1、納米高嶺土的定義

高嶺土（又稱(chēng)觀音土、白鱔泥、膨土巖、斑脫石、甘土、皂土、陶土、白泥）是一種以高嶺石族黏土礦物為主的非金屬礦產(chǎn)。其化學(xué)組成為Al4(Si4O10)(OH)8或是2SiO2·Al2O3·2H2O。純質(zhì)的高嶺土呈白色而細(xì)膩的軟泥狀，被譽(yù)為“萬(wàn)能石”。因江西景德鎮(zhèn)高嶺鎮(zhèn)盛產(chǎn)此物而得名。高嶺土用途十分廣泛，主要應(yīng)用于造紙、陶瓷和耐火材料，其次用于涂料、橡膠填料、搪瓷釉料和白水泥原料，也用于塑料、油漆、原料、砂輪、鉛筆、日用化妝品、肥皂、農(nóng)藥、醫(yī)藥、紡織、石油、化工、建材、國(guó)防等工業(yè)部門(mén)。

圖1：高嶺石晶體結(jié)構(gòu)

我國(guó)納米高嶺土礦產(chǎn)資源排名世界前列，已探明267處礦產(chǎn)地，探明儲(chǔ)量29.10億噸，其中非煤建造高嶺土資源儲(chǔ)量居世界第五位，已探明儲(chǔ)量14.68億噸。主要集中分布在廣東、陜西、福建、江西、湖南和江蘇，六省儲(chǔ)量占全國(guó)總儲(chǔ)量的84.55%。含煤建造高嶺土（高嶺巖）儲(chǔ)量占世界首位，探明儲(chǔ)量為14.42億噸，主要分布在山西大同、懷仁、朔州、內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾、烏達(dá)、安徽淮北、陜西韓城等地，其中以?xún)?nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田的資源最多。目前我國(guó)高嶺土產(chǎn)品種類(lèi)雖多，但優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品相當(dāng)少，每年仍需從國(guó)外進(jìn)口大量的優(yōu)質(zhì)高嶺土。提高國(guó)內(nèi)高嶺土產(chǎn)品的質(zhì)量，加快高嶺土深加工技術(shù)的發(fā)展就成了當(dāng)務(wù)之急。

圖2：高嶺土外形

根據(jù)納米材料的定義：至少有一維方向尺寸為1~100nm的材料即可稱(chēng)為納米材料。納米高嶺土是將高嶺土原礦用破碎機(jī)進(jìn)行粗、中碎以后，采用沖擊磨進(jìn)行一段超細(xì)粉碎，然后煅燒和氣流超細(xì)粉碎等工藝制成的粉末高嶺土。納米高嶺土具有較高的比表面積，優(yōu)異的懸浮性和分散性。

　　2.納米高嶺土的性質(zhì)

　　2.1

　　表面效應(yīng)

納米高嶺土顆粒的比表面積更大，顆粒表面的原子數(shù)增多、原子配位的不足及高表面能使得這些原子的活性很高，極易與其它原子結(jié)合。

　　2.2

　　小尺寸效應(yīng)

當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件遭到破壞。非晶態(tài)納米顆粒表面層附近的原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。納米粒子的這些小尺寸效應(yīng)為實(shí)用技術(shù)開(kāi)拓了新領(lǐng)域。

　　2.3

　　量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象、納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，能隙變寬現(xiàn)象。

　　2.4

　　宏觀量子隧道效應(yīng)

　　微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱(chēng)為隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對(duì)基礎(chǔ)研究及實(shí)用都有著重要的意義。

　　3.納米高嶺土的制備

　　3.1

　　機(jī)械粉碎法

機(jī)械粉碎法顧名思義就是用超微粉碎機(jī)將高嶺土直接研磨粉碎成超微粒。這種顆粒被強(qiáng)烈塑性變形，產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，顆粒內(nèi)產(chǎn)生大量的缺陷，顆粒非晶化。這樣顯著降低了元素的擴(kuò)散激活能，使得組元間在室溫下可以顯著進(jìn)行原子或離子擴(kuò)散。

　　3.2

　　分級(jí)法

分級(jí)法是指超細(xì)高嶺土在液體中沉降，根據(jù)斯托克定律，從微粒的沉降速度可判斷出某一沉降范圍內(nèi)微粒的大小，從而可以判斷出顆粒的細(xì)度，可得到納米級(jí)高嶺土。此法成本高，產(chǎn)率低，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

　　3.3

　　化學(xué)合成法

化學(xué)合成法是采用偏鋁酸鈉與酸性硅溶膠為原料通過(guò)一系列方法得到納米級(jí)高嶺土。這種方法得到的納米高嶺土純度高，懸浮穩(wěn)定性、光散射性以及其它特性都很好，但是成本較高。

　　3.4

　　插層法

插層法包括蒸發(fā)溶劑插層、液相插層法、機(jī)械力化學(xué)插層法等，是指在不改變具有層片狀主體結(jié)構(gòu)特征的前提下，客體能夠可逆的插入主體層片之間的縫隙中。某些有機(jī)小分子能夠直接破壞高嶺石層與層之間形成的氫鍵，插入到高嶺土的層間，撐大了高嶺石層間距，使高嶺石層與層之間產(chǎn)生剝離。這是目前最有希望也最有效地制備納米級(jí)高嶺土的方法。不過(guò)影響插層的因素有很多，包括有機(jī)物本身的特性、含水量、pH值、溫度、壓力以及高嶺土的粒徑大小、結(jié)晶程度等。

　　4.納米高嶺土的改性

由于納米高嶺土具有很高的表面活性而容易團(tuán)聚，分散性差，這是納米黏土在制備、加工及應(yīng)用中都存在的一個(gè)比較棘手的問(wèn)題。為了避免納米微粒的團(tuán)聚，對(duì)微粒進(jìn)行表面改性，使其穩(wěn)定，不再發(fā)生團(tuán)聚。

以螯合型鈦酸酯類(lèi)偶聯(lián)劑改性高嶺土為例，介紹高嶺土改性的制備過(guò)程及結(jié)果分析。制備方法：稱(chēng)取一定量的高嶺土漿料，加熱至一定溫度，邊攪拌邊加入改性劑，反應(yīng)一定時(shí)間，抽濾，產(chǎn)物置于110℃烘箱干燥，然后在粉碎機(jī)中打散，即可得到改性的納米高嶺土。

對(duì)改性前后的納米高嶺土樣品進(jìn)行紅外光譜分析，并進(jìn)行沉降體積、容重、白度及紅外輻射性能等一系列測(cè)試。結(jié)果表明納米高嶺土經(jīng)過(guò)改性處理后，與偶聯(lián)劑發(fā)生相互作用，表面呈現(xiàn)親有機(jī)性，在液體石蠟中的分散性和穩(wěn)定性得到明顯改善，具有較好的沉降性能，沉降速度下降。顆粒之間的團(tuán)聚減少，容重為改性前高嶺土的一半左右，且白度提高將近5%。另外，在常溫下，納米高嶺土還有優(yōu)良的紅外輻射性能，在遠(yuǎn)紅外纖維及建筑涂料等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

　　5.納米高嶺土的應(yīng)用

　　5.1

　　納米高嶺土在橡膠制品中的應(yīng)用

納米高嶺土可用于各種橡膠制品，顯著提高其機(jī)械物理性能，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。特別是在彈性、抗屈撓性、阻隔性能和扯斷伸長(zhǎng)率方面具有優(yōu)勢(shì)。在順丁橡膠、三元乙丙橡膠、天然橡膠和丁腈橡膠中優(yōu)于白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能，在丁苯橡膠中接近于白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)性能。適合在輪胎胎側(cè)膠、內(nèi)胎、高爾夫球橡膠、膠絲、丁腈密封橡膠、鞋底橡膠、膠輥、膠棒、輸送橡膠等產(chǎn)品中應(yīng)用。

圖3 ：橡膠輪胎

　　5.2

　　納米高嶺土在混凝土中的應(yīng)用

隨著使用年限的增加，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生鋼筋銹蝕現(xiàn)象，銹蝕后鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能發(fā)生改變，導(dǎo)致鋼筋不能充分發(fā)揮作用，從而影響結(jié)構(gòu)的安全性及使用性能。納米高嶺土是一種特殊的納米材料，能夠有效降低混凝土材料的滲透性，提高其力學(xué)性能和電阻率，有效填充了混凝土基體內(nèi)部的微小孔洞，增加了基體的密實(shí)性，阻礙氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而延緩對(duì)鋼筋的腐蝕。

　　5.3

　　納米高嶺土在陶瓷方面的應(yīng)用

納米高嶺土在制瓷中的作用主要有兩個(gè)方面：一是作制瓷的配料，是日用陶瓷、建筑衛(wèi)生陶瓷、電瓷、無(wú)線電瓷、工業(yè)陶瓷、特種工業(yè)陶瓷及工藝美術(shù)瓷等的主要原料；其二是在瓷坯成型過(guò)程中作為其它礦物質(zhì)配料的粘結(jié)劑。納米高嶺土作為原料可以使陶瓷具有更為致密的結(jié)構(gòu)，即具有高硬度。同時(shí)由于納米晶界的特性以及其原子排列的隨機(jī)性，會(huì)使納米高嶺土陶瓷產(chǎn)品具有極大的韌性和好的延展性。

圖4：添加了高嶺土的瓷器

　　5.4

　　納米高嶺土在涂料中的應(yīng)用

納米高嶺土的表面效應(yīng)可以將其應(yīng)用于涂料中，能改善涂料體系貯存的穩(wěn)定性，改善涂料的涂刷性、抗吸潮性及抗沖擊性等性能，改善顏料的抗浮色和發(fā)花性。采用納米高嶺土作添加劑，有助于滿(mǎn)足對(duì)涂料提出的日益嚴(yán)格的性能和耐久性方面的許多要求。納米高嶺土由于顆粒細(xì)微，顆粒表面活性大，所以更容易均勻分散在涂料中，使其成為一個(gè)穩(wěn)定均一的體系。從而可以使涂料的吸附性、穩(wěn)定性、耐臟性、耐褪色性加強(qiáng)。

　　5.5

　　納米高嶺土在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

目前，我國(guó)在肥料的施用上存在一些難題，例如肥料的利用率較低，導(dǎo)致化肥的施用量增加，過(guò)多的施用化肥對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染。而高嶺土對(duì)氮、磷、鉀和有機(jī)碳的吸附和解吸，可以有效改善化肥的施用效益，降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染。研究表明，在相同的處理中，納米高嶺土對(duì)氮、磷、鉀的吸附量都比天然高嶺土高出許多，在農(nóng)業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖5：農(nóng)業(yè)中也可以應(yīng)用高嶺土

納米高嶺土的用途多種多樣，還有例如：納米高嶺土粉體對(duì)光的吸收顯著增加，可以用于制作消光材料、高效光熱和光電轉(zhuǎn)換材料、紅外敏感元件以及紅外隱身材料等。還可以利用等離子共振頻率隨納米顆粒尺寸變化的性質(zhì)，改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，制造具有一定頻寬的微波納米吸收材料，用于電磁波屏蔽、隱形飛機(jī)等行業(yè)，隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，它的應(yīng)用范圍會(huì)越來(lái)越廣泛。

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