纳米高岭土的应用研究进展

来源:用户上传      作者:刁润丽　王花丽

　　摘 要：我国高岭土资源丰富，但优质高档的产品不多，难以满足需要，纳米高岭土由于颗粒尺寸特殊，在实际应用中有很多优良的性能，提升了高岭土产品的质量和附加值，扩大了其应用范围。本文综述了纳米高岭土在陶瓷、橡胶、建材、涂料及农业等领域的广泛应用，指出了在应用过程中存在的问题，展望了其广阔的发展前景。
　　关键词：纳米高岭土;性能;应用;进展
　　1 前 言
　　高岭土是一种重要的非金属矿，由高岭石、珍珠石、地开石、埃洛石等高岭石簇矿物组成，主要成分为高岭石[1]。对高岭土资源的开发和使用我国都开始的最早，我国的高岭土类型齐全，分布广泛，含量居世界第三[2]。但国内的高岭土产品目前多数质量不高，优质高档的产品不能满足国内市场的要求，仍需依赖进口[3]。面对日益增长的优质高岭土的需求，加快高岭土深加工，提高国内高岭土产品的质量，就显得尤为重要[4-6]。
　　更随着纳米技术的步伐，纳米材料越来越凸显在应用性能中的优势。纳米高岭土粒径在1-100nm范围内，具有小尺寸效应和表面效应等纳米特性，在应用中有良好的性能和价值，成为目前研究的热点。纳米高岭土白度高、遮盖性能好、易于分散，黏结性、可塑性较高，电绝缘性能良好，阳离子交换性弱，离子吸附性强，在许多领域获得了广泛的应用。在饮水机、冰箱的制造材料中加入纳米高岭土，可起到抗菌消毒的作用;将纳米高岭土添加到陶瓷中，可提高50倍左右的强度，可作为发动机零件的制备材料;在橡胶工业中纳米高岭土可作为功能填料，补强的同时还可降低成本，可替换部分白炭黑;在塑料中添加纳米高岭土，可提高产品的耐热性，增强强度，降低密度等;还可以作为隐身材料，在国防领域也有良好的应用前景[7，8]。随着科技的发展，纳米材料的成本会逐渐降低，纳米高岭土的应用范围将更加广泛。
　　2 纳米高岭土的特性
　　高岭石的化学式为2SiO2·Al2O3·2H2O，其中SiO2含量46.54%，Al2O3含量39.5%，H2O含量13.96%，另还有少量的MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO2、TiO2、Fe2O3、P2O5等氧化物[9]。高岭土类矿物以1：1型硅酸盐形式存在，主要有硅氧四面体和铝氢氧八面体两种结构单元。
　　纳米高岭土的特性有：
　　（1）表面效应。
　　纳米高岭土由于颗粒尺寸小，表面原子数和比表面积随之增多、增大，使表面能升高，原子配位出现了不足，从而使原子的活性增强，易与其他原子结合[10]。
　　（2）小尺寸效应。
　　由于颗粒的纳米尺寸，纳米高岭土的大部分原子被纳米晶界所包围，原子在其中随机排列，受到外力时容易迁移，从而使材料具有一定的延展性和良好的韧性。颗粒的小尺寸还增强了纳米高岭土对光的吸收性能，并使吸收峰发生等离子共振频移。
　　相信随着对纳米高岭土研究的进一步深入，还会有更多优异的性能表现出来。
　　3 纳米高岭土的应用
　　3.1在陶瓷方面的应用
　　在陶瓷的制作过程中高岭土有两个作用：一是作为制作陶瓷的配料，是建筑卫生陶瓷、日用陶瓷、无线电瓷、电瓷、工艺美术瓷、特种工业陶瓷及工业陶瓷等的主要原材料;二是作为粘结剂，将其它矿物配料（如长石、石英等）黏结在一起制成瓷坯。用纳米高岭土作为制作陶瓷的原料可以使其结构更致密，还能增加延展性和韧性，从而使产品硬度大、易加工、不易破碎等[11]。在普通陶瓷的釉面涂抹纳米高岭土，增加釉面活性和杀菌的同时还能使其更平滑，从而便于清洁。纳米高岭土的价格比纳米TiO2低，可代替它在陶瓷中作为功能性填料，降低成本，同时还具有远红外保温和抗紫外线等功能。
　　3.2在橡胶方面的应用
　　在橡胶制品中添加纳米高岭土，由于纳米颗粒在橡胶中定向排列，与橡胶大分子在纳米尺寸上紧密结合，可使产品的机械物理性能如抗屈挠性、弹性、扯断伸长率和阻隔性能明显改善，还能降低成本。纳米高岭土的尺寸细小，分散性能好，可以改善橡胶内部的应力分布情况，减小脆弱面，使其具有较高的补强性，在顺丁橡胶、丁腈橡胶、天然橡胶和三元乙丙橡胶中可代替白炭黑使用[12，13]。基于这些优良的性能，纳米高岭土可在轮胎内胎、胎侧胶、高尔夫球橡胶、胶丝、鞋底橡胶、丁腈密封橡胶、胶棒、胶辊、输送橡胶等橡胶产品中应用。
　　3.3在涂料方面的应用
　　纳米高岭土颗粒细小，表面活性大，与大多数的的涂料、原料都能相容，在涂料中易于均匀分散，可以形成一個均一稳定的体系，使涂料的涂刷性、吸附性、抗吸潮性、耐褪色性、耐脏性及抗冲击性等性能得到明显改善，采用纳米高岭土作涂料的添加剂，可以满足使用过程中对涂料提出的日益多样化的要求。涂料工业中，纳米高岭土还可以作为体质颜料，增加产品的白度，且久置不产生沉淀，提高产品的光泽度、遮盖力和干燥性，同时还具有补强作用，替代钛白粉可以达到相同的效果，还能降低生产成本[14]。此外，纳米高岭土较大的比表面积使得表面的原子、电子行为发生改变，从而使涂料在光学效应上具有一些特殊的表现。
　　3.4在混凝土中的应用
　　钢筋混凝土类结构会随着使用时间的延长而发生钢筋锈蚀现象，这种现象使混凝土与钢筋间的粘结性能急剧恶化，直至钢筋作用不能正常发挥，影响结构的使用性和安全性。纳米高岭土作为一种性能优良的纳米材料，可以提高混凝土材料的电阻率和力学性能，通过填充在基体内部的微小孔洞里，有效阻止混凝土材料发生渗透，从而提高其致密性，阻止混凝土内部进入氯离子，减慢钢筋的腐蚀[15，16]。
　　3.5在农业方面的应用
　　目前，我国在肥料的施用上存在着一些难题，例如由于肥料的利用率低而需要增大施用量，由此又污染生态环境等一系列问题[17]。而高岭土可以有效地吸附和解吸氮、磷、钾和有机碳，提高化肥的施用效益，从而减少使用量和降低对环境的污染。同样的条件下，在肥料中添加纳米高岭土，其效果比天然高岭土提高很多，在农业中展现出广阔的应用前景。 　　4 展 望
　　伴随着经济发展的步伐，各个领域对高岭土的需求无论是数量还是质量都日益增加、提高。纳米高岭土虽然开发时间不长，但已经表现出强大的优势和广阔的前景，然而在实际应用过程中还存在着一些问题。
　　（1）制备纳米高岭土的影响因素多、成本高，未来需要找到一些更合适、更好的方法，快速、高效、大量的制备纳米高岭土，实现量化生产，满足工业过程的需要，并降低成本。
　　（2）纳米高岭土的应用范围还比较有限，需要根据其结构及性质，结合实际过程的需要，使纳米高岭土的应用向新技术、高科技、高效益的新领域推进，满足更多的需要，实现更好的经济效益。
　　（3）对纳米高岭土的研究还比较有限，我们需要在理论上进行更深入的研究，进一步剖析其结构，发现其更多的新特性及应用，为提高纳米高岭土的质量和拓展应用领域提供更好的理论支撑。
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