纳米高岭土的制备方法及应用.docx

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纳米高岭土的制备方法及应用

纳米高岭土的制备方法及应用

摘要：

本文对纳米高岭土的性质及制备方法作出了简要的介绍，并对纳米高岭土的应用情况作出了综述性介绍。

关键词：

纳米高岭土制备性能应用

Abstract：

Inthispaper,wehavemadeabriefintroductionaboutthepropertiesandpreparationmethodsofnanokaolin,andapplicationofnanokaolinmadecomprehensiveintroduction.

Keyword：

nanokaolinpreparationpropertiesapplication

1.引言

随着纳米科技的发展，纳米材料所具有的特殊的性能得到越来越广泛的关注。

如:

小尺寸效应、量子尺寸效应、表面与界面效应以及宏观量子隧道效应等。

当任何材料被细化到纳米量级时,该材料的物化性能就会发生巨大的变化,出现一系列宏观材料所不具备的优异的物理、化学和力学特征。

因此当今材料领域常将一些普通材料纳米化，以期得到性能更优良的材料应用于实际。

如:

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[1];陶瓷中添加纳米高岭土可使其强度提高50倍左右,用于制造发动机零件;纳米金属粉具有很高的催化活性,既可提高催化效率又可改善材料的催化剂选择性,完全可取代贵金属Au、Pt用作净化汽车尾气的催化剂[2,3]。

高岭土是一种地壳中分布广泛且具有重要应用价值的非金属矿物。

具有可增大材料的体积,提高塑料的绝缘强度和电阻,增强对红外线阻隔效果等功能[4]，被广泛应用于化工等领域。

而纳米高岭土因其颗粒微细，表面活性大，具有微米级颗粒无法比拟的优异物化性能已成为当今高岭土的研究开发和应用热点之一。

2.纳米高岭土简介

高岭土是指多种含水铝硅酸盐矿物组成的集合体,主要是高岭石。

高岭石的化学组成为2SiO2·Al2O3·2H2O,晶体属三斜晶系层状结构的硅酸盐矿物。

高岭石具有1：

1型层状硅酸盐结构。

由Si-O四面体层和Al-（O,OH）八面体层连接而成。

在连接面上,Al（O,OH）八面体层中的3个（OH）中有2个（OH）位置被O代替,使每个Al周围被4个（OH）和2个O所包围。

八面体空隙中只有2/3位置为Al所占据。

在硅氧四面体和铝氧八面体组成的单元层中,四面体的边缘是氧原子,而八面体的边缘是氢氧基团,单元层与单元层之间通过氢键相互连接[5,6]。

纳米高岭土是将普通高岭土纳米化，以使其具有纳米粒子的特性。

（1）表面效应:

纳米高岭土由于颗粒更细小,其比表面积增大,颗粒表面的原子数增多、原子配位的不足及高表面能,使这些原子具有高的活性,它们极不稳定,很容易与其他原子结合。

（2）量子尺寸效应:

当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象、纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级,能隙变宽现象。

（3）小尺寸效应:

当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件被破坏。

非晶态纳米颗粒表面层附近的原子密度减小,致声、光、电、磁、热、力等特性呈现新的小尺寸效应。

纳米粒子的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。

（4）宏观量子隧道效应:

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。

宏观量子隧道效应的研究对基础研究实用都有着重要意义。

以上的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应是纳米微粒与纳米固体的基本特性,它使纳米高岭土出现了一些奇异的物理和化学性质。

合理利用这些性质就能扩展高岭土的用途。

3.纳米高岭土制备方法

3.1机械粉碎法

该法是用各种超微粉碎机将原料直接研磨粉碎成超微粉有固相参加的多相化学反应过程是反应剂之间达到原子级结合、克服反应势垒而发生化学反应的过程,其特点是反应剂之间有界面存在。

粉末颗粒被强烈塑性变形,产生应力和应变,颗粒内产生大量的缺陷,颗粒非晶化。

这显著降低了元素的扩散激活能,使得组元间在室温下可显著进行原子或离子扩散[7]。

超微粉碎机有:

球磨机、高能球磨机、行星磨、塔式粉碎机和气流磨等。

这种方法工艺简单,制备效率高,并能制备出常规机械粉碎。

3.2插层法

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。

影响插层的因素较多,包括有机物本身的特性、含水量、温度、压力、pH值以及高岭土的粒径大小、结晶程度等。

插层法常用化学插层剂通常为尿素、肼和甲酰胺等。

一般认为,高岭土的插层反应是通过层间氢键的断裂以及和插层分子形成新的氢键而实现的。

一般情况下,结晶度好,粒度在2-5nm颗粒对反应较有利;有机分子的选择则依据插层反应过程和有机复合物的应用确定;反应体系应含适量的水以提高反应率;反应温度高,插层速率大,但应考虑有机分子的高温分解和反应过程的可操作性;压力和pH值对反应过程影响较小[8]。

上述为当前较为常用的制备纳米高岭土的方法，但由于制备方法各有优缺，后人在上述方法上进一步探索改进，采用化学插层和超细研磨的复合方法制备纳米高岭土。

采用极性有机小分子与高岭土层内表面羟基在一定条件下形成氢键，增大高岭土层间距，使高岭土内层间氢键作用力减弱。

当受到外界剪切力或冲击力作用时，经插层后的高岭土易被剥片成为纳米高岭土。

4.纳米高岭土的应用

4.１纳米高岭土在橡胶、塑料及其复合材料中的应用

利用纳米高岭土微粉的表面效应，将纳米高岭土与橡胶、塑料进行复合，可使纳米微粒与橡胶、塑料等高分子有机物的分子之间的作用力得到极大的增强，具有较好的相容性，且复合物的结构更为致密。

这样就会使纳米高岭土/橡胶（塑料）的力学强度、耐磨性、耐腐蚀性以及材料本身的加工性能得到极大的改善，综合性能比一般高岭土产品复合材料的性能会优异很多。

具体应用如下：

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［12］。

纳米高岭土在塑料中的应用

纳米高岭土在塑料中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［9］。

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。

4.２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。

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、耐脏性、耐褪色性加强。

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。

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［10］。

4．３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［11］；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、加工等。

4．4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。

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。

纳米高岭土在农业中的应用

目前，我国肥料的施用存在着一些难以解决的问题，如：

肥料的利用率较低、过多施用化肥对生态环境造成污染等。

另外，可溶解有机碳是土壤或水域生态系统中的活性物质，对土壤或水体中的各种微生物和各种养分的中的生物地球化学循环及重金属的毒性和迁移有深刻影响。

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［12]。

5.结语

高岭土作为一种廉价易得的矿物材料，具有重要的实际应用价值。

而纳米高岭土作为高岭土的深加工的一种材料，拥有许多特殊的纳米材料特有的性质，以致其在更多领域有着更加优越的性质和作用。

我国作为一个高岭土资源分布较多的国家，应当加强对高岭土特别是纳米高岭土性质、制备及应用的探究，将纳米高岭土的作用发挥的更加广泛深度。

参考文献：

1殷海荣,陈福,李启甲.纳米抗菌玻璃的研究.云南大学学报（自然科学版）,2005,27（3A）:

74-76

2韩炜,黄辉宇,陈敬中.高岭石最小纳米尺度研究及其纳米化方法探讨.中国非金属矿工业导刊，2003

（2）：

18-20

3张树利,刘冬冬.纳米技术与汽车.环保节能,2001（3）:

9-10

4殷海荣武丽华，陈福,等．纳米高岭土的研究与应用．材料导报，2006，20（16）：

196-199

5卢寿慈.粉体加工技术[M].北京:

中国轻工业出版社,1999.243

6孙家跃,杜海燕.无机材料制造与应用[M].北京:

化学工业出版社,2001.193

7李玲,陈国华.机械力化学制备陶瓷材料的研究进展[J].中国陶瓷工业,2003,10（5）:

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8王林江,吴大清.高岭石有机插层反应的影响因素[J].化工矿物与加工,2000,（5）:

29

9刘钦甫，吉雷波，冯春喜．纳米高岭土在橡塑及其复合材料中的应用．新材料产业，2006

（1）：

65-68

10齐明，钟理，陈永海．茂名高岭超细粉体的研制及在涂料中的应用．广东化工，2004，31（7）：

6-7

11朱粉利，周汉文．高岭土在材料学方面的应用．矿产保护与利用，2004

（1）：

22-26

12刘秀梅，张夫道张树清，等纳米级高岭土对氮、磷、钾和有机碳的吸附及解吸特性的研究．中国农业科学，2005，38

（1）：

102-109

致谢

在矿物材料课程结束之际，凭借着自我兴趣写下这篇综述性论文。

此过程中得到了很多的帮助。

在此，感谢任课老师——李飞老师，感谢李老师对我们一学期的付出。

同时，感谢学校为我们提供了充足的学习资源，让我能够完成这篇论文。

最后，感谢舍友对我学习上的帮助和支持，让我在学习和生活中能够积极向上。