非金属的矿物填料地加工与地的应用

非金属矿物填料的加工与应用

通过对《非金属矿物填料与加工技术》一书的学习，让我获益匪浅。本次的月末学习心得就是对该书学习后的一个总结。主要可以归纳为两点：一、使我对填料的概念与性质有了一个大概的了解。二、对高岭土填料的应用领域和工艺特性有了一个更深刻的探知。下面就将我学到的理论知识围绕上述两点，做一个具体的阐述与说明。

一、填料的概念与性质

填料又称为填充料，及添加入材料（如塑料、橡胶、纸张、涂料等）中做填充作用的一类材料。填料对材料的可以起到降低成本、改善性能、改进工艺特性等作用。

填料的种类很多，其中矿物填料是填料中用量最大、发展最快、应用最广的品种。矿物填料包括天然矿物和人工矿物两种。均具有许多优异的特性，且应用领域十分广泛。在本次学习中，我也将侧重点放在了塑料、橡胶、造纸、涂料四领域应用的矿物填料特性、应用与加工技术。

1、塑料

塑料的组成主要有基本树脂、填料和助剂。合成树脂是塑料的主要组成部分，决定着塑料的基本性质。而根据应用需要改变塑料物理性质的方法最普遍的就是填充改性。填充改性除基本的树脂外主要是填料，填料的性质将影响到改性材料的性能和改性的综合结果。矿物填料特性对塑料产品的影响是多方面的，主要特性是矿物的粒径、颗粒形态、比表面积、硬度、密度、化学组成以及光电磁等性质，一般来说填料的颗粒粒径越小，充填材料的力学性能越好。但同时颗粒粒径越小，所需要的加工费用就越高，实现其均匀分散就越困难，而且需要更多

的助剂。因而填料颗粒粒径的大小，需根据使用情况加以选择，在塑料生产领域中对塑料性能和工艺性质均有影响，是在塑料生产中填料使用和加工必须考虑的重要因素。

填料的主要作用是“增量”。利用其价格远低于填充的合成树脂，来达到降低塑料成本的目的。随着填充改性技术的发展和对填料认识的加深，以及填充改性给塑料制品性能带来的优越性。塑料的生产已从单纯追求成本的降低过渡到改善塑料制品某些方面的物理力学性能，甚至富裕塑料制品全新的功能。

用作塑料填料的矿物填料种类很多，其主要有碳酸钙（工业上又分为重钙和轻钙）、滑石、高岭土、硅灰石等。

2、橡胶

橡胶工业时国民经济中的一个重要部门，它的发展和工业农业等方面有密切联系。橡胶和塑料一样属于高分子化合物。

橡胶的组成主要有生胶、炭黑和无机填料。而无机填料中非金属矿物填料能占到60%左右。填料是橡胶制品的主要原料。在橡胶中添加填料，可大幅度提高橡胶的力学性能、增加体积、降低成本、改善加工工艺性能。而非金属矿物填料来源丰富，价格低，是浅色橡胶制品和彩色橡胶制品的主要填料。

矿物填料在橡胶中主要用作非活性填充剂和增量剂。橡胶中大量填充这些材料主要目的时降低含胶率，降低生产成本，有时也能改善加工工艺性能，某些矿物填料还能对橡胶起到一定的补强作用。但橡胶工业对用作填料的矿物材料有一定的要求，如填料的颗粒大小、形状和表面性质。首先橡胶生产中矿物填料的活性不能太高，不能与橡胶发生化学作用从而影响到橡胶的化学性能或力学性能，且填料应易混入、易分散。

橡胶生产中，填料粒径同是影响填充效果的重要因素。填料颗粒越小，比表面积就越大，表面活性也越大，与有机高分子界面作用越强。矿物填料的粒径越细，越有利于提高橡胶的拉伸强度、撕裂强度、耐磨性等力学性能。但粒子越细，表面能也越大，粒子易凝聚，使分散变得越困难，对填充效果不利。所以橡胶生产中的填料粒径大小应根据橡胶的性能而定，应特别注意。

几乎所有的非金属矿物材料都能用于橡胶工业，最常用的矿物填料如白炭黑、高岭土、碳酸钙、滑石粉、石棉、云母、石墨等。由于各种矿物填料的化学组成不同、结构不同，导致性能不同。白炭黑补强效果较好，适用于天然橡胶和合成橡胶。高岭土是橡胶工业中用量最大的矿物填料。近年来由于市场对浅色橡胶制品需求的增加，高岭土在橡胶中的应用，也越来越受重视。与炭黑相比，高岭土与橡胶相容性较差，因而在很大程度上，橡胶制品的应用受到一定限制。但通过超细化合化学改性处理，各种超细高岭土、活性高岭土、煅烧高岭土相继开发，使得高岭土在橡胶中的应用有了新的发展与进步。如滑石粉由于有滑感，用于混炼胶片之间、半成品之间防黏作隔离剂。石棉由于其隔热特性用于制造耐热橡胶。云母、石墨由于其片状结晶结构特性，用于制造高阻尼橡胶制品。

3、纸张

造纸工业在国民经济中也具有重要作用，世界造纸业中已有80种以上的非金属矿物填料得到填充应用。主要有滑石粉、高岭土、轻质碳酸钙、重质碳酸钙等。由于造纸工艺由酸性造纸向碱性造纸转化，用碳酸钙填料代替高岭土、滑石已成为一种趋势，碳酸钙在造纸矿物中的份额也会越来越大。

造纸工业对矿物填料的需求不仅体现在数量上，为满足用户对纸张印刷性能和光学性能提出的更高要求，对矿物填料的质量性能也日益提高。如轻质碳酸钙已经

在高档纸种填料中开始应用。

在造纸工业中应用的非金属矿物产品主要为白色填料，应用方式为纸浆内的填加和纸面处理。造纸工业中将那些在纸浆内添加与造纸纤维混合，生产原纸的材料称之为造纸填料。将那些在纸面加工中纸张涂覆中所用颗粒材料称之为涂布颜料。同一种无机矿物填料可用作填料，也可用作颜料，但产品质量要求不同。在纸中应用填料的最初目的时降低生产成本，事实上，早之中加填料有助于改善纸张的性能，使纸张获得某些特殊性能。

造纸填料中，白度、粒度、粒径分布、化学惰性、PH值等是重要的特性，其中白度与粒度对造纸填料的影响最大。白度是一种颜色概念，当然亮度高纸白度也高。填料中的一些杂质，如铁的氧化物，可使白度明显降低，应在填料加工中尽量除去，以提高纸张的白度。当填料粒径范围较窄，特别是填料在纸张中均匀分布时，有利于提高光散射率，即提高纸张的不透明度。颗粒形态影响光的散射方式，从而影响纸张填料的光学特性。

造纸用颜料主要是为了改善纸张的印刷性能，因而对涂布颜料填料的质量要求较高。如高速刮刀涂布要求颜料的流变性更好。涂布颜料重要的性能指标有白度、粒径、粒径分布、筛余物、流变性等。颜料要与适宜的粒度、形状、密度和硬度：较高的亮度、较好的遮盖率和不透明度：具有较好的化学稳定性，在水中应有较好的分散性，对涂料中的其他组分应有较好的相容性。涂料的光学性能直接影响到成纸的光学性质，要有较高的遮盖能力。所谓颜料的遮盖能力时指将它涂在纸页表面上时遮盖底层的能力。颜料的折射和反射光越强，就越不透明，也就具有更高的遮盖力。颜料的不透明度，主要取决于涂布颜料的粒径、粒径分布以及晶体结构。

4、涂料

涂料是一种呈现流动状态或可液化之固体粉末状态或厚浆状态的，能均匀涂覆并且能牢固的附着在被涂物体表面，并对被涂物体起到装饰作用、保护作用及特殊作用，或几种作用兼有之的成膜作用。涂料中的无机填料又称为体质颜料，也叫做颜料增量剂，可分为非功能性填料和功能性填料。非功能性填料主要起到增量作用，以降低生产成本，功能性填料除了增量作用外，还具有改进涂料或涂膜的某些性能的功能，如控制流变性、改进附着力、控制光泽、提高遮盖力等。

我国的涂料工业比较落后，其中也包括填料应用方面，致使涂料的品种和质量均得不到有效地提高。根据今年来涂料工业矿物填料的发展趋势来看，主要需要加强体质颜料的超细化粉碎加工。天然体质颜料若简单粉碎加工，其粉碎颗粒粒度多数在40μm左右（320目），在涂料中的应用范围受到了限制。当体质颜料超细加工至粒径小于5μm时（相当于2500目），就可以简化涂料加工程序，把体质颜料与微细彩色颜料充分混合。还需眼科控制体质颜料的残余物的指标，指标控制的越小越有利于涂料的生产。

在涂料中使用填料，降低成本不是唯一目的，填料的主要作用是在涂料中起骨架填充作用，增加漆膜厚度，使漆膜丰满坚实：调节涂料的流变性能，增稠、防沉淀：改善漆膜的机械强度，提高耐磨性和耐久性：调节涂料的光学性能，改变涂膜的的外观，如消光，对涂膜的化学性能起辅助作用。

不同的涂料品种和等级对填料的技术要求也是不等，但涂料用填料均有几项通用要求：首先白度应高，特别是对涂料涂膜颜色要求很高的涂料中，白度一般要求在90以上：易分散，这不仅有利于降低涂料生产时研磨分散的能耗与时

间，更重要的是有利于涂料性能的发挥，因为填料和颜料的分散好坏，对涂膜性能有直接的影响：要有较低的吸油性，只有吸油值低才能提高涂料的临界颜料体积浓度，才能制备出含量更高的预分散填料浆，能使涂料具有良好的流变性，使涂料储存时不沉淀，便于施工成膜，形成光滑平整的涂膜：应与涂料中的基料颜料和其他添加剂有良好的相容性，但同时也应有一定的惰性，不与上述成分发生化学反应。

涂料中常用的填料有碳酸钙（重钙和轻钙）、重晶石粉（硫酸钡）、滑石粉、够领土、二氧化硅、白炭黑、沉淀硫酸钡、硅灰石等。其中碳酸钙是涂料中应用最主要的填料。高岭土可用于各种涂料中，但以水性建筑材料为主，特别是内用乳胶漆，由于高岭土在水基性涂料中具有较好的遮盖力，从而能部分替代钛白粉颜料，可降低漆料的成本，而对漆的光泽、遮盖力、储存稳定性影响不大。另外高岭土能提高涂料的不透明性和涂膜的牢固性。

二、高岭土填料的应用领域和工艺特性

高岭土由粘土矿物非粘土矿物组成，属于二八面积的1:1型的层状硅酸盐矿物。高岭土类矿物的理想化学成分有Si2O3、Al2O3、H2O。纯的高岭土白度和亮度高，软质（1~2.5），具有强吸水性，易于分散悬浮水中，并且具有良好的可塑性和高的粘结性及优良的电绝缘性、良好的抗酸碱性、强的离子吸附性及化学惰性，能广泛应用于塑料、造纸、橡胶、涂料等领域中的填料。主要用于纸张的填料，铜版纸、涂布白纸板、涂布纸等的涂布颜料，橡胶、塑料的填料、电缆的绝缘填料：涂料的填料、体质颜料等。

高岭土的应用领域不同，对其质量要求也不同。由于高岭土的矿石类型、加工工艺不同，高岭土产品的后处理也不同，因而用于填料的高岭土物化性能也不

同，致使使用领域也不同。

造纸用的高岭土主要对高岭土的纯度高、白度高、低的黏度及细的粒度要求较高。造纸用煅烧高岭粒子表面是具有多孔特征的结构性、蓬松的功粉体材料，主要用于造纸填料和纸张填料。在高级纸张的生产中是替代TiO2的理想涂料，可赋予纸张更高的遮盖性。

在橡胶生产中，必须加入某些物质，这些物质称为橡胶混合料，包括填料、稳定剂等。高岭土在橡胶工业中起到填料作用，将其加入乳胶混合物中，能改善橡胶的性能，可以提高橡胶产品的力学强度，增加其耐磨性和化学稳定性，延缓橡胶的硬化时间等。橡胶中高岭土填料的用量必须恰当，一般在混合物中加入10%~20%左右，同时在橡胶中可起到与白炭黑或白炭黑相当的补强作用。

在塑料中，高岭土主要用作填充剂。对于塑料生产中的许多性能如表面粗糙度、尺寸的精度、耐化学腐蚀性、坚固性等都与加入的高岭土有关。煅烧高岭土填充塑料中可以起到提高塑料的电绝缘性能。同时煅烧高岭土对红外线有显著的阻隔作用，是农用塑膜理想的保温助剂。

高岭土在涂料中用于填充剂，因其具有化学惰性、高的覆盖能力、理想的流动性能且成本低、颜色为白色以及可减少昂贵燃料需求量的特点。此外，它还具有良好的悬浮性能，致使不同粒度的高岭土用于不同类型的涂料中。如粗粒高岭土用于需要黯淡色泽的和平光漆中，而细高岭土则用于生产高光洁性的涂料中。漆料工业对高岭土的基本要求是：高岭土应具有高度的分散性，没有大的颗粒以及染色氧化物的含量少。

根据原矿性质和产品用途及产品质量要求不同，高岭土的加工工艺也不尽相同。目前高岭土的加工技术一般包括选矿提纯、超细粉碎（剥片）、煅烧和表面

改性等。在高岭土的精加工中，除了白度、纯度等指标外，为了满足其他制品等对高岭土产品的技术要求，粒度和粒级分布式至关重要的指标。部分优质高岭土，尤其是硬质高岭土和高岭岩还要进行超细粉碎加工。根据产品的要求和细磨方式可以将高领土的超细粉碎加工分为干法和湿法两种。

干法大多用于硬质高岭土或高岭岩的超细粉碎，特别是用于直接将高岭石加工成满足用户需求的超细粉。同时为了控制产品的粒度分布，尤其是最大颗粒的含量，常需要配置精细分级设备。

湿法精细磨矿大多用于软质和砂质高岭土的除砂和除杂后的超细粉碎。特别是用于加工涂料级高岭土产品，也是工业上用硬质高岭土或高岭土加工的涂料级高岭土产品所必须采用的超细粉碎方法。

由于高岭土的片状晶形是其应用在某些领域的优良性能。因此，高岭土的湿式超细粉碎又称之为剥片，意即将较厚的叠层状的高岭土剥片成较薄的小薄片，保持其本来的晶体特征。湿法研磨是借助于研磨介质的相对运动，对高岭土颗粒产生剪切、冲击和磨剥作用，使其沿岩层间剥离成薄片状微细颗粒，常用的设备是研磨剥片机、球磨机等。研磨介质常用玻璃珠、陶瓷珠等。研磨介质粒径越小，产品越细，但也应注意介质球直径与被研磨物料直径的关系，研磨介质粒径应大于给料平均粒径的10倍以上。

高岭土的煅烧最初主要是为了除去其中的有机碳，提高产品的白度。后来人们通过研究发现此法对煤系高岭土进行加工，可以提高产品的性能、档次、和价值，大大拓宽了高岭土的应用范围。高岭土短少的主要目的是脱去有机碳和其他杂质矿物，提高其白度：脱去高岭土所含水分、羟基以及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。

对于煤系高岭土煅烧工艺主要有先磨后烧、先烧后磨两种工艺，主要是煅烧入窑粒度问题。如果在煅烧入窑前不经过湿法剥片，粒度越大，则颗粒的比表面积小，与氧气的接触面积小，不利于碳质的迅速燃烧，需要恒温煅烧的时间较长。而且颗粒内部的碳质无法与氧气充分接触，很难氧化脱出，产品会出现黑心现象，从而影响产品的白度。

影响高岭土煅烧的因素有很多，主要有入料粒度、煅烧温度、煅烧时间、煅烧气氛等。

由于煅烧温度的不同，发生的化学反应、晶体结构转换不同，高岭土的理化性能和适用领域也不同。高岭土的最佳煅烧温度在950~1000摄氏度之间，产品的白度和活性都能达到最理想化的要求。

煅烧气氛主要是指在炉内保持氧化还是还原气氛。氧化气氛虽然有利于有机质氧化，单不利于对Fe2O3和TiO2等染色杂质的作用。通过添加还原剂、控制如要内的O2量或者通入适量的CO2可以调节窑内保持还原气氛。

煅烧时间对高岭土的活性和白度有很大的影响。一般来说，煅烧时间越长，反应越充分，产品白度越高。在实际生产中，应寻求煅烧时间和生产效率以及产品性能的最佳组合。

高岭土的理化性能时进行表面改性的基础，特别是其表面的官能团，决定着高岭土在一定条件下的吸附特性、化学反应活性等。高岭土经过表面改性后，能达到疏水、降低表面能、改善其分散性和高聚物基料的兼容性，已达到提高塑料、橡胶等高聚物复合材料的综合性能的目的。

经过此次的个人学习，使我对填料和高岭土均有了一个更深度的认识。对于其含义，物理性质，化学性能，应用特性和加工技术与工艺有了一个由量到质的

理解，对个人知识的学习起到了一个良好的提高作用。为自己今后各项工作的积极开展，奠定了一个良好的基础。本着一步一脚印的学习宗旨，继续向前。为厂区的建设贡献出自己的一份力量，为自己今后的发展撑起一片天空!