾年剛剛研究開發出來的,其作為一種新的功能型添加料,具有良好的白度、覆蓋性、柔軟度、耐磨性、不透明性、不收縮性等,并在高聚合物中使涂料保持很好的色澤和穩定性[9]。高嶺土本身為白色,用作添加料并沒有覆蓋性,但是如果適量地添加到白色涂料或油漆中,便可以起到增強光澤的作用,提高其覆蓋能力。
(2)改性高嶺土在塑料中的應用
高嶺土在塑料中作為填料,能夠代替PP、PVC、尼龍、聚酯、酚醛樹脂中的重質CaCO3。這些塑料可用于加工生產地板、水管等塑料制品[10]。在塑料制品中應用改性煅燒高嶺土,可使其表面光滑,提高其尺寸精度、變形溫度、抗沖擊強度、耐化學腐蝕性等,并可增加填加量,降低成本[11]。特別是在加工生產強絕緣性電纜塑料制品時,高嶺土的添加可提高電阻率,使其性能遠高于其它無機物填料。
(3)改性高嶺土在橡膠中的應用
一般通過增強橡膠原料中配合劑的分散度與交聯度,來改善橡膠原料的品質和性能,通常影響其制品力學性能的主要因素是填料的結構、粒度、粒度分布、物理化學性質等。利用一定的偶聯劑和適當的加工工藝將無機填料改性后,使膠料的表面能有所降低,而交聯度和分散度則有所增強。在橡膠中加入高嶺土粉末,可生成有機高聚物與無機物的復合物材料,使其產品的物理化學性能均得到改善,同時可大大降低成本,提升產品級別,提高經濟效益。
















