前言

 高嶺土，又稱瓷土或者白陶土，因發現于江西景德鎮附近東郊地區的高嶺村而得名，是人類使用廣的粘土材料之一。高嶺土是由多種礦物構成的含水硅鋁酸鹽的結合體，主要礦物成分為高嶺石，其還可以包含雜質如石英、綠土、伊利石和長石等。

 

質純的高嶺土質軟，有滑膩感，硬度小；密度為2.4-2.6g/cm3；耐火度高達1700-1790℃；具有良好的化學穩定性和絕緣性。純凈高嶺土或煅燒后原色的潔白度可達到80%-90%。高嶺土具有分散、可塑、結合、燒結、可選、吸附等特殊的物化特性及工藝性能，用途很廣。其主要用途是用于工業陶瓷、日用陶瓷、搪瓷及耐火材料，也可作為涂料、塑料和橡膠、醫藥、造紙、和國防等行業的填充料。

 高嶺土作為礦物填料具有范圍廣的應用，但是由于高嶺土礦物的形成條件及開采加工方法的差異，導致其表面性能有很大差別，使得高嶺土的應用范圍具有局限性。應用領域不同，對其質量要求截然不同。

01

高嶺土的表面改性方法

 許多應用領域都對高嶺土的表面或界面性質有特殊要求，為了滿足應用要求必須對其進行表面改性。表面改性是高嶺土非常重要的深加工改性方法之一，是指根據應用的需要，對高嶺土表面進行物理、化學或機械方法處理，以達到提高高嶺土的白度、亮度、表面活性或改善與聚合物相容性等目的。

 高嶺土表面官能團為Si-O或Al-O。因此，凡是能改變高嶺土表面Si-O或Al-O鍵合形式的物理或化學方法均能實現對高嶺土的表面改性。對高嶺土表面改性主要有以下幾種方式:煅燒、偶聯劑、吸附、表面包覆。

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1.1  煅燒改性

 鍛燒改性是指高溫鍛燒高嶺土，將高嶺土表面的部分或者全部的羥基脫除，獲得特殊的表面性質，使得高嶺土的晶體結構發生變化，由有序的片晶體結構變為無序的高嶺土。煅燒使高嶺土脫去水和揮發性物質，其目的在于提高高嶺土的純度、白度。

煅燒后的高嶺土具有白度高、密度小、比表面積增大、吸油性增加、熱穩定性高和絕緣性等特點。

 

 

1.2  偶聯劑改性

偶聯劑處理是利用高嶺土表面的活性基團與偶聯劑間的相互作用，從而達到改變高嶺土表面性質的目的。偶聯劑處理通常有濕法處理和干法處理兩種處理方法。偶聯劑改性作用機理是偶聯劑經水解后形成一種同時含有親水基團（通常為Si-OH）和疏水基團的兩性物質，高嶺土顆粒表面基團可與親水基團產生化學反應，形成共價鍵，而疏水基團則可與聚合物相結合，或兩種反應同時進行生成更穩固的化學鍵，從而達到改性目的。

 常用的偶聯劑有硅烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑，此外還有鋁酸酯偶聯劑、磷酸酯偶聯劑、疊氮偶聯劑、有機鉻類偶聯劑、鋯類偶聯劑及高級脂肪酸、醇、酯等。目前只有硅烷偶聯劑和鈦酸酯偶聯劑的作用機理比較清楚。

 

1.2.1  硅烷偶聯劑改性

有機官能團部分和樹脂、橡膠等聚合物反應形成化學鍵；亞烷基將有機官能團部分和硅酯基部分連接起來；硅酯基水解后生成的硅醇基與無機填料的表面化合物結合形成化學鍵。主要反應如下:

(1)與橡膠分子鏈上的雙鍵發生加成反應；

 (2)與因機械力作用而生成的橡膠分子鏈自由基發生反應；(3)發生氫離子轉移反應；(4)與異氰酸酯縮合；(5)與飽和聚合物反應。

 

整體來看，硅烷偶聯劑充當了“橋梁”的作用，使得有機母體與無機粉體以化學鍵的方式牢固地結合在一起。

 

1.2.2  鈦酸酯偶聯劑

鈦酸酯偶聯劑迄今已發展到60多種，可分為單烷氧基焦磷酯基型、單烷氧基型、配位型和螯合型四大類，其中前三種類型適合應用于高嶺土的改性。其中單烷氧基型鈦酸酯偶聯劑適用范圍廣，具有多種功能，主要適用在處理干燥的煅燒高嶺土時；含水較多的高嶺土粉體表面改性可用含有乙醇螯合基的單烷氧基焦磷酸酯基型鈦酸酯偶聯劑；配位型鈦酸酯偶聯劑多數不溶解于水，耐水性好，而且不發生酯交換反應，可適用于改性多種類型的煅燒高嶺土。

 

 一般來說，在煅燒高嶺土的表面改性中鈦酸酯偶聯劑不適合單獨使用，主要配合硅烷偶聯劑使用，才會獲得較好的改性效果。所以鈦酸酯偶聯劑可作為高嶺土的輔助偶聯劑。

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1.3  表面包覆改性

 此法是較早使用且操作簡便的傳統改性方法，適用于使用條件不高的高嶺土。原理是通過物理吸附或化學吸附的方式，在高嶺土表面包覆一層有機或無機聚合物而達到表面改性的目的。

 此法優點是高嶺土改性后可以使材料結構的穩定性及催化劑活性增強，粉末的聚集程度減弱，分散性及流動性得到改善。

 

 

1.4  表面反應法改性

 此法是化學反應法，指改性劑與高嶺土表面羥基基團發生反應，產生疏水基或者進一步產生疏水基團，引起表面性質發生改變，既降低了表面能又改善了高嶺土的疏水性和反應活性。

 改性劑可以直接改性高嶺土，也可以在其表面先反應生成離子，再通過離子交換的方式終達到改性目的，此法重要手段有酯化、鹵化、胺化等。

 

 

1.5  插層法改性

插層改性方法是利用層狀結構粉體顆粒晶體層間較弱的結合力或者層間含有可交換的陽離子等特性，采用化學反應或離子交換等方法改變粉體的層間和界面性質。高嶺土不可進行陽離子交換，但高嶺土層間存在易形成氫鍵的-OH和Si-O鍵，層間距較小，只允許部分極性小分子通過，可以將這些極性小分子插入高嶺土層間并破壞其氫鍵，撐大層間距，使層間的親水性變為疏水性，有利于其它有機物大分子通過置換過程進入，使得高嶺土以納米尺度的剝離狀態分散到各種基體中。

 

 

1.6  機械力化學法改性

 機械力化學改性法實質上是借助機械能激.活顆粒和表面改性劑發生作用，達到將機械能轉化為化學能的目的，可通過強機械力攪拌、沖擊、研磨等方法實現。

 此法在粉體的復合方面也做出了重要貢獻，可以借助機械外力使粉體顆粒表面包覆上一層更細或具有功能性的粉體顆粒，上述表面包覆改性為化學沉淀，而此法為機械化學作用。機械力化學改性法采用不同的機器以及改性工藝，則粉體的改性效果也不同。除了上述幾種常用的方法外，凝聚共沉法、粒子表面離子互換、輻照改性等方法也是高嶺土表面改性的有效手段。

02

改性高嶺土的應用

 高嶺土經改性后，改善了與有機高分子材料的交聯性，提高了分散性，增加了承受外界負荷的有效截面積，從而增強了有機高分子材料制品的力學性能，同時很大程度提高了材料的功能性，擴大了高嶺土的應用范圍。改性高嶺土的應用十分廣，特別是在涂料、塑料、橡膠等行業占有一定的地位。

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2.1  改性高嶺土在涂料中的應用

 在涂料工業中，經常使用的兩大類高嶺土：一是水洗超細高嶺土，一是煅燒超細高嶺土。由于改性高嶺土的改性劑主體具有優良的耐高低溫、耐紫外線、耐氧化降解以及電絕緣等性能，加之煅燒高嶺土的物化特性，用于耐候、耐熱、電絕緣、隔離涂料及外墻涂料中，均可對這些產品的特殊性能要求起到一定作用。在其它涂料中應用，也可對其產品質量的提高起到很好的作用。

 

 

2.2  改性高嶺土在塑料中的應用

高嶺土在塑料工業中可替代重質CaCO3作為聚氯乙烯、聚丙烯、尼龍、聚酯、酚醛樹脂等塑料的填充料，用來制造塑料水管、塑料地板等。

高嶺土作為塑料的填充料能提高塑料表面的光滑度，提高尺寸準度精和耐化學腐蝕性等。特別是高嶺土用于高絕緣電纜塑料的填充料，可提高其電阻率，這是其它無機填料所無法比擬的。改性煅燒高嶺土應用在其它塑料制品中，可提高其產品沖擊強度、穩定性和熱變形溫度等，同時可增加填料量降低成本。在熱塑性塑料中，改性高嶺土對于提高塑料的玻璃化溫度、抗張強度和模量特別有效；在熱固性塑料中，改性高嶺土具有增強塑料及預防模壓表面的纖維“起霜”及纖維表露的作用。

 

 

2.3  改性高嶺土在橡膠中的應用

高嶺土作為填料,可提高橡膠制品的檔次。這是因為在橡膠中摻入粉狀高嶺土后,形成有機高聚物（橡膠）—無機物（高嶺土）復合材料,它能改善橡膠制品的物理化學性能,如可提高橡膠制品的力學強度、耐磨性、耐酸堿腐蝕性、穩定性以及改善膠料的加工性能（如包輥性、吃粉速度、壓延壓出等）。提升性能的同時,可明顯降低橡膠制品的成本,提高經濟效益。

 經過多年的研發，高嶺土表面改性已取得了豐碩的成果，特別是在用偶聯劑表面改性高嶺土補強橡膠方面成果尤為明顯。

 

 

03

高嶺土填料改性問題及建議

 

 

3.1  改性高嶺土存在的問題

在高嶺土改性的各方面研究，國內外都很深入,各種改性方法不斷改善,但仍然存在幾個問題：

(1)國內煅燒高嶺土的質量與進口高白度、超細煅燒高嶺土產品還有很大的差距。國內開發煅燒高嶺土產品往往只注意了白度、粒度、磨耗等指標,而對各指標間的相互關系和質量特性缺少綜合評價；
(2)改性高嶺土在環保領域的研究相對較少；
(3)改性高嶺土材料制備高性能材料的可靠性和穩定性較差,而且成本較高。

 

 

3.2  高嶺土改性問題的相關建議

根據以上問題,從提高材料物性和質量、減少成本和降低能源消耗等多方面綜合考慮,高嶺土改性應在以下方面進行深入研究：

(1)深入研究高嶺土各種改性方法的機理,為制備高性能材料提供理論基礎；
(2)進一步提高改性高嶺土作為功能填料的檔次和工藝穩定性,盡可能超細化、縮小與外國的差距；
(3)把其它新興技術用于高嶺土的改性處理當中,從而突破傳統處理方法的限制,改善材料的結構、物性等。

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總結
 目前，國內高嶺土的深加工存在嚴重的問題，高嶺土一般經過簡單的初加工即以低廉的價格出口到國外，而這些地區經過再加工后以高價返銷中國，這種加工模式嚴重阻礙了國內高嶺土行業的發展。因此立足于高嶺土的深加工領域，開發新產品，提高高嶺土的產品附加值，對我國高嶺土資源的合理化、經濟化利用意義重大。