贵州大方县百纳村高岭土的理化及工艺性能研究

沈宗洋 李月明 王竹梅 成 岳 刘 志 吴 芬

(景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西景德镇333001)

0 引言

高岭土是重要的非金属矿产资源，在国民经济和日常生活中应用特别广泛，涉及到陶瓷、造纸、涂料、塑料、纺织、耐火材料、化学化工及农业、医学等很多领域。高岭土具有色白、质感滑腻柔软、熔点高、电绝缘性能优良、高抗酸性以及强离子吸附性等典型特征，随着对高岭土研究的深入，许多新的应用也被开发出来，比如复合分子筛的合成、新型催化剂载体以及高吸水性复合树脂的制备等[1-3]。

我国是世界上最早发现和利用高岭土的国家，高岭土资源储量丰富、类型齐全。目前我国高岭土的开采主要集中在粤、桂、赣、闽和苏等地[4]。随着高岭土需求的不断增加，以上各个省份的优质高岭土资源越来越少，需要开发其他省份的高岭土资源来弥补现代工业发展的需求[5]。贵州省的高岭土资源非常丰富，但其相关的开发利用几乎还是空白，随着把贵州建设成为工业强省战略的提出，使得贵州高岭土资源具有重要的开发利用价值。本文选择贵州大方县百纳村高岭土为对象，对其物理化学特性及工艺性能进行了系统的研究，为该地区的高岭土开发利用提供了可供参考的相关理化及工艺性能数据资料。

1 实验部分

将矿山采取的高岭土样品球磨24小时并过80目筛后即可用于化学成分与结构分析、形貌表征及工艺性能测试。

1.1 化学成分与结构分析、形貌表征

采用Axios型X射线荧光光谱仪分析样品的化学成分；采用德国BRUKER/AXS公司生产的D8Advance型X射线衍射仪对样品进行物相鉴定；差热、热重分析采用德国Netzsch公司的STA449C型综合热分析仪，升温速率为10℃/min，测试温度范围为室温～1200℃；采用日本电子公司生产的JSM-35CF型场发射扫描电子显微镜和JSM-2010型高分辨率透射电子显微镜对样品进行显微结构观察。

1.2 工艺性能分析

采用湘潭湘仪仪器有限公司生产的KS-B型微电脑可塑性测定仪对样品进行可塑性分析，测试8次，采用Q检验法取舍后取平均值；采用钡粘土法测定样品的离子交换性；采用上海昌吉地质仪器有限公司生产的WNE-1型恩氏粘度计进行触变性(流动性)分析；利用可塑成型法将泥料压制成圆饼，在120℃下恒温干燥后测试其收缩率和干燥强度，测试其在300℃～1350℃烧成温度范围内各测试温度点的体积密度、吸水率、收缩率、气孔率和白度等工艺性能参数。

表1 样品的化学成分检测结果Tab.1 Chemical composition analysis result of the samples

表2 高岭土样品的矿物组成及含量Tab.2 Mineral composition of the Kaolin samples

2 结果分析与讨论

2.1 化学成分与物相分析

高岭土样品的化学成分检测结果见表1。众所周知，高岭石的理论化学式为Al4(Si4O10)(OH)8，也可写成Al2O3·2SiO2·2H2O，SiO2/Al2O3的摩尔比为2，理论化学组成如下：SiO2为46.54 wt%，Al2O3为39.5 wt%， H2O为13.96 wt%[6]。对比分析表1中的数据可知，该高岭土样品Al2O3含量较高，且高于SiO2的百分含量，超出了高岭石的理论组成，计算所得SiO2和Al2O3的摩尔比值为1.62，比理论值2略小。另外，分析该高岭土样品的化学成分特征发现，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，说明该高岭土的品质相对较高，而其烧失量较大的原因可能是由于含有一定量的有机质。

图1为高岭土样品的XRD图谱。由图1分析可知：该样品出现符合PDF卡片No.29-1487的多水高岭石以及PDF卡片No.29-1497的绿脱石特征衍射峰，且多水高岭石的特征衍射峰强度较高，说明该样品的主要矿物为多水高岭石，同时含有少量的绿脱石。结合化学成分分析结果，采用满足法计算高岭土样品的矿物组成含量，计算结果见表2。

2.2 差热、热重分析

表3 高岭土样品的可塑度和可塑性指标Tab.3 The plasticity and plasticity index of the kaolin samples

图2为高岭土样品的差热和热重分析曲线，由图2可以看出：（1）在110℃附近有一明显的吸热峰，同时伴有10.65%的失重，这是由于矿物中的多水高岭石和绿脱石失去吸附水和层间水所致；（2）在270℃附近有一较小的吸热峰，同时伴有3.56%的失重，这是由多水高岭石继续失去残余层间水和绿脱石失去与交换阳离子键合的层间吸附自由水引起的；（3）在500℃左右有一个明显的吸热峰，同时伴有9.61%的失重，这是由于加热过程中多水高岭石与绿脱石快速失去结构水，使晶格破坏，变成偏高岭石，500℃后，残余结构水继续排除，直至800℃；（4）继续加热至993℃左右，偏高岭石转化为2Al2O3·3SiO2尖晶石而产生的一个放热峰[6,7]。

2.3 微观形貌分析

图3是高岭土样品的扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)照片，由TEM图中可以清晰看到，构成该高岭土矿的矿物呈现六方管状的晶体结构，管直径在十几到几十个纳米不等，管长约为几百纳米，这是多水高岭石的典型特征形貌。在SEM图中可以观察到六方管状晶体无规律堆积成团聚晶簇，团聚颗粒大约在1～3μm之间，晶簇之间分散较好。

2.4 工艺性能分析

2.4.1 可塑性

高岭土样品的可塑度和可塑性指标测试数据见表3。由表中数据可见，该高岭土样品的可塑度和可塑性指标都较低，这是由于其含有的主要矿物为多水高岭石，含量接近85wt%，该矿物呈管状，定向沉积的特性较弱，活动范围稍微增大就会失去联结，所以可塑性稍差。

2.4.2 离子交换性

采用钡粘土法测定了该高岭土样品的离子交换容量值为48.9毫克当量/100g。根据矿物组成分析可知，该样品中主要含有多水高岭石，多水高岭石的离子交换容量范围为20～40，但该高岭土样品的离子交换容量值超过了这个容量范围，这是由于其含有少量的绿脱石(1.33wt%)，绿脱石属于蒙脱石类，蒙脱石类矿物具有很强的离子交换能力(80～150)，从而增加了该高岭土的阳离子交换容量[6,8]。

2.4.3 触变性(流动性)

该高岭土样品在含水率为47.1%的情况下，测得恩氏粘度为4.56，厚化度为4.789。由于该样品的主要矿物组成为多水高岭石，因而其流动性和触变性均较小。

2.4.4 干燥性能

利用可塑成型法将泥料压制成圆饼，在120℃下恒温干燥后测试其收缩率和干燥强度，测得其干燥收缩率和干燥强度分别为11.11%和2MPa，且实验发现干燥后大多数试样已开裂。由此可见：该高岭土样品的干燥收缩率较大，说明其含水率较高，干燥后的强度较低，容易变形。这主要是由于该样品中含有较高的炭状有机物，这种有机物不能赋予坯体可塑性，但却容易吸附水，因此，该高岭土干燥收缩大，强度较低。

2.4.5 烧成性能

图4和图5为高岭土样品的体积密度和吸水率及收缩率和气孔率随烧成温度的变化曲线。由两图可以看出，随着烧成温度的升高，高岭土试样的尺寸显著收缩，吸水率明显降低；温度高于900℃后，试样体积开始剧烈收缩，同时气孔率随着温度的升高明显减少；烧成温度为1350℃，体积密度达到1.58 g/cm3，吸水率为30.51%，收缩率达到16.70%，气孔率为38.28%。在升温过程中，由于该高岭土样品存在较多的多水高岭石失水以及有机质燃烧，样品表现出显著的收缩并容易开裂。

上述分析表明，当烧成温度达到1350℃时，高岭土还未完全烧结，可以确定该高岭土样品的烧结温度高于1350℃。

通过测试高岭土样品在不同烧成温度下的白度值发现，随着烧成温度的升高，高岭土样品的白度增加明显，这是由于样品中的有机质迅速燃烧所致。另外，由于该高岭土样品中的Fe2O3(0.43wt%)含量较低，从而在1250℃烧成温度下能够获得较高的白度，其值为70.8%。

3 结论

贵州毕节地区大方县百纳村高岭土的主要矿物组成为多水高岭石(84.77wt%)和绿脱石(1.33wt%)，具有典型的六方管状结构，管直径在十几到几十个纳米不等，管长约为几百纳米。该高岭土可塑性较好，阳离子交换容量值很高，流动性和触变性小，干燥收缩大，干燥强度较低。由于该高岭土样品的Fe2O3(0.43wt%)含量低，从而具有较高的烧成白度，1250℃下烧成的白度达到70.8%。该高岭土属优质矿物资源，可广泛用于相关产业。

1李艳慧,赵谦,周旭平等.以高岭土为原料的复合分子筛的水热合成.硅酸盐学报,2010,38(12):2340～2345

2张恒,王敏,朱万诚等.高岭土负载SO42-/ZrO2-TiO2催化剂的制备及其在缩酮合成中的应用.应用化学,2011,28(5): 608～610

3王瑞杰,杨连威.聚丙烯酸-高岭土高吸水性树脂的制备及对重金属离子的吸附性研究.化工新型材料,2011,39(5):124～126

4程宏飞,刘钦甫,王陆军等.我国高龄土的研究进展.化工矿产地质,2008,30(2):125～128

5尤振根.国内外高岭土资源和市场现状及展望.非金属矿,2005, 28:1～8

6李家驹,缪松兰,马铁成等.陶瓷工艺学.北京:中国轻工业出版社,2010

7万朴,周玉林,彭同江等.非金属矿产物相及性能测试与研究.武汉:武汉工业大学出版社,1992

8胡志强.无机材料科学基础教程.北京:化学工业出版社,2005