高岭土的性质特征及在涂料中的作用

发布: 2009-8-13 07:28 | 作者: xfhandsome | 来源: 万客化工在线

李煜 (2009-8-13 14:59:46)质纯的高岭土具有白度高、质软、易分散悬浮于水中、良好的可塑性和高的粘结性、优良的电绝缘性能；具有良好的抗酸溶性、很低的阳离子交换量、较好的耐火性等理化性质。因此高岭土已成为造纸、陶瓷、橡胶、化工、涂料、医药和国防等几十个行业所必需的矿物原料。有报道称，日本还有将高岭土用于代替钢铁制造切削刀具、车床钻头和内燃机外壳等方面应用。特别是最近几年，现代科学技术飞速发展，使得高岭土的应用领域更加广泛，一些高新技术领域开始大量运用高岭土作为新材料，甚至原子反应堆、航天飞机和宇宙飞船的耐高温瓷器部件，也用高岭土制成。
　　目前，全球高岭土总产量约为4000万吨(该数据属于简单的国与国产量的相加，其中没有统计原矿的贸易量，包含较多的重复计算)，其中精制土约为2350万吨。造纸工业是精制高岭土最大的消费部门，约占高岭土总消费量的60%。据加拿大Temanex咨询公司提供的数据，2000年全球纸和纸板总产量约为31900万吨，全球造纸涂料用高岭土总用量为约1360万吨。
　　高岭土在造纸工业的应用十分广泛。主要有两个领域，一个是在造纸(或称抄纸)过程中使用的填料，另一个是在表面涂布过程中使用的颜料。对于一般文化纸，填料量占纸重量的10-20%。对于涂布纸和纸板(主要包括轻量涂布纸、铜版纸和涂布纸板)，除了需要填料外，还需要颜料，填、颜料用的高岭土所占比重为纸重的20-35%。高岭土应用于造纸，能够给予纸张良好的覆盖性能和良好的涂布光泽性能，还能增加纸张的白度、不透明度，光滑度及印刷适性，极大改善纸张的质量。


高龄土的工艺特性
          旭日芳华
        
        1．白度和亮度   
        白度是高岭土工艺性能的主要参数之一，纯度高的高岭土为白色。高岭土白度分自然白度和煅烧后的白度。对陶瓷原料来说，煅烧后的白度更为重要，煅烧白度越高则质量越好。陶瓷工艺规定烘干105℃为自然白度的分级标准，煅烧1300℃为煅烧白度的分级标准。白度可用白度计测定。白度计是测量对3800—7000 ?波长光的反射率的装置。在白度计中，将待测样与标准样(如BaSO4、MgO等)的反射率进行对比，即白度值(如白度90即表示相当于标准样反射率的90%)。   
        亮度是与白度类似的工艺性质，相当于4570 ?波长光照射下的白度。   
        高岭土的颜色主要与其所含的金属氧化物或有机质有关。一般含Fe2O3呈玫瑰红、褐黄色；含Fe2+呈淡蓝、淡绿色；含MnO2呈淡褐色；含有机质则呈淡黄、灰、青、黑等色。这些杂质存在，降低了高岭土的自然白度，其中铁、钛矿物还会影响煅烧白度，使瓷器出现色斑或熔疤。
   
        2．粒度分布   
        粒度分布是指天然高岭土中的颗粒，在给定的连续的不同粒级(以毫米或微米筛孔的网目表示)范围内所占的比例(以百分含量表示)。高岭土的粒度分布特征对矿石的可选性及工艺应用具有重要意义，其颗粒大小，对其可塑性、泥浆粘度、离子交换量、成型性能、干燥性能、烧成性能均有很大影响。高岭土矿都需要进行技术加工处理，是否易于加工到工艺所要求的细度，已成为评价矿石质量的标准之一。各工业部门对不同用途的高岭土都有具体的粒度和细度要求。如美国对用作涂料的高岭土要求小于2μm的含量占90—95%，造纸填料小于2μm的占78—80%。
   
        3．可塑性
   
        高岭土与水结合形成的泥料，在外力作用下能够变形，外力除去后，仍能保持这种形变的性质即为可塑性。可塑性是高岭土在陶瓷坯体中成型工艺的基础，也是主要的工艺技术指标。通常用可塑性指数和可塑性指标来表示可塑性的大小。可塑性指数是指高岭土泥料的液限含水率减去塑限含水率，以百分数表示，即W塑性指数=100(W液性限度-W塑性限度)。可塑性指标代表高岭土泥料的成型性能，用可塑仪直接测定泥球受压破碎时的荷重及变形大小可得，以kg·cm表示，往往可塑性指标越高，其成型性能越好。高岭土的可塑性可分为四级。   
        可塑性强度可塑性指数可塑性指标   
        强可塑性>153.6   
        中可塑性7—152.5—3.6   
        弱可塑性1—7<2.5   
        非可塑性<1
   
        4．结合性   
        结合性指高岭土与非塑性原料相结合形成可塑性泥团并具有一定干燥强度的性能。结合能力的测定，是在高岭土中加入标准石英砂(其质量组成0.25—0.15粒级占70%，0.15—0.09mm粒级占30%)。以其仍能保持可塑泥团时的最高含砂量及干燥后的抗折强度来判断其高低，掺入的砂越多，则说明这种高岭土结合能力就越强。通常凡可塑性强的高岭土结合能力也强。
   
        5．粘性和触变性   
        粘性是指流体内部由于内摩擦作用而阻碍其相对流动的一种特征，以粘度来表示其大小(作用于1单位面积的内摩擦力)，单位是Pa·s。粘度的测定，一般采用旋转粘度计，以在含70%固含量的高岭土泥浆中的转速来衡量。在生产工艺中，粘度具有重要意义，它不仅是陶瓷工业的重要参数，对造纸工业影响也很大。据资料表明，国外用高岭土作涂料，在低速涂布时要求粘度约0.5Pa·s，高速涂布时要求小于1.5Pa·s。   
        触变性指已经稠化成凝胶状不再流动的泥浆受力后变为流体，静止后又逐渐稠化成原状的特性。以厚化系数表示其大小，采用流出粘度计和毛细管粘度计测定。   
        粘性和触变性与泥浆中矿物成分，粒度及阳离子类型有关，一般，蒙脱石含量多的，颗粒细的，交换性阳离子以钠为主的，其粘度和厚化系数高。因此工艺上常用添加可塑性强的粘土、提高细度等方法提高其粘性和触变性，用增加稀释电解质和水分等方法降低之。
   
        6．干燥性能   
        干燥性能指高岭土泥料在干燥过程中的性能。包括干燥收缩、干燥强度和干燥灵敏度等。   
        干燥收缩指高岭土泥料在失水干燥后产生的收缩。高岭土泥料一般在40—60℃至多不超过110℃温度下就发生脱水而干燥，因水分排出，颗粒距离缩短，试样的长度和体积就要发生收缩。干燥收缩分线收缩和体收缩，以高岭土泥料干燥至恒重后长度及体积变化的百分数表示。高岭土的干燥线收缩一般在3—10%。粒度越细，比表面积越大，可塑性越好，干燥收缩越大。同一类型的高岭土，因掺合水的不同，其收缩也不同，多者，收缩大。在陶瓷工艺中，干燥收缩过大，坯体容易发生变形或开裂。   
        干燥强度指泥为干燥至恒重后的抗折强度。   
        干燥灵敏度指坯体干燥时，可能产生变形和开裂倾向的难易程度。灵敏度大，在干燥过程中容易变形和开裂。一般干燥灵敏度高的高岭土(干燥灵敏度系数K＞2)容易形成缺陷；低者(干燥灵敏度系数K＜1)在干燥中比较安全。
   
        7．烧结性   
        烧结性是指将成型的固体粉状高岭土坯体加热至接近其熔点(一般超过1000℃)时，物质自发地充填粒间隙而致密化的性能。气孔率下降到最低值，密度达到最大值的状态，称为烧结状态，相应的温度称为烧结温度。继续加热时，试样中的液相不断增加，试样开始变形，此时温度即称转化温度。烧结温度与转化温度的间隔称烧结范围。烧结温度和烧结范围在陶瓷工业中是决定坯料配方、选择窑炉类型的重要参数。试料以烧结温度低、烧结范围宽(100—150℃)为宜，工艺上可以用掺配助熔原料及将不同类型的高岭土按比例掺配的方法控制烧结温度及烧结范围。
   
        8．烧成收缩   
        烧成收缩性是指已干燥的高岭土坯料在烧成过程中，发生一系列物理化学变化(脱水作用、分解作用、生成莫来石，易熔杂质熔化生成玻璃相充填于质点间的空隙等)，而导致制品收缩的性能，也分为线收缩和体收缩两种。同干燥收缩一样，烧成收缩太大，容易导致坯体开裂。另外，焙烧时，坯料中若混有大量的石英，它将发生晶型转化(三方→六方)，使其体积膨胀，也会产生反收缩。
   
        9．耐火性   
        耐火性是指高岭土抵抗高温不致熔化的能力。在高温作业下发生软化并开始熔融时温度称耐火度。其可采用标准测温锥或高温显微直接测定，也可用M．A．别兹别洛道夫经验公式进行计算。   
        耐火度t(℃)=[360+Al2O3-R2O]/0.228   
        式中：Al2O3为SiO2和Al2O3分析结果之和为100时其中Al2O3所占的质量百分比；R2O为SiO2和Al2O3分析结果之和为100时其它氧化物所占的质量百分比。   
        通过此公式计算耐火度的误差在50℃以内。   
        耐火度与高岭土的化学组成有关，纯的高岭土的耐火度一般在1700℃左右，当水云母、长石含量多，钾、钠、铁含量高时，耐火度降低，高岭土的耐火度最低不小于1500℃。工业部门规定耐火材料的R2O含量小于1.5—2%，Fe2O3小于3%。
   
        10．悬浮性和分散性   
        悬浮性和分散性指高岭土分散于水中难于沉淀的性能。又称反絮凝性。一般粒度越细小，悬浮性就越好。用于搪瓷工业的高岭土要求有良好的悬浮性。一般据分散于水中的样品经一定时间的沉降速度来确定其悬浮性能的好坏。
   
        11．可选性   
        可选性是指高岭土矿石经手工挑选，机械加工和化学处理，以除去有害杂质，使质量达到工业要求的性能。高岭土的可选性取决于有害杂质的矿物成分、赋存状态、颗粒大小等。石英、长石、云母、铁、钛矿物等均属有害杂质。高岭土选矿主要包括除砂、除铁、除硫等项目。
   
        12．离子吸附性及交换性   
        高岭土具有从周围介质中吸附各种离子及杂质的性能，并且在溶液中具较弱的离子交换性质。这些性能的优劣主要取决于高岭土的主要矿物成分，见表8。
   
        表8 不同类型高岭土的阳离子交换容量   
        矿物成份特点阳离子交换容量   
        高岭石为主2—5mg/100g   
        埃洛石为主13mg/100g   
        含有机质（球土）10—120mg/100g
   
        13．化学稳定性   
        高岭土具有强的耐酸性能，但其耐碱性能差。利用这一性质可用它合成分子筛。
   
        14．电绝缘性   
        优质高岭土具有良好的电绝缘性，利用这一性质可用之制作高频瓷、无线电瓷。电绝缘性能的高低可以用它的抗电击穿能力来衡量。百宝箱 (2009-8-13 21:46:48)首先，煅烧高岭土是经过煅烧的，晶型和原土已经发生了改变；而水洗高岭土只是物理处理，不会改变原土性质。
其次，白度差别比较大，一般轻烧之后高岭土白度会增加，而水洗不会显著增加白度。
第三，用途不同。根据不同的煅烧温度，高岭土可以作为造纸添加剂和耐火材料骨料。而水洗高岭土一般是作为造纸填料的。
而且，煅烧高岭土目前主要是指硬质高岭土（煤系高岭土），原土没有粘结性，不能直接作为造纸或耐火材料的原料，需煅烧以后应用；水洗高岭土的原土具有粘结性，可以直接做耐火材料粘结剂或造纸填料。

就作为造纸填料而言，煅烧高岭土的白度要好不少，同时成本也比较高。


高岭土是一种主要由高岭石组成的纯净粘土。因产地为我国江西省浮梁县高岭村而得名。它是生产瓷器的良好原料，在陶瓷工业中俗称瓷土。一般高岭土原矿中，杂质含量较多，高岭石含量视其纯净程度而异，经过拣选或淘洗后，除去游离石英及其他岩屑，高岭土可达到接近高岭石的理论组成，即Al2O339.50％、SiO246.54％、H2O13.96％。纯净的高岭土为白色，一般含有杂质时，为浅灰色、灰色、浅黄色、米黄色、粉红色、褐色或黑色。大部分原矿产出时呈致密或疏松的块状。密度2.54～2.60。硬度约1。无光泽。具有滑腻感，易用手捏成粉末。干燥后有吸水性。容易分散于水和其他液体中。常温下难溶于酸和碱中。耐火度高，可达1770～1790℃。煅烧后颜色洁白，白度可达60％～91％。一般由长石类岩石经风化或水热变化而成。根据高岭土原矿的成因，通常把高岭土分为两类，一类为原生高岭土，另一类为次生高岭土。原生高岭土是长石类岩石经风化后，其中钾、钠、钙及其他可溶性物质被雨水溶解冲走，在原处残留的粘土，故又叫残留粘土。这种残留粘土中还含有大量石英颗粒和半风化状态的长石碎块（后者景德镇矿工称为墨鱼骨头），两者的总含量约为60％～70％，它是对有用高岭土原矿评价的标准之一。所以原生高岭土化学成分中还多少含有钾、钠、钙的氧化物。次生高岭土则是因长石类岩石风化后，被风吹雨淋和河水冲刷，从原来的位置带到另一地方，在水流缓慢的地区沉积下来的粘土，故又叫沉积粘土。这种沉积粘土受到的雨水冲刷，犹如受到自然界的水选，把其中的长石碎块、石英粗粒和其他杂质都分离掉了。所以次生高岭土是可塑性较强的粘土，尤其是石英含量较少，氧化铝含量高。这种沉积粘土在我国北方较多。高岭土的矿物组成中最主要的是高岭石。高岭石晶体一般呈极细的六方鳞片状，轮廓清楚，晶片往往互相重叠，它是属于层状铝硅酸盐结构，层间结合力较弱，易于裂开和滑移，致使颗粒破碎、增大比表面积，提高分散度，增加可塑性，而且层间不易吸附水分子，所以没有膨胀性。实际上，高岭土是多晶型矿物，经研究证明，高岭土中除含有高岭石外，还含有两种独立矿石——地开石和珍珠陶土。虽然它们都具有相同的化学式Al2O3 ·2SiO2 ·2H2O和相同的加热特性曲线，但它们的X射线衍射鉴定特征不同。此外，富硅高岭土是一种具有高岭土属性，但其SiO2与Al2O3摩尔比较高，往往接近于3的矿物，它并不是高岭土的矿物组成。至于陶瓷工业中大家熟悉的多水高岭土则是另一种形式的高岭土，晶体多呈杆状，它无论在组成和性能上都与高岭土有差别。高岭土在加热过程中的变化，是陶瓷烧成中确定烧成制度的基础。陶瓷的烧成过程是从常温加热至烧成温度（一般为1450℃以下），这期间高岭土发生脱水、分解、析出新晶相等物理化学变化，较为复杂。一般认为包括脱水与脱水后的产物继续转化两个阶段。（1）脱水阶段100～110℃湿存水（大气吸附水）与自由水（吸湿水）的排除；110～400℃其他矿物杂质带入水的排除；400～450℃晶格水开始缓慢排出；450～550℃晶格水快速排出；550～800℃脱水缓慢下来，到800℃时，排水近于停滞；800～1000℃残余水排除完毕。上述脱水过程随高岭土的结晶程度而异，结晶程度差、分散度大的，脱水温度相应降低一些。脱水过程中，自600℃开始，高岭石脱水变成偏高岭石，其反应式为：Al2O3·2SiO2·2H2OAl2O3·2SiO2+2H2O（高岭石）（偏高岭石）（2）脱水后的产物继续转化阶段由925℃开始，偏高岭石转化为铝硅尖晶石新结构物，其反应式为：2（Al2O3·2SiO2）2Al2O3·3SiO2+SiO2（偏高岭石）（铝硅尖晶石）在1050～1100℃ ，铝硅尖晶石新结构物开始转化为莫来石，其反应式为：3 （2Al2O3·3SiO2）（铝硅尖晶石）2（3Al2O3· 2SiO2）+5SiO2（莫来石）（方石英）在1200～1400℃，莫来石晶体发育长大。随着加热过程中发生的这些变化，高岭土的性能也相应发生复杂的变化，特别是添加了其他物料后，影响变化就更大。首先，高岭土的可塑性随温度升高，变化很大。当加热到100℃以上，失去吸附水后，其可塑性已受到极大破坏。而当晶格水完全排出后，其可塑性就完全被破坏了，并且再也不能恢复。其次，高岭土对酸、碱原是稳定的，加热脱去晶格水后，变成易溶于酸或碱。这是由于高岭石中的Al2O3、SiO2和H2O原先结合的很紧密，不易被酸、碱所侵蚀，随着加热温度升高，脱去晶格水后，Al3+变为带有不饱和键的裸离子，所以就容易与酸、碱发生作用了。高岭土在加热过程中会产生体积的膨胀与收缩。附图1为苏州高岭土膨胀收缩曲线。苏州高岭土在低温下排除吸附水时，一般体积变化不显著，有时出现收缩，有时则体现不出来。500℃之前有微小的膨胀（1％以下）。500℃开始收缩，随着晶格水的排除，体积迅速收缩，接着收缩相对平缓，在900～950℃之间，又急剧收缩，与高岭土内部结构发生相变相对应。此后，在1200℃以前收缩又逐渐平缓，直至冷却后成为永久收缩。有的产生过烧膨胀，是由于产生气体鼓胀所致。熔融之前约200℃左右，呈烧结状态，收缩无特异。高岭土加热脱水后，随着温度升附图1苏州高岭土膨胀收缩曲线高，高岭土逐渐烧结，气孔率减少，结构致密，机械强度增高，不过，不是直线增高，即在脱水时（600～700℃），可能由于处在相变的过渡阶段，机械强度有明显的降低，过了这一阶段，机械强度则急剧增高。各种杂质对高岭土性能的影响是很显著、很复杂的。铁和钛的氧化物含量是瓷器制造中决定高岭土质量的指标之一，因为，即使千分之几的含量也会影响瓷器成品的外观质量或者给瓷器生产增加许多复杂的工艺程序。碱金属与碱土金属氧化物以及长石等，即使少量存在也会明显地降低高岭土的耐火度，这是由于加热脱水后，高岭土中的氧化铝与二氧化硅的结合力变弱，促使它们在高温下与氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁以及其他杂质化合形成低共熔混合物，使其熔融温度明显下降。我国高岭土资源丰富。江西星子土、湖南界牌土、河北紫木节土、山西大同土、江苏苏州土、陕西上店土、广东清远清草岭土等，都属于以高岭石为主要矿物组成的高岭土。附表1为我国部分地区瓷土的化学组成。附表1我国部分地区瓷土的化学组成续表美国佐治亚州出产的高岭土，质地均匀，一般分为两种，一种具有很高的强度和塑性，适用于要求较高加工性能的拉坯成型工艺。另一种通常分级控制其粒度，适用于浇注成型，并且干燥均匀，可减少制品的开裂。


煅烧高岭土是经特殊加工处理的高岭土，其中铁和碱金属的含量均较低。显微分析和X射线分析结果指出，煅烧高岭土主要为与无定形硅质材料相结合的莫来石（3A12O3·2SiO2 ）。实际上，其中所含的氧化铝96％都已转变为莫来石；铁不仅含量低，而且是以氧化态存在，易与氧化铝结合形成固溶体。煅烧高岭土的化学组成范围见附表1。粒度范围从5mm～2μm。附表1煅烧高岭土的化学组成范围煅烧高岭土密度2.67。软化点略高于1770℃。最初变形点为1750～1770℃ 。含有这种煅烧高岭土的耐火材料具有突出的性能，即耐火度高和在负荷下能保持形状；对于熔渣、玻璃、瓷釉或搪瓷熔块耐侵蚀能力高；耐热冲击强度和机械强度高。可用作耐热冲击坯体、承受还原气氛的耐火材料、窑具、热绝缘体、低膨胀坯体、可渗透的陶瓷制品、精密铸造蜡模上套制铸模用的耐火材料、窑墙涂料等。