微米和纳米科技材料

技术|一文了解纳米高岭土的特性、制备方法及应用现状!

纳米高岭土是通过插层、剥片及表面处理等工艺制备的高岭石晶片厚度在1-100nm范围内的粉体材料,其晶片厚度是指分散后相互分离的单个高岭石晶体薄片的厚度。

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1、纳米高岭土的特性

当高岭土的颗粒粒径达到纳米量级以后,会出现一些纳米微粒所特有的性质,具体如下:

(1)表面效应

纳米高岭土粉体由于颗粒非常细小,比表面积随之增大,颗粒表面的原子数也增多,由于原子配位的不足及高表面能,使这些原子具有高的活性,很容易与其他原子结合。

(2)小尺寸效应

由于超细晶粒尺寸使纳米高岭土粉体材料有相当大一部分原子处于纳米晶界之中。而纳米晶界具有既无长程有序又无短程有序的特性,原子排列呈随机性,原子在外力变形条件下容易迁移,因此表现出良好的韧性与一定的延展性。

同时小尺寸效应使纳米高岭土粉体的光吸收性显著增强,并产生吸收峰的等离子共振频移。纳米高岭土的独特性质使其具有广阔的应用前景。

根据高岭土的晶体结构和纳米颗粒所具有的特点,纳米级高岭土颗粒的最小尺度应建立在其片状结构不遭到破坏的基础上,只有这样颗粒才会兼具高岭土以及纳米颗粒的特性。

▽比利时矽比科纳米高岭土性能指标

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2、纳米高岭土的制备方法

(1)机械粉碎法

用各种超微粉碎机将原料直接研磨粉碎成超微粉。可采用干法研磨或者湿法研磨。与干法制备相比,湿法中的水可作为载体介质,所研磨制备的产品颗粒粒度较细、粒度分布较窄。

缺点:湿法制备的粉体需要进行后续干燥,且研磨后的颗粒有可能会在干燥过程中产生团聚,这就使得湿法研磨制备超细粉体的工艺流程较为复杂。

(2)分级法

高岭土颗粒的大小由沉降速度判断得出。此法的优点是可得到不同级配的高岭土颗粒。

缺点:这种方法只适用于粒度分布较广的颗粒(粒度小于2μm的产品在水中的悬浮性较好)。此法成本高,产出率很低,不适合在工业上应用。

(3)化学合成法

该法采用偏铝酸钠(铝土矿的碱溶出物)与酸性硅溶胶(泡花碱酸化脱钠产物)为原料通过一系列方法得到纳米级合成高岭土。其纯度高,悬浮稳定性、光散射性以及其他性能俱佳,但合成成本较高。

(4)插层法

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这是目前最有希望也是最有效的制备纳米高岭土的方法。插层法是指在不改变具有层片状主体结构特征的前提下,客体能够可逆地插入主体层片之间的缝隙中。某些有机小分子能够直接破坏高岭石层与层之间形成的氢键插入到高岭土的层间,撑大了高岭石层间距,使高岭石层与层产生剥离。

3、纳米高岭土的应用现状

高岭土纳米化之后,其应用领域和效果明显改善。纳米高岭土将纳米高岭土添加到冰箱、饮水机材料中,具有抗菌消毒作用;在陶瓷中添加纳米高岭土可使其强度提高50倍左右,可用于制造发动机零件;添加纳米高岭土的塑料,具有强度高,耐热性好,密度低等优良性能,其耐磨性是黄铜的27倍,钢铁的7倍,且具有阻燃自熄灭性。

(1)纳米高岭土在橡胶中的应用

纳米高岭土可用于各种橡胶制品,能显著提高其机械物理性能,同时降低其生产成本。特别是在弹性、抗屈挠、阻隔性能和扯断伸长率方面具有优势。

纳米高岭土在橡胶中呈平行定向排列,其边缘或端面与橡胶大分子在纳米尺度上牢固结合,从而可以提高橡胶的拉伸强度、伸长率和弹性,以及抗屈挠性能。良好的分散性能,使橡胶内部的应力均匀分布,极大地降低了高岭土与橡胶分子之间的脆弱面,从而使其具有良好的补强性能

(2)纳米高岭土在工程塑料中的应用

纳米高岭土在塑料中应用有着其它材料所不能替代的优势:

  • 具有成核剂和增强性能的作用;
  • 在薄膜中具有高的伸长率;
  • 在农用薄膜中可阻隔紫外线,具有保温功能;
  • 有高的热变形温度;
  • 赋予制品良好的光泽度;
  • 在绝缘薄膜中具有良好的绝缘性能。

纳米高岭土可用于聚丙烯、聚乙烯、尼龙等工程塑料中,可赋予塑料良好的耐热性和力学性能,可用作汽车零部件、储油罐、燃油管道系统、电子接插件、导管、电话机壳体、工具手柄、栏杆、调理器具手把、塑料管道。

由于其刚性高,因此可以制作薄壁复杂结构制品,减轻制品质量和降低成本。纳米高岭土还可赋予塑料制品良好的阻燃性能和阻隔性能。

(3)纳米高岭土在塑料薄膜中的应用

由于纳米高岭土具有良好的阻隔性能,因此可用于食品保鲜包装,延长食品保质期;用于农用薄膜中,不仅可以增加薄膜力学性能、降低生产成本,而且还不影响其透明度,其优良的紫外线阻隔性能有利于提高棚内温度;可用于包装印刷材料中,使其具有优异的力学性能和强度,并赋予良好的感官性能。

纳米高岭土在绝缘胶带薄膜中的应用实践表明,该产品比常规的填充料具有显著的增强性能,同时还赋予产品优良的绝缘性能和光泽度。

除上述应用外,纳米高岭土还能在橡胶、塑料复合材料、发泡聚苯乙烯、化纤、聚胺脂等材料中应用,能提高这些材料的多项性能。

总之,纳米高岭土在橡胶、塑料及其复合材料中应用,能提高这些材料的耐磨性、增强抗撕裂和挠曲强度等。此外,纳米高岭土用作填料时具有优良的红外线阻隔性能。

(4)纳米高岭土在涂料中的应用

纳米高岭土的表面效应。可以将其应用于涂料中,能改善涂料体系贮存的稳定性,改善涂料的涂刷性、抗吸潮性及抗冲击等性能,改善颜料的抗浮色和发花性。采用纳米高岭土作添加剂,有助于满足对涂料提出的日益严格的性能和耐久性方面的许多要求。

纳米高岭土由于颗粒细微,颗粒表面活性大,因此更容易均匀分散在涂料中,使其成为一个稳定均一的体系。从而可以使涂料的吸附性、稳定性。同时由于纳米高岭土的比表面积大使得处于表面态的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别,可能使纳米高岭土涂料具有一些特殊的光学效应。

纳米高岭土具有良好的分散性能,几乎可以与所有的涂料、原料相容。因为高岭土属于惰性原料,并具有弱酸性到中性的pH值,有助于通过阻止水分和化学品穿过漆膜而进行的攻击,从而使漆膜的抗腐蚀性能得以提高。

建筑用醇酸漆中加入纳米高岭土,取代原来的各色颜料,油漆的性能几乎未发生任何变化,而油漆成本却大大降低。

在一种工业用磁漆中,加入纳米高岭土,取代17%的酞箐绿颜料和14%的钛白,所得涂层具有高反射率和颜色强度,这是因为高岭土粒子改善了颜料粒子之间的间隔。由此可见,以纳米高岭土为基础的颜料具有在使性能得到改善,在不牺牲遮盖力、光泽度、硬度、柔韧性和其它性质的前提下,达到降低涂料生产成本的效果。

高固体聚酯烘漆中用纳米高岭土取代10%的钛白,经测试,发现它可起到了填料的作用,从而降低了成本,而且纳米高岭土还为这个反应性强的酸固化的体系增强了粘度稳定性、硬度和抗化学品性,使涂膜整体性也得到了改善。这是因为,所进行的表面处理使高岭土成为整体化的涂膜的一个组成部分,从而改善了涂膜的自身弱点。

(5)纳米高岭土在陶瓷材料中的应用

高岭土在陶瓷材料中的作用主要有2个方面:

①用作陶瓷的配料,是生产日用陶瓷、建筑卫生陶瓷、电瓷、无线电陶瓷、工业陶瓷、特种工业陶瓷及工艺美术瓷等的主要原料;

②在瓷坯成形过程中作为其它矿物配料(如石英、长石等)的粘结剂

纳米高岭土作为原料可以使陶瓷具有更为致密的结构,即具有高硬度。同时由于纳米材料晶界的特性以及其原子排列的随机性,会使添加纳米高岭土的陶瓷产品具有极大的韧性和良好的延展性。添加纳米高岭土的陶瓷产品就会表现出一些新的特性,如硬度高、不易破碎、易加工等。

(6)纳米高岭土在水泥材料中的应用

纳米高岭土在水泥基材料中的应用主要有两个方面:

①利用高岭土制备土聚水泥。土聚水泥是一种高性能的碱激活水泥,其既具有有机高分子、陶瓷、水泥的优良性能,又具有原材料来源广、工艺简单、节约能源和环境污染小等优点,因此近几年来其研究和开发进展很快。

②利用高岭土制备混凝土掺合料。近年来高活性偏高岭土作为一种新型混凝土矿物掺合料备受关注,它具有改善硬化混凝土的工作性和耐久性,减少水泥的自收缩等方面的作用。土聚水泥是一种不同于普通硅酸盐水泥的新型胶凝材料,它是以高岭土为原料,经较低温度(500-900℃)煅烧,使Al的配位数从六配位转化为四配位或五配位,高岭石结构转化为无定型结构的偏高岭土,有较高的火山灰活性。

(7)纳米高岭土在纳米反应器中的应用

纳米粒子生产中的一个关键问题是解决粒子的团聚问题,通常以加入表面活性剂来解决这一问题。

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近几年来,粘土夹层复合物的研究为纳米粒子的分散提供了一个新的思路。所谓纳米反应器,实际上是以粘土的片层为模板,作为纳米粒子生长的场所,既可以制备纳米粒子,又可以借助层状结构将纳米粒子隔离,避免产生团聚,纳米粒子的形成和生长都在粘土层间进行。

(8)纳米高岭土在农业中的应用

高岭土对氮、磷、钾和有机碳的吸附和解吸,可有效改善化肥的施用效果,改善生态环境。实验表明,在相同的处理方法中,纳米高岭土对磷、氮、钾的吸附量都较天然高岭土高出许多,在农业中具有广阔的应用前景。

纳米高岭土的应用除上述几方面外还有许多,例如:可利用纳米高岭土粉体对光的吸收显著增加这个特性制作消光材料、高效光热和光电转换材料、红外敏感元件以及红外隐身材料等。同时还可利用等离子共振频率随纳米颗粒尺寸变化的性质,改变颗粒尺寸,控制吸收边的位移,制造具有一定频宽的微波纳米吸收材料,用于电磁波屏蔽、隐形飞机等行业,更多纳米高岭土的新特性及其应用,还有待进一步研究。

4、展望

我国高岭土矿储量丰富、品质优良,但优质产品相当少,每年仍需从国外进口大量的优质高岭土。在国内对优质高岭土需求日益增长的情况下,提高国内高岭土产品的质量,加快高岭土深加工技术的发展就成了当务之急,高岭土的纳米化将未来研究和应用的重点方向之一。

部分来源:纳米高岭土的特性及应用,作者:唐志阳

编辑整理:粉体技术网

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