纳米高岭土的研究与应用

纳米高岭土的研究与应用

土层结构由四个表面体的sio和八个表面体的a1-（o，o）组成。层之间没有可交换的阳离子。这些层被氢键连接，晶体表面呈电中性，具有低粘度、良好的流动性和分散性。根据纳米材料的定义:至少有一维方向尺寸位于1~100nm的材料,即可称为纳米材料。高岭土粉体由提纯、剥片、表面改性以及粉碎的工艺可制备成纳米高岭土(Nano-Kaolin),晶片平均厚度20~50nm,平均直径300nm,可广泛应用于橡胶工业。纳米高岭土原料的化学成分比较接近高岭石的理论值,属环境友好材料,无毒性以及重金属含量均符合环保要求,其使用不会对环境造成负面影响。据资料报道,目前纳米高岭土的生产和研究单位有厦门紫金科技股份有限公司和山东枣庄三兴高新材料有限公司,其中枣庄三兴公司拥有世界上第一条纳米高岭土生产线,其采用中国矿业大学(北京)的专利技术,已达到规模化工业生产,生产的产品被国际高岭土专家称为“世界上颗粒最细的高岭土之一”,用于橡胶的产品牌号有NK80(硅烷活化处理)、NK70(耦合剂活化处理)、NK85。NK80、NK70用于轮胎内胎、球胆、橡胶制品,具有良好的加工性能、超高气密性、良好力学性能;NK85用于橡胶制品可代替国外高端产品N85。纳米高岭土应用于橡胶领域可以代替目前主流补强剂白炭黑,提供高力学性能以及自己的独特性能,具有白度高、粒度细、分散性好以及与高分子化合物相容性好等特点,因成本低、易于操作已经被应用于丁苯、顺丁和天然橡胶中,结果表明可以赋予橡胶优良的力学性能、阻隔性能和热稳定性。特别是在弹性、抗屈挠、尺寸稳定性、阻隔性能、拉断伸长率、压缩变形等性能方面具有相当优势。由纳米高岭土在丁苯橡胶和天然橡胶中分散性透射电子显微镜照片可看出,高岭石在橡胶基体中分散良好,基本上成单个片状颗粒分散,很少有集合体或凝聚体的形式,片层厚度为20~50nm,其平均直径为300nm,这表明高岭石片状粒子在橡胶基质中达到了纳米级的分散和接触。同时,高岭石晶片在橡胶基质中基本上成定向性排列,这对改善纳米高岭土/橡胶复合材料的拉伸性能和阻隔性能有重要贡献。一、高岭石的粒径和形态高岭土主要矿物成分为微细的无序高岭石和石英,次要矿物和微量矿物有纤磷钙铝石、伊利石、伊/蒙间层矿物、绿泥石、硬水铝石、钛铁矿、锐钛矿、金红石等。高岭土原料经过粗碎、提纯、剥片、表面改性以及粉碎加工处理后,高岭石的含量达到97%以上,次要矿物可降低到2%以下,白度可提高到88%。获得的纳米级分散的高岭石小于0.5μm颗粒可达90%以上,平均粒径为0.3μm。在高倍扫描电镜下,高岭石呈单个的自形六方薄片状,径厚比在20∶1和50∶1之间,高岭石薄片的厚度在50~20nm之间,平均直径为300nm。利用氮吸附法测得纳米高岭土的比表面积为32m2/g,而一般高岭土的比表面积在10~15m2/g之间。比表面积与高岭石粒度密切相关,粒度越小,比表面积越大。高岭土原料的堆积密度为0.3g/cm3,而经过各种加工处理之后的纳米高岭土的堆积密度为0.06g~0.07g/cm3,仅为原料的1/5,体积明显增大,纳米高岭石具有更好的分散性。目前,机械化学剥片法已用于工业化,是现代纳米插层技术和传统机械破碎方法的有效结合。主要特点有:(1)插层、剥离、膨化的过程工艺参数易于控制;(2)插层剂可回收,无环境污染;(3)产品一次性产出无需分级。二、其它橡胶的应用纳米高岭土可用于各种橡胶制品,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。在顺丁橡胶、三元乙丙橡胶、天然橡胶和丁腈橡胶中优于白炭黑的补强性能,在丁苯橡胶中接近于白炭黑的补强性能。适合在轮胎胎侧胶、内胎、高尔夫球橡胶、胶丝、丁腈密封橡胶、鞋底橡胶、胶辊、胶棒、输送带橡胶等产品中应用。在力学性能方面,在橡套/绝缘电缆所用的三元乙丙橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶中能够与当前主流的补强材料白炭黑、炭黑接近。其电性能则远超其他材料,可以与煅烧高岭土相媲美。纳米高岭土应用于橡胶电线电缆,可以达到高力学性能和高电性能的结合。1.力学性能优化在汽车/摩托车密封件、O型圈等产品中,可降低产品压缩变形、提高力学性能,可以完全或者取代大部分主流补强剂白炭黑,同时提高产品的尺寸稳定性。此领域,纳米高岭土的性能可超越白炭黑。2.白炭黑产品的开发在各类型高级鞋底中,其性能不亚于白炭黑,其价格和性能优势可以代替白炭黑产品。此外可以高份数填充而不影响产品力学性能和硬度,弹性优越。3.轮胎行业在提供优良力学性能的同时,也可以提供高阻隔性能,增强气密性能,力学性能优越。特别在天然胶内胎中,可显著提高其气密性。三、高木和白炭黑的性能比较1.表1显示了纳米高音胶中存在的性能的比较的常用橡胶电缆2.表2显示了纳米高血压和黑棕色天然胶的耐腐蚀性3.表3显示了纳米高血压在丁苯橡胶中的额外性能和比较四、高径纳米高血压和高径烧伤高血压的性能比较纳米高岭土与EPDM高压电缆料用煅烧高岭土的性能对比见表4。五、提高产品力学性能天然橡胶是球胆、高性能内胎的重要原料,其综合性能优异但是气密性远低于其他橡胶,尤其是丁基橡胶。气密性的不足大大限制了天然橡胶在高气密性领域的应用。纳米高岭土在天然橡胶中,可以大大提高其气密性能,从而拓展天然橡胶的应用范围。尤其在轮胎行业,在天然橡胶的气密性方面有了跨越式的突破。同时可赋予体系良好的力学性能,大大提高天然橡胶的应用价值。当纳米高岭土填加量为20份,天然橡胶透气率已经稳步降低。纳米高岭土可使天然橡胶提高气密性2倍以上,而且填加量不影响天然橡胶体系力学性能,实验证明,在天然橡胶中,纳米高岭土的力学性能全面超越白炭黑,而阻隔性能则是其他主流补强剂所不具备的。在球胆、内胎中可以单独使用纳米高岭土作为体系补强材料(可以提供超越白炭黑,接近炭黑的性能),加入40~60份,可以使体系的力学性能、加工性能、气密性能达到最佳平衡。在球胆、内胎中可以使纳米高岭土与炭黑、白炭黑共同使用(建议比例为纳米高岭土∶炭黑/白炭黑为2~3∶1),既可以降低炭黑/白炭黑使用量,也可以达到性能与气密性能的最佳平衡。丁基橡胶是阻隔性能最为优