高嶺土粉體表面改性技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其應用概況

研究、開發(fā)不同的高嶺土表面改性方法，使其適應在不同行業(yè)中的應用要求，是擴大高嶺土應用范圍及改善其應用效果的重要手段。

高嶺土作為無機礦物填料具有廣泛的應用，但是由于高嶺土礦物的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)如表面能、表面積、表面形態(tài)等；化學性質(zhì)如表面官能團、晶體結(jié)構(gòu)等）有很大差別，使得高嶺土的應用范圍具有局限性。因此研究、開發(fā)不同的高嶺土表面改性方法，使其適應在不同行業(yè)中的應用要求，是擴大高嶺土應用范圍及改善其應用效果的重要手段。

1.高嶺土表面改性目的

高嶺石晶體結(jié)構(gòu)

高嶺土表面改性的目的主要是改變高嶺土表面的極性，使其由親水性變?yōu)槭杷?，改善其與非極性聚合物之間的相容性。高嶺土表面的結(jié)構(gòu)官能團有：-Si(Al)-OH，-Si-O-Al-和-Si(Al)-O，這些活性點是對高嶺土進行表面改性的基礎(chǔ)。

2.高嶺土表面改性方法

煅燒法

煅燒使高嶺土脫去水和揮發(fā)性物質(zhì)，其目的在于提高高嶺土的純度、白度、改變其表面、晶體結(jié)構(gòu)及加工性能等。煅燒改性高嶺土適宜用于涂料、油漆、電纜等的填料。

高嶺土在不同溫度下煅燒，其變化方程式如下所示：

偶聯(lián)劑處理法

偶聯(lián)劑處理是利用高嶺土表面的活性基團與偶聯(lián)劑間的相互作用，從而達到改變高嶺土表面性質(zhì)的目的。偶聯(lián)劑的使用方法主要有整體摻和法和預處理法兩種。其中，預處理法根據(jù)處理過程中偶聯(lián)劑和無機填料混合的方式又可分為干法和濕法。

干法處理改性是在一定溫度條件下，將高嶺土粉料置于高速攪拌的混合容器中，將溶有偶聯(lián)劑的溶劑慢慢加入，攪拌一段時間后就可制得改性高嶺土填料，此方法簡單靈活，且完全省去了脫水和干燥過程，常作為普遍的改性方法。

濕法偶聯(lián)劑處理改性高嶺土，是在一定溫度條件下將高嶺土粉料浸入溶有偶聯(lián)劑的溶液中相互作用一段時間，然后使高嶺土粉與溶劑分離，再將粉料進行干燥處理。

濕法表面改性工藝

表面包覆改性法

表面包覆改性法是一種較早使用的傳統(tǒng)改性方法，它是將高聚物等通過物理吸附或化學吸附的形式“包覆”在粉體表面而達到表面改性的方法。該法簡便、實用性強，對一些使用要求不高的高嶺土產(chǎn)品常采用此法改性，如硬脂酸包膜高嶺土粉作普通橡膠填料等。

表面反應法

表面反應法可以直接對高嶺土進行表面改性，也可通過表面反應先形成可交換離子，然后進行離子交換。表面改性在降低表面能的同時改善了高嶺土的親油性和反應性，從而達到了改性的目的?？筛鶕?jù)需要選擇不同的改性條件，以達到不同的改性目的。在制造精細化、專用化產(chǎn)品方面，這種方法具有很大的優(yōu)勢，是高嶺土深加工的一個主要方面。

插層法改性

插層改性方法是利用層狀結(jié)構(gòu)粉體顆粒晶體層間較弱的結(jié)合力或者層間含有可交換的陽離子等特性，采用化學反應或離子交換等方法改變粉體的層間和界面性質(zhì)。高嶺土不可進行陽離子交換，但高嶺土層間存在易形成氫鍵的-OH和Si-O鍵，層間距較小，只允許部分極性小分子（如HC-ONH2、CH3CONH2等）通過，可以將這些極性小分子插入高嶺土層間并破壞其氫鍵，撐大層間距，使層間的親水性變?yōu)槭杷?，有利于其它有機物大分子通過置換過程進入，使得高嶺土以納米尺度的剝離狀態(tài)分散到各種基體中。

機械力化學法改性

機械力化學改性法實質(zhì)上是借助機械能激活顆粒和表面改性劑發(fā)生作用，達到將機械能轉(zhuǎn)化為化學能的目的，可通過強機械力攪拌、沖擊、研磨等方法實現(xiàn)。機械力化學改性法采用不同的機器以及改性工藝，則粉體的改性效果也不同。

除了上述方法外，高嶺土表面改性方法還有表面接枝、粒子表面離子交換、等離子體改性和輻照改性、堿處理、凝聚共沉法等。對其表征，到目前為止，國內(nèi)還沒有制定出一套統(tǒng)一的鑒定標準。目前使用較為普遍的高嶺土改性效果表征方法有沉浮法與活化指數(shù)法、有效活化指數(shù)法、濁度法、表面潤濕法、吸附性法、材料性能測定法、核磁共振、差熱分析、紅外光譜等。

3.改性高嶺土的應用

目前，全球高嶺土約45%用于造紙領(lǐng)域，約16%用于耐火材料，約15%用于陶瓷領(lǐng)域，玻璃纖維和水泥制備領(lǐng)域各占約6%。

高嶺土應用領(lǐng)域

隨著改性技術(shù)和納米技術(shù)的出現(xiàn)及發(fā)展，改性高嶺土和納米高嶺土展現(xiàn)出了更加優(yōu)異的性能，極大地拓展和延伸了高嶺土的應用領(lǐng)域，如醫(yī)藥、化工和國防等領(lǐng)域。

在涂料中的應用。煅燒高嶺土是近年來發(fā)展起來的一種新型功能型填料，它作為涂料的填料不僅具有較高的白度和不透明性，能在高聚物中提供較好的穩(wěn)定性和色澤，而且軟而耐磨，有較好的遮蓋力，并有不收縮、抗磨蝕等特性。

在塑料中的應用。改性煅燒高嶺土應用在塑料制品中，可提高其產(chǎn)品沖擊強度、穩(wěn)定性和熱變形溫度等，同時可增加填料量降低成本。在熱塑性塑料中，改性高嶺土對于提高塑料的玻璃化溫度、抗張強度和模量特別有效；在熱固性塑料中，改性高嶺土具有增強塑料及預防模壓表面的纖維“起霜”及纖維表露的作用。

在環(huán)保領(lǐng)域的應用。改性可使高嶺土獲得更大的比表面積，增強其吸附性能，使其在污水處理等環(huán)保領(lǐng)域具有更好的應用性能。

在陶瓷領(lǐng)域的應用。改性高嶺土優(yōu)良的吸附性能還被制成功能陶瓷用于微生物滅菌，同時通過改性可使高嶺土獲得殺菌性能。

在二次資源利用領(lǐng)域的應用。改性高嶺土還被用于二次資源利用領(lǐng)域，用于回收金屬離子。

在橡膠和建材領(lǐng)域的應用。經(jīng)過煅燒改性的高嶺土可增強絕緣性、穩(wěn)定性和耐腐蝕性，其優(yōu)異的性能使其成為一種成本較低的高效填料。作為橡膠補強劑的高嶺土，其Mn的含量必須小于0.007%～0.0045%，否則會加速橡膠的老化。經(jīng)過多年的研發(fā)，高嶺土表面改性已取得了豐碩的成果，特別是在用偶聯(lián)劑表面改性高嶺土補強橡膠方面成果尤為顯著。

結(jié)語

目前，我國生產(chǎn)的高嶺土產(chǎn)品質(zhì)量較低，優(yōu)質(zhì)高嶺土依賴進口，優(yōu)化及創(chuàng)新高嶺土表面改性及提純工藝至關(guān)重要。改性高嶺土也已經(jīng)不僅僅局限于作為橡膠、塑料等行業(yè)的填料，它的應用范圍已經(jīng)逐步拓展、深入到醫(yī)藥、環(huán)保、國防等領(lǐng)域。隨著研究的繼續(xù)深入，期待新的應用領(lǐng)域的出現(xiàn)。