貴州大方縣百納村高嶺土的理化及工藝性能研究

沈宗洋 李月明 王竹梅 成 岳 劉 志 吳 芬

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西省先進(jìn)陶瓷材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西景德鎮(zhèn)333001)

0 引言

高嶺土是重要的非金屬礦產(chǎn)資源，在國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中應(yīng)用特別廣泛，涉及到陶瓷、造紙、涂料、塑料、紡織、耐火材料、化學(xué)化工及農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等很多領(lǐng)域。高嶺土具有色白、質(zhì)感滑膩柔軟、熔點(diǎn)高、電絕緣性能優(yōu)良、高抗酸性以及強(qiáng)離子吸附性等典型特征，隨著對(duì)高嶺土研究的深入，許多新的應(yīng)用也被開發(fā)出來，比如復(fù)合分子篩的合成、新型催化劑載體以及高吸水性復(fù)合樹脂的制備等[1-3]。

我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和利用高嶺土的國家，高嶺土資源儲(chǔ)量豐富、類型齊全。目前我國高嶺土的開采主要集中在粵、桂、贛、閩和蘇等地[4]。隨著高嶺土需求的不斷增加，以上各個(gè)省份的優(yōu)質(zhì)高嶺土資源越來越少，需要開發(fā)其他省份的高嶺土資源來彌補(bǔ)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求[5]。貴州省的高嶺土資源非常豐富，但其相關(guān)的開發(fā)利用幾乎還是空白，隨著把貴州建設(shè)成為工業(yè)強(qiáng)省戰(zhàn)略的提出，使得貴州高嶺土資源具有重要的開發(fā)利用價(jià)值。本文選擇貴州大方縣百納村高嶺土為對(duì)象，對(duì)其物理化學(xué)特性及工藝性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為該地區(qū)的高嶺土開發(fā)利用提供了可供參考的相關(guān)理化及工藝性能數(shù)據(jù)資料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

將礦山采取的高嶺土樣品球磨24小時(shí)并過80目篩后即可用于化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)分析、形貌表征及工藝性能測(cè)試。

1.1 化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)分析、形貌表征

采用Axios型X射線熒光光譜儀分析樣品的化學(xué)成分；采用德國BRUKER/AXS公司生產(chǎn)的D8Advance型X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行物相鑒定；差熱、熱重分析采用德國Netzsch公司的STA449C型綜合熱分析儀，升溫速率為10℃/min，測(cè)試溫度范圍為室溫～1200℃；采用日本電子公司生產(chǎn)的JSM-35CF型場發(fā)射掃描電子顯微鏡和JSM-2010型高分辨率透射電子顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察。

1.2 工藝性能分析

采用湘潭湘儀儀器有限公司生產(chǎn)的KS-B型微電腦可塑性測(cè)定儀對(duì)樣品進(jìn)行可塑性分析，測(cè)試8次，采用Q檢驗(yàn)法取舍后取平均值；采用鋇粘土法測(cè)定樣品的離子交換性；采用上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的WNE-1型恩氏粘度計(jì)進(jìn)行觸變性(流動(dòng)性)分析；利用可塑成型法將泥料壓制成圓餅，在120℃下恒溫干燥后測(cè)試其收縮率和干燥強(qiáng)度，測(cè)試其在300℃～1350℃燒成溫度范圍內(nèi)各測(cè)試溫度點(diǎn)的體積密度、吸水率、收縮率、氣孔率和白度等工藝性能參數(shù)。

表1 樣品的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Chemical composition analysis result of the samples

表2 高嶺土樣品的礦物組成及含量Tab.2 Mineral composition of the Kaolin samples

2 結(jié)果分析與討論

2.1 化學(xué)成分與物相分析

高嶺土樣品的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見表1。眾所周知，高嶺石的理論化學(xué)式為Al4(Si4O10)(OH)8，也可寫成Al2O3·2SiO2·2H2O，SiO2/Al2O3的摩爾比為2，理論化學(xué)組成如下：SiO2為46.54 wt%，Al2O3為39.5 wt%， H2O為13.96 wt%[6]。對(duì)比分析表1中的數(shù)據(jù)可知，該高嶺土樣品Al2O3含量較高，且高于SiO2的百分含量，超出了高嶺石的理論組成，計(jì)算所得SiO2和Al2O3的摩爾比值為1.62，比理論值2略小。另外，分析該高嶺土樣品的化學(xué)成分特征發(fā)現(xiàn)，除含有少量的CaO (1.58wt%)外，其它成分如Fe2O3，TiO2，K2O和Na2O的含量均非常低，說明該高嶺土的品質(zhì)相對(duì)較高，而其燒失量較大的原因可能是由于含有一定量的有機(jī)質(zhì)。

圖1為高嶺土樣品的XRD圖譜。由圖1分析可知：該樣品出現(xiàn)符合PDF卡片No.29-1487的多水高嶺石以及PDF卡片No.29-1497的綠脫石特征衍射峰，且多水高嶺石的特征衍射峰強(qiáng)度較高，說明該樣品的主要礦物為多水高嶺石，同時(shí)含有少量的綠脫石。結(jié)合化學(xué)成分分析結(jié)果，采用滿足法計(jì)算高嶺土樣品的礦物組成含量，計(jì)算結(jié)果見表2。

2.2 差熱、熱重分析

表3 高嶺土樣品的可塑度和可塑性指標(biāo)Tab.3 The plasticity and plasticity index of the kaolin samples

圖2為高嶺土樣品的差熱和熱重分析曲線，由圖2可以看出：（1）在110℃附近有一明顯的吸熱峰，同時(shí)伴有10.65%的失重，這是由于礦物中的多水高嶺石和綠脫石失去吸附水和層間水所致；（2）在270℃附近有一較小的吸熱峰，同時(shí)伴有3.56%的失重，這是由多水高嶺石繼續(xù)失去殘余層間水和綠脫石失去與交換陽離子鍵合的層間吸附自由水引起的；（3）在500℃左右有一個(gè)明顯的吸熱峰，同時(shí)伴有9.61%的失重，這是由于加熱過程中多水高嶺石與綠脫石快速失去結(jié)構(gòu)水，使晶格破壞，變成偏高嶺石，500℃后，殘余結(jié)構(gòu)水繼續(xù)排除，直至800℃；（4）繼續(xù)加熱至993℃左右，偏高嶺石轉(zhuǎn)化為2Al2O3·3SiO2尖晶石而產(chǎn)生的一個(gè)放熱峰[6,7]。

2.3 微觀形貌分析

圖3是高嶺土樣品的掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)照片，由TEM圖中可以清晰看到，構(gòu)成該高嶺土礦的礦物呈現(xiàn)六方管狀的晶體結(jié)構(gòu)，管直徑在十幾到幾十個(gè)納米不等，管長約為幾百納米，這是多水高嶺石的典型特征形貌。在SEM圖中可以觀察到六方管狀晶體無規(guī)律堆積成團(tuán)聚晶簇，團(tuán)聚顆粒大約在1～3μm之間，晶簇之間分散較好。

2.4 工藝性能分析

2.4.1 可塑性

高嶺土樣品的可塑度和可塑性指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。由表中數(shù)據(jù)可見，該高嶺土樣品的可塑度和可塑性指標(biāo)都較低，這是由于其含有的主要礦物為多水高嶺石，含量接近85wt%，該礦物呈管狀，定向沉積的特性較弱，活動(dòng)范圍稍微增大就會(huì)失去聯(lián)結(jié)，所以可塑性稍差。

2.4.2 離子交換性

采用鋇粘土法測(cè)定了該高嶺土樣品的離子交換容量值為48.9毫克當(dāng)量/100g。根據(jù)礦物組成分析可知，該樣品中主要含有多水高嶺石，多水高嶺石的離子交換容量范圍為20～40，但該高嶺土樣品的離子交換容量值超過了這個(gè)容量范圍，這是由于其含有少量的綠脫石(1.33wt%)，綠脫石屬于蒙脫石類，蒙脫石類礦物具有很強(qiáng)的離子交換能力(80～150)，從而增加了該高嶺土的陽離子交換容量[6,8]。

2.4.3 觸變性(流動(dòng)性)

該高嶺土樣品在含水率為47.1%的情況下，測(cè)得恩氏粘度為4.56，厚化度為4.789。由于該樣品的主要礦物組成為多水高嶺石，因而其流動(dòng)性和觸變性均較小。

2.4.4 干燥性能

利用可塑成型法將泥料壓制成圓餅，在120℃下恒溫干燥后測(cè)試其收縮率和干燥強(qiáng)度，測(cè)得其干燥收縮率和干燥強(qiáng)度分別為11.11%和2MPa，且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)干燥后大多數(shù)試樣已開裂。由此可見：該高嶺土樣品的干燥收縮率較大，說明其含水率較高，干燥后的強(qiáng)度較低，容易變形。這主要是由于該樣品中含有較高的炭狀有機(jī)物，這種有機(jī)物不能賦予坯體可塑性，但卻容易吸附水，因此，該高嶺土干燥收縮大，強(qiáng)度較低。

2.4.5 燒成性能

圖4和圖5為高嶺土樣品的體積密度和吸水率及收縮率和氣孔率隨燒成溫度的變化曲線。由兩圖可以看出，隨著燒成溫度的升高，高嶺土試樣的尺寸顯著收縮，吸水率明顯降低；溫度高于900℃后，試樣體積開始劇烈收縮，同時(shí)氣孔率隨著溫度的升高明顯減少；燒成溫度為1350℃，體積密度達(dá)到1.58 g/cm3，吸水率為30.51%，收縮率達(dá)到16.70%，氣孔率為38.28%。在升溫過程中，由于該高嶺土樣品存在較多的多水高嶺石失水以及有機(jī)質(zhì)燃燒，樣品表現(xiàn)出顯著的收縮并容易開裂。

上述分析表明，當(dāng)燒成溫度達(dá)到1350℃時(shí)，高嶺土還未完全燒結(jié)，可以確定該高嶺土樣品的燒結(jié)溫度高于1350℃。

通過測(cè)試高嶺土樣品在不同燒成溫度下的白度值發(fā)現(xiàn)，隨著燒成溫度的升高，高嶺土樣品的白度增加明顯，這是由于樣品中的有機(jī)質(zhì)迅速燃燒所致。另外，由于該高嶺土樣品中的Fe2O3(0.43wt%)含量較低，從而在1250℃燒成溫度下能夠獲得較高的白度，其值為70.8%。

3 結(jié)論

貴州畢節(jié)地區(qū)大方縣百納村高嶺土的主要礦物組成為多水高嶺石(84.77wt%)和綠脫石(1.33wt%)，具有典型的六方管狀結(jié)構(gòu)，管直徑在十幾到幾十個(gè)納米不等，管長約為幾百納米。該高嶺土可塑性較好，陽離子交換容量值很高，流動(dòng)性和觸變性小，干燥收縮大，干燥強(qiáng)度較低。由于該高嶺土樣品的Fe2O3(0.43wt%)含量低，從而具有較高的燒成白度，1250℃下燒成的白度達(dá)到70.8%。該高嶺土屬優(yōu)質(zhì)礦物資源，可廣泛用于相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

1李艷慧,趙謙,周旭平等.以高嶺土為原料的復(fù)合分子篩的水熱合成.硅酸鹽學(xué)報(bào),2010,38(12):2340～2345

2張恒,王敏,朱萬誠等.高嶺土負(fù)載SO42-/ZrO2-TiO2催化劑的制備及其在縮酮合成中的應(yīng)用.應(yīng)用化學(xué),2011,28(5): 608～610

3王瑞杰,楊連威.聚丙烯酸-高嶺土高吸水性樹脂的制備及對(duì)重金屬離子的吸附性研究.化工新型材料,2011,39(5):124～126

4程宏飛,劉欽甫,王陸軍等.我國高齡土的研究進(jìn)展.化工礦產(chǎn)地質(zhì),2008,30(2):125～128

5尤振根.國內(nèi)外高嶺土資源和市場現(xiàn)狀及展望.非金屬礦,2005, 28:1～8

6李家駒,繆松蘭,馬鐵成等.陶瓷工藝學(xué).北京:中國輕工業(yè)出版社,2010

7萬樸,周玉林,彭同江等.非金屬礦產(chǎn)物相及性能測(cè)試與研究.武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1992

8胡志強(qiáng).無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)教程.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005