关于高岭土的详细介绍及应用资料

精品文档“高岭土(Kaolin)”一词来源于中国江西景德镇高岭村产的一种可以制瓷的白色粘土而得名。高岭土矿是高岭石亚族粘土矿物达到可利用含量的粘土或粘土岩。高岭土因具有许多优良的工艺性能，广泛用于造纸、陶瓷、橡胶、塑料、耐火材料，化工、农药、医药、纺织、石油、建材及国防等部门。随着工业技术的发展和科技迅速提高，陶瓷制品的种类愈来愈多，它不仅与人们日常生活密切相关，而且在国防尖端技术的应用也很广泛，如电气、原子能、喷气式飞机、火箭、人造卫星、半导体、微波技术、集成电路、广播、电视及雷达等方面几乎都需要陶瓷制品。可见高岭土矿产在国民经济和国防建设中所占的重要地位。一、 矿物原料特点高岭土的岩石学特征与矿物学特征相同，具有松散土状和坚硬岩石状两种外貌，其矿物成分、化学成分和粒度变化都较大。高岭土的矿物成分由粘土矿物和非粘土矿物组成，前者主要包括高岭石、迪开石、珍珠陶土、变高岭石(1.0nm和0.7nm埃洛石)、水云母和蒙脱石；后者主要是石英、长石、云母等碎屑矿物，少量的重矿物及一些自生和次生的矿物，如磁铁矿、金红石、褐(针)铁矿、明矾石、三水铝石、一水硬铝石和一水软铝石等(表4.22.1)。高岭石及其多型矿物迪开石和珍珠陶土同属11型二八面体的层状硅酸盐，结构单元层完全相同，单位构造高度为0.7nm，层间以氢键相联结， 无水分子和离子。 它们的理想结构式为Al4Si4O10(OH)8，理论化学成分为SiO2 46.54%、Al2O3 39.50%、H2O 13.96%，它们之间区别在于单元层间堆叠方式不同。高岭石为三斜晶系，一般为无色至白色的细小鳞片，单晶呈假六方板状或书册状，平行连生的集合体往往呈蠕虫状或手风琴状，粒径以0.52nm为主，个别蠕虫状可达数毫米。自然界高岭土中高岭石常见，迪开石少见，珍珠陶土罕见。变高岭石(也称埃洛石)包括1.0nm和0.7nm两种。1.0nm埃洛石的结构特征是结构单元层与高岭石相同，但层间有一层水分子。 结构单元层高度为1.6nm， 结构式为Al4Si4O10(OH)84H2O，其形态为小于几微米的管状和球粒状。1.0nm埃洛石不稳定，层间水在室温下就可脱出，结构单元层高度减为0.760.73nm，而且这种变化是不可逆的。失水后形成0.7nm埃洛石，在自然界比较稳定。由于失水管状和球粒状被破坏，呈破裂管状和球粒状。高岭石亚族成分特征见表4.22.1。水云母：基本结构与白云母相似，为二八面体21型层状硅酸盐，矿物结构单元层高度为1.0nm左右。与白云母不同的是颗粒细小，层间阳离子钾和钠减少，层间水增加，四面体中铝代硅减少，结构无序程度高，其形态呈不规则薄片或长条状，粒径一般比高岭石大。表4.22.1高岭石亚族矿物典型特征 蒙脱石在高岭土中常有少量存在，易与埃洛石共生，晶粒极细小，具有很强的膨胀性和吸水性。绿泥石和叶蜡石在蜡石型高岭土矿床中有时出现。常为铝绿泥石。水铝英石为非晶质粘土矿物，是氧化铝和氧化硅的凝胶体，一般为球粒状，不稳定。高岭土的化学成分主要是SiO2、Al2O3和H2O，纯净的高岭土成分接近于高岭石或埃洛石的理论成分，由于各种杂质的影响，因此往往含有害组分Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3等。有害组分Fe2O3、TiO2一般在沉积矿床较高，其次是风化型高岭土，蚀变型矿床中铁质最少。高岭土的K2O、Na2O含量在风化型矿床中较多，一般在2%7%，随深度增加而增加。另外，含明矾石的高岭土矿床中SO3含量相当可观，也属有害杂质。高岭土的粒度成分以粘土级和粉砂级的颗粒最多。据粒度成分，可将高岭土划分为：土状高岭土，绝大部分由小于10m的泥粒组成；含砂高岭土，含5%25%的砂和粉砂级颗粒组成。高岭土中常见的结构有凝胶状结构，颗粒极细而致密；泥质结构，矿石中小于0.01mm以下颗粒占绝大多数；粉砂泥质或砂泥质结构，指矿石中含25%50%的砂或粉砂；植物泥质结构，指矿石中含有机质植物残体等；变余结构，指蚀变高岭土中常有变余凝灰或变余斑状等结构。高岭土中常见的构造有皱纹状或条纹状构造、角砾状和斑点构造等。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，较高的耐火度等物理化学性能，见表4.22.2。表4.22.2高岭土的物理化学性能 高岭土的矿石类型可根据高岭土矿石的质地、可塑性和砂质的含量划分为硬质高岭土、软质高岭土和砂质高岭土三种类型：硬质高岭土质硬，无可塑性，粉碎、细磨后具可塑性；软质高岭土质软，可塑性一般较强，砂质含量小于50；砂质高岭土质松散，可塑性一般较弱，除砂后较强，砂质含量大于50。根据影响工业利用的有害杂质种类，冠“含”字(其含量允许小于5)划分亚类型。如：含黄铁矿硬质高岭土，含有机质软质高岭土，含褐铁矿砂质高岭土等。二、 用途与技术经济指标高岭土的应用领域不同，对其质量要求截然不同。按工业用途可分为造纸工业用高岭土、搪瓷工业用高岭土、橡胶工业用高岭土和陶瓷工业用高岭土等。在化学成分方面，对造纸涂料、无线电瓷、耐火坩埚等要求高岭土的Al2O3和SiO2接近高岭石的理论值，日用陶瓷，建筑卫生陶瓷、白水泥原料、橡胶和塑料的填充剂对高岭土的Al2O3含量要求可适当放低，SiO2含量可酌情高些。对Fe2O3、TiO2、SO3等有害成分，亦有不同允许含量。对CaO、MgO、K2O、Na2O含量的允许值，不同的用途中也不相同。在工艺性能方面，各应用领域要求的侧重点更为明显。如造纸涂料主要要求高的白度、低的粘浓度及细的粒度；陶瓷工业要求有良好的可塑性、成型性能和烧成白度；耐火材料要求有高的耐火度；搪瓷工业要求有良好的悬浮性等。这就决定了高岭土产品规格、牌号的多样性。工业应用高岭土质量的要求按国家标准(GB/T14563-93)执行，见表4.22.34.22.9。表4.22.3产品类别、代号及主要用途 表4.22.4各级产品外观质量要求 表4.22.5造纸工业用高岭土各级产品化学成分和物理性能表4.22.6搪瓷工业用高岭土各级产品化学成分和物理性能要求 表4.22.7橡胶工业用高岭土粉各级产品化学成分和物理性能要求表4.22.8陶瓷工业用高岭土各级产品化学成分和物理性能要求 表4.22.9各类产品水分要求 白泥，学名高岭土，商业名瓷土。高岭土是一种重要的非金属矿产，与云母、石英、碳酸钙并称为四大非金属矿。高岭土(Kaolin)一词来源于中国江西景德镇高岭村产的一种可以制瓷的白色粘土而得名。高岭土矿是高岭石亚族粘土矿物达到可利用含量的粘土或粘土岩。高岭土的矿物成分由粘土矿物和非粘土矿物组成，前者主要包括高岭石、迪开石、珍珠陶土、变高岭石(1.0nm和0.7nm埃洛石)、水云母和蒙脱石；后者主要是石英、长石、云母等碎屑矿物，少量的重矿物及一些自生和次生的矿物，如磁铁矿、金红石、褐(针)铁矿、明矾石、三水铝石、一水硬铝石和一水软铝石等。 高岭土的特性和用途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，较高的耐火度等理化性能。纯净高岭土的外观呈白、浅灰色，被其它杂质污染时，可显黑、褐、粉红，米黄等色。这些高岭土本身的颜色，对烧成以后的色泽不一定产生不良影响例如景德镇常用的抚州高岭土，颜色白中显粉红色，但烧成以后色泽洁白。又如我国山西大同所产的炭质高岭土，颜色乌黑，但烧成以后色泽也很洁白。高岭土因具有许多优良的工艺性能，广泛用于造纸、陶瓷、橡胶、塑料、耐火材料，化工、农药、医药、纺织、石油、建材及国防等部门，而且在国防尖端技术的应用也很广泛，如电气、原子能、喷气式飞机、火箭、人造卫星、半导体、微波技术、集成电路、广播、电视及雷达等方面几乎都需要陶瓷制品。 高岭土的应用领域不同，对其质量要求截然不同。按工业用途可分为造纸工业用高岭土、搪瓷工业用高岭土、橡胶工业用高岭土和陶瓷工业用高岭土等。在化学成分方面，对造纸涂料、无线电瓷、耐火坩埚等要求高岭土的Al2O3和SiO2接近高岭石的理论值，日用陶瓷、建筑卫生陶瓷、白水泥原料、橡胶和塑料的填充剂对高岭土的Al2O3含量要求可适当放低，SiO2含量可酌情高些。对Fe2O3、TiO2、SO3等有害成分，亦有不同允许含量。对CaO、MgO、K2O、Na2O含量的允许值，不同的用途中也不相同。在工艺性能方面，各应用领域要求的侧重点更为明显。如造纸涂料主要要求高的白度、低的粘浓度及细的粒度；陶瓷工业要求有良好的可塑性、成型性能和烧成白度；耐火材料要求有高的耐火度；搪瓷工业要求有良好的悬浮性等。高岭土的主要矿物组成是高岭石，它是一种六角形鳞片状的结晶，也有呈管状或杆状结晶的。从理论上分析，高岭石的化学成分应为：二氧化硅465；三氧化二铝39.5；水 14。当粘土中三氧化二铝的含量低，而钾、钠等碱金属的氧化物含量高时，就可以判定它的耐火度低，不适于制造耐火制品；如果土中三氧化二铁及二氧化钛等着色氧化物含量多，则可以估计烧出的瓷器可能不够洁白，如碳酸盐，硫酸盐或硫化物多，则烧成时很可能产生起泡等缺陷。高岭土的分类自然产出的高岭土矿石，根据其质量、可塑性和砂质(石英、长石、云母等矿物粒径50微米)的含量，可划分为煤系高岭土、软质高岭土和砂质高岭土三种类型。不同的资源秉性，基本决定了该资源可适合发展的产业方向。一般来说，国内的煤系高岭土(硬质高岭土)，比较适合开发为煅烧高岭土，主要应用于各种用途的填料方面。煅烧高岭土由于白度较高，在造纸方面也有应用，且多为生产高档铜版纸，价格昂贵(4000元/吨左右)。但由于煅烧土主要是增加白度，一般不单独使用，在造纸中用量较水洗土为少。非含煤高岭土(软质高岭土和沙质高岭土)，主要应用于造纸涂料和陶瓷行业方面。非煤系高岭土的晶体结构上主要分为单片状(径厚比为8：1)、管状和叠片状。其中：以茂名盆地为代表的单片状结构高岭土(石)经简单工艺处理即可直接应用于造纸涂料，加工成本相对稍低，附加值较高；以福建龙岩为代表的管状结构高岭土(石)可应用于陶瓷材料、耐火材料；以广西合浦、湛江廉江为代表的叠片状高岭土(石)属风化不完全(形象而言即十月怀胎不足，早产儿)，先天不足，但经剥片处理，也可用于造纸，成本相对茂名土稍高。而且，据专家分析，天然品质的局限性，使得合浦土的粘浓度较低，在目前技术条件下，还无法加工后用于高档造纸涂料。应当指出的是，这种用途上的分工也不是绝对的。随着技术的进步，高岭土资源天然秉赋上的差异，是可以通过技术的进步来抹平的。当然，技术的可能和可行是完全不同的两种概念，技术的可行还不能代表工业应用价值。在工业上的实际应用，存在性能价格比问题，成本必须有优势才有应用价值。目前这种用途上的相对区分，是以现有技术为前提的。这也是我国茂名高岭土在目前占有优势的重要原因。 我国高岭土资源情况目前我国高岭土矿点有700多处，对200处矿点探明储量为30亿吨，矿点较为分散。其中煤系高岭土16.7亿吨，主要分布在我国北方的东北、西北的石炭一二叠纪煤系中，以煤层中夹矸、顶底板或单独矿层形式存在。我国是产煤大国，基本上大型煤矿都伴生有煤系高岭土，因而煤系高岭土储量十分丰富。非煤系高岭土1996年探明工业储量14.32亿吨。与其它非金属资源相比，高岭土不属于我国的优势资源，如按人均算则更为短缺。而且我国高岭土资源的分布比较分散，品位不高，大多数为煤系高岭土(国外很少)，需要经过煅烧或改性，用于造纸涂布有天然的局限性。而且煤系高岭土由于属于煤的伴生矿，难以大规模开采利用。在我国，非煤系高岭土与煤系高岭土储量相当，但绝大多数为管状高岭土，粘度大，不能用于造纸涂布。据目前所了解资料，只有广东、广西、河北沙河的高岭土资源可以开发用于造纸涂料，因此资源十分宝贵。河北沙河在90年代中后期曾在国内造纸涂料市场与茂名高岭土有过激烈竞争，但目前已经由于资源不足，逐渐萎缩。从理论上分析，高岭石的化学成分应为：二氧化硅465；三氧化二铝39.5；水 14。主要质量指标：粒度、白度(就是白的程度,有专门的白度测量仪测得. 白度越高,说明产品颜色越白,是高岭土的一个重要指标.)、SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO、TiO2、烧失量、塑性指数。高岭土的主要物理性能： 1、颜色：白色或近于白色，最高白度大于95%。 2、硬度：软质高岭土硬度一般为1-2，硬质高岭土的有时达3-4。 3、可塑性：可塑性是指黏土粉碎后用适量的水调和后捏成泥团，在外力作用下可以任意改变起形态而不发生裂纹，出去外力，仍能保持受力时的形态的性能，高岭土具有良好的成型、干燥和烧结性能。 4、分散性：分散性是指黏土矿物分散于水中并呈悬浮状态的性质，或称为悬浮性、反絮凝性，高岭土在水中易分散、悬浮，能形成稳定良好的悬浮液。 5、电绝缘性：高岭土具有良好的电绝缘性能，200时电阻率大于1010cm ,可用于电缆填料. 高岭土的化学性能: 1、化学稳定性，高岭土具有良好的抗酸溶性。 2、阳离子交换量。黏土矿物的阳离子交换量是指在PH值为7的条件下，黏土矿物所能交换下来的阳离子总量，包括交换性盐基和交换性氢，单位为mmol/g，既每1g干样品所能交换的阳离子交换量一般为0.03-0.05mmol/g. 3、耐火度.高岭土的化学成分为Al2O3和SiO2,所以具有优良的耐火性能,耐火度为1770-1790.高岭土的加工煅烧高岭土起源于美国。起初是为了除去软质高岭土中的有机碳值，提高产品的白度。后来人们用此方法对煤系高岭土进行加工，生产出了性能、高档、价值远远高于普通高岭土的产品。大大拓宽了高岭土的应用范围。我国有丰富的煤系高岭土资源，对于煤系高岭土来说，煅烧更是必不可少的关键工序。 高岭土煅烧的主要目的是：1、脱去有机碳和其他杂质矿物以提高白度；2、脱去高岭土所含水分、羟基以提高煅烧产品的空隙体积和化学反应活性，改善物理化学性能，满足各种各样的应用需求。 经过煅烧加工的高岭土脱除了结构或结晶水、碳质及其其他挥发性物质，变成便高岭石，商品名称“煅烧高岭土”。煅烧高岭土具有白度高、容重小、比表面积和孔体积大，吸油性、遮盖性和耐磨性好，绝缘性和热稳定性高等特性，广泛用于涂料、造纸、塑料、橡胶、化工、医药、环保、高级耐火材料等领域。高岭土技术发展与应用 高岭土是一种重要的非金属矿产资源,现已探明地质储量14.32亿t,其中广东3.09亿t,福建l.11亿t,广西1.0亿t,江西0.77亿t,湖南0.54亿t,江苏0.37亿t.另已探明煤系高岭土16.7亿t,主要分布在内蒙古,山西,山东,安徽,辽宁,陕西等省区. 1 高岭土表面改性 1.1 应用与市场 我国塑料工业自1958年第一套聚氯乙烯装置建成投产至今已走过40a历史,使我国合成树脂从无到有,从小到大,1990年达237万t,八五,九五期间又有15套新的乙烯工程建成投产,塑料合成树脂产量达500万t,尽管塑料工业已取得显著发展,但按人均计算,年消费数量很低,不足5kg,与发达国家比尚有较大差距,所以,到奉世纪初塑料工业将保持一定发展速度,塑料制品将达到800万t.高岭土在塑料工业中作为功能性填料占有重要地位,由于它颗粒微细,成片状,管状,能够提高塑料制品的强度,硬度,白度,电绝缘性等,其具有在塑料膜中提高散射光透过率的作用,阻隔红外线,可广泛用于农膜,特别是作为体积填料,大大降低制品的成本,过去一般用325目末改性的高岭土作填料,由于矿物亲水,粒度粗,不能与树脂有机结合,发生分层,未起到应有作用,近几年我院科穴人员已在超细,改性两方面做了大量研究工作,取得了一定的效果,使得矿物填料在塑料制品中的份额占10%以上,有些塑料制品(如打包带)可达50%以上.茂名等地高岭土白度,细度已达到一定要求,为了在塑料制品占有更多的份额,或者使矿物填料打开望料行业的市场,表面处理就是最关键的问题. 超细改性高岭土用于橡胶制品有明显的补强性,即更高的抗扯断强度,耐腐性,抗拉伸强度,可以降低生胶含量以达到降低成本的目的.一般制品抗撕裂度可提高一倍以上,屈挠次数提高56倍.故在橡胶制品中的应用较普及,大量替代炭黑和白炭黑.日本占50%,我国目前用量2530万t. 我国涂料工业目前产量在200万t/a左右,居世界第五.涂料用填料通称体质颜料,高岭土充填后起骨架作用,具有化学稳定性,耐腐,耐水等特点,通过填充,改善漆膜机械性能,并起耐久,防腐蚀,隔热,消化作用.同时由于价格便宜,降低了成品成本,如部分替代钛白粉,用于公路标线漆,建筑物外用乳胶漆等,使用量为10%左右. 1.2 工艺技术 高岭土的表面改性工艺生产过程虽然比较简单(一般是采用机械改性,化学改性或机械-化学改性,如将高岭土干粉在连续改性机中加表面改性剂高速混合),但要取得较好的改性效果,影响因素较多,其关键在于原料准备,工艺设备和表面改性药剂,而其中表面改性药剂是最关键的技术,它将根据矿物表面物化性质,产品用途和有机树脂种类等几个方面因素来研究,涉及到矿物学,有机化学,物理化学,机械设备,高分子材料等诸多学科.用于高岭土表面改性的药剂以硅烷偶联剂较佳. 1.3 投资效益 按建一个5000t/a生产线考虑,表面改性设备投资约100万元,根据我国某高岭土厂生产实践,经表面处理改性后的产品新增产值l000l500元/t,利润300500元/t. 由于经表面处理的高岭土大大改善制品性能,降低了制品成本,所以产品市场前景广阔,经济效益显著. 2 高岭土合成4 分子筛 2.1 应用与市场 沸石(也称分子筛)是一种四面体骨架的硅铝酸盐,由于具有大量孔径均一的微孔和可交换的阳离子,因而具有特殊的吸附,分离和离子交换特点.对洗涤剂而言,需要的是离子交换能力强的4 沸石. 自于使用含磷洗涤剂的废水排放到河流湖泊后 造成时生态环境的污染,发达国家已基本限制了含磷洗涤剂的生产,我国随着政府对环境保护的重视, 已于1993年颁发洗涤剂用4 沸石标准,1999年1月1日开始在环太湖流域强制执行禁止生产,销售,使用含磷洗涤剂.其他如滇池,淮河等地也进入倒计时.故用4 分子筛代替三聚磷酸钠用于洗涤剂存着重要的现实意义.预测2001年对4 分子筛的需求超过30万t. 2.2 工艺技术 合成4 沸石有高岭土法,活性白土法和化学合日法,通过比较,用高岭土合成4 沸石是最经济,合理的.因为高岭土与4 沸石两者硅铝比相同,只要向高岭土加入Na2O组分,并使其发生晶形转变既可生成4 沸石.高岭土生产4 沸石的工艺为:煅烧-晶化-洗涤-干燥与包装. (1) 煅烧.主要是破坏高岭土的结构,使其具有一定活性,反应过程如下: Al2O32SiO22H20Al2O32SiO2+2H20 (偏高岭石) (2)晶化,使高岭土与Na+,OH-进行反应,Na+,OH-进入高岭土框架结构中,并进行有序排列,反应过程如下: Al2O32SiO2+2NaOH+3.5H2ONa2OAl2O32SiO24.5H20 (3)洗涤.洗去母液,固液分离. (4)干燥与包装. 生产工艺比较重要的是控制煅烧和晶化的温度,时间,气氛,设备的选型以及原料的选择.我院通过大量的研究开发,建设项目,已比较成熟地掌握了整套工艺技术. 产品质量执行QB1768-93,指标如下表. 2.3 投资分析 按年产2万t精土,1万t4 分子筛考虑,设备投资约1800万元,实现产值5000万元,利润1000万元左右. 指 标 项 目 优等品 一等品 合格品 钙交换能力(mgCaCO3/g无水4 沸石) 310 295 285 10m 99 99 99 粒度分布 (%) 4m 90 85 80 白度(W=Y)(%) 95 95 93 pH值(1%溶液,25) 11.0 11.0 11.3 灼烧失重(80010,3h, %) 22 22 22 3 煅烧高岭土 3.1 应用与市场 . 煅烧高岭土是一种非常重要的高岭土深加工产品,主要用于造纸,塑料,油漆,橡胶,石油化工业和新型技术材料等方面.它作为造纸涂布料可使纸张的光泽度,平滑度,不透明度和原纸覆盖率比水洗高岭土大为改善,尤其是煅烧高岭土具有优良的光 散射能力和持殊的油墨吸收性,是它能够替代昂贵的钛白粉的基础和提高纸张涂层质量的原因.它作为塑料,橡胶填料,比一般高岭土填料具有更好的收缩性,强度,阻燃性,吸湿性和电阻串.在油漆和其他涂料中,燎烧高岭土的添加使产品具有较佳的不透明性,薄膜完整性及耐擦洗性,在石油化工业,它作为催化剂的载体,具有特殊的离子交换及吸附性能. 随着国民经济的飞速发展,特别是造纸工业,国家电网改造.通信建设及建筑业的发展,对煅烧高岭土的需求越来越大,要求越来越高.国内造纸,塑料,油漆等行业对煅烧高岭土的需求量为20万t左右,其中优质煅烧高岭土需求量为10万t,所以每年从英,美等国进口,1996年进口3.7万t,1997年进口5.4万t,1998年进口6.4万t,市场前景良好. 3.2生产