高岭土改性 实验报告

高岭土的高温改性

实验报告

学院：资源加工与生物工程学院

专业班级：无机非金属材料0901班

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指导教师：

撰写时间： 2011年10月

高岭土的高温改性

1. 文献综述

1.1 高岭土概述

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。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。

高岭土主要由小于2个微米的微小片状、管状、叠片状等高岭石簇矿物(高岭石、地开石、珍珠石、埃洛石等)组成，其主要矿物成分是高岭石和多水高岭石，除高岭石簇矿物外，还有蒙脱石、伊利石、叶腊石、石英和长石等其它矿物伴生。

中国是世界上最早发现和利用高岭土的国家。远在3000年前的商代所出现的刻纹白陶，就是以高岭土制成。江西景德镇生产的瓷器名扬中外，历来有"白如玉、明如镜、薄如纸、声如罄"的美誉。现在国际上通用的高岭土学名--Kaolin，就是来源于景德镇东郊的高岭村边的高岭山。

据史料记载，法国传教士昂特柯莱，在1712年一份著名的书简中向欧洲专门介绍过高岭山上瓷土的特点,该文对全世界的瓷器制造业产生过深远的影响，于是高岭土在欧洲逐渐得名，并成为该类瓷土在国际上的通用名词。

现在，高岭土已成为造纸、陶瓷、橡胶、化工、涂料、医药和国防等几十个行业所必需的矿物原料。有报道称，日本还有将高岭土用于代替钢铁制造切削刀具、车床钻头和内燃机外壳等方面应用。特别是最近几年，现代科学技术飞速发展，使得高岭土的应用领域更加广泛，一些高新技术领域开始大量运用高岭土作为新材料，甚至原子反应堆、航天飞机和宇宙飞船的耐高温瓷器部件，也用高岭土制成。

1.2 高岭土的分布

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、安徽`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。

1.3 高岭土的理化性质

高岭土的理想化学式为Al2O3-2SiO2-2H2O，化学成分中含有大量的AL2O3、SiO2和少量的Fe2O3、TiO2以及微量的K2O、Na2O、CaO和MgO等。高岭土具有强的耐酸性能，但其耐碱性能差。另外，高岭土白度高、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、较好的耐火性等理化性质。

1.4 高岭土的工艺特性

高岭土的白度是其工艺性能的主要参数之一，纯度高的高岭土为白色。高岭土白度分自然白度和煅烧后的白度。对陶瓷原料来说，煅烧后的白度更为重要，煅烧白度越高则质量越好。陶瓷工艺规定烘干105℃为自然白度的分级标准，煅烧1300℃为煅烧白度的分级标准。白度可用白度计测定。白度计是测量对3800—7000Å（即埃，1埃=0.1纳米）波长光的反射率的装置。在白度计中，将待测样与标准样(如BaSO4、MgO等)的反射率进行对比，即白度值(如白度90即表示相当于标准样反射率的90%)。

高岭土的颜色主要与其所含的金属氧化物或有机质有关。一般含Fe2O3呈玫瑰红、褐黄色；含Fe2+呈淡蓝、淡绿色；含MnO2呈淡褐色；含有机质则呈淡黄、灰、青、黑等色。这些杂质存在，降低了高岭土的自然白度，其中铁、钛矿物还会影响煅烧白度，使瓷器出现色斑或熔疤。

粒度分布是指天然高岭土中的颗粒，在给定的连续的不同粒级(以毫米或微米筛孔的网目表示)范围内所占的比例(以百分含量表示)。高岭土的粒度分布特征对矿石的可选性及工艺应用具有重要意义，其颗粒大小，对其可塑性、泥浆粘度、离子交换量、成型性能、干燥性能、烧成性能均有很大影响。高岭土矿都需要进行技术加工处理，是否易于加工到工艺所要求的细度，已成为评价矿石质量的标准之一。各工业部门对不同用途的高岭土都有具体的粒度和细度要求。如美国对用作涂料的高岭土要求小于2μm的含量占90—95%，造纸填料小于2μm的占78—80%。

将成型的固体粉状高岭土坯体加热至接近其熔点(一般超过1000℃)时，物质自发地充填粒间隙而致密化的性能称之为高岭土的烧结性。气孔率下降到最低值，密度达到最大值的状态，称为烧结状态，相应的温度称为烧结温度。继续加热时，试样中的液相不断增加，试样开始变形，此时温度即称转化温度。烧结温度与转化温度的间隔称烧结范围。烧结温度和烧

结范围在陶瓷工业中是决定坯料配方、选择窑炉类型的重要参数。试料以烧结温度低、烧结范围宽(100—150℃)为宜，工艺上可以用掺配助熔原料及将不同类型的高岭土按比例掺配的方法控制烧结温度及烧结范围。

耐火性是指高岭土抵抗高温不致熔化的能力。在高温作业下发生软化并开始熔融时温度称耐火度。其可采用标准测温锥或高温显微直接测定，也可用M．A．别兹别洛道夫经验公式进行计算。式中：Al2O3为SiO2和Al2O3分析结果之和为100时其中Al2O3所占的质量百分比；R2O为SiO2和Al2O3分析结果之和为100时其它氧化物所占的质量百分比。

耐火度与高岭土的化学组成有关，纯的高岭土的耐火度一般在1700℃左右，当水云母、长石含量多，钾、钠、铁含量高时，耐火度降低，高岭土的耐火度最低不小于1500℃。工业部门规定耐火材料的R2O含量小于1.5—2%，Fe2O3小于3%。

2．实验步骤

2.1 实验原料：

主要原料：煤系高岭土

其他试剂：氢氧化钠(NaOH)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钙(CaCO3)、氯化钠(NaCl)、氯化钙(CaCl2)、氯化钾(KCl)、硫酸(H2SO4)、尿素(CO(NH2)2)、碳粉(化学纯试剂)。其中氢氧化钠、碳酸钠、碳酸钙、氯化钠、氯化钙、氯化钾、氟化钙作为高岭土的煅烧助剂，尿素作为插层剂，碳粉在研究还原气氛对煅烧高岭土白度的影响试验中作为还原剂，提供还原气氛。

2.2 实验设备

激光粒度分析仪；白度测定仪WSO-3；循环进样系统SCF-106；调频电位器。

2.3 方案依据

煅烧对于高岭土资源，特别是煤系高岭土的开发、利用和深加工是十分关键的作业之一，无论是生产高档次的填料、涂料及磨料、耐火材料都必须进行煅烧。

煅烧是煤系高岭土脱碳增白的必需措施，煅烧有时还具有精选除杂的效果。在利用高岭土中的物料组分为原料进行深加工时，煅烧还是增强化学反应活性，提高其有用成分提取率的必要手段。因此，煤系高岭土深加工的核心技术是煅烧，煅烧是提高煤系煅烧高岭土产品质量的关键工序。

煅烧高岭土产品的特性及应用是由煅烧工艺及设备决定的，由于煅烧目的、煅烧

工艺和资源特征的差异，目前尚未推出较理想、可靠的设备。而对于一定的煅烧设备或煅烧方式来说，煅烧过程中的各种影响因素，如温度、添加剂、气氛以及原料细度等，直接影响高岭土产品的性能。而煅烧产品的物化性能决定其应用性能和使用价值。因此本课题的研究对于提高和稳定煅烧高岭土的产品质量、增加其利用价值，以便有效开发我国的煤系高岭土资源，具有重要的理论意义和应用价值。

2.4 研究内容和技术路线

研究各种不同煅烧条件对煅烧高岭土物化性能的影响。主要包括以下内容:

(1)同种类的物料及给料细度对煅烧产品白度的影响。

(2)煅烧温度、恒温时间等对煅烧高岭土产品白度的影响。

(3)不同煅烧气氛或煅烧助剂对煅烧高岭土产品的物化性能的影响。

取不同细度的高岭土，研究不同原料细度对煅烧产品的白度、活性等物化性能的影响:在此基础上，选择一定细度原料，在不同的温度下进行煅烧，研究煅烧温度对高岭土性能的影响。

选择较佳煅烧温度，以它为定量因素，进行不同的升温速度、恒温时间对煅烧高岭土产品物化性能影响的研究；然后再研究煅烧气氛或煅烧助剂对煅烧高岭土物化性能的影响。确定了这些影响因素的最佳组合条件后，进行综合实验。

2.5 性能测试

这里所测量的白度为蓝光白度(TAPPI)，以主波长457nm±0.5nm半峰宽度为44nm 蓝色光谱为照射光源，用积分球收集漫反射光，以相对于白色参比标准的反射率作为被测物体白度。

差热分析(DTA)是在程序控制温度下测定物质和参比物之间的温度差和温度关系的一种技术。物质在加热或冷却过程中的某一特定温度下，往往会发生伴随有吸热或放热效应的物理、化学变化，如晶型转变、沸腾、升华、蒸发、熔融等物理变化，以及氧化还原、分解、脱水和解离等化学变化。

另有一些物理变化如玻璃化转变，虽无热效应发生但比热容等某些物理性质也会发生变化。此时物质的质量不一定改变，但温度是必定会变化的。差热分析就是在物质基础这类性质基础上建立的一种技术。将高岭土粉末研磨，过180目筛子，称取样品12g。差热分析使用中温差热分析仪CRY-1型差热分析仪，由室温升至1050℃，升温速率为10℃/min。

3．实验结果

原始数据：

粒径/um 白度

没烧 6.65 54.09

500C 4.05 64.99

600C 4.73 63.43

700C 3.91 46.30 白度变化图：

粒度度变化图：

4．实验结果分析

结果显示，给料粒度越小，煅烧产品的白度越高，粒度越大，煅烧产品的白度越低。这是因为粒度粗，煅烧会从原始固相表层开始，并逐步向矿物中心推移，煅烧一定程度后，物料颗粒内部未反应的部分，将被外部固体产物所包裹而形成一层固体反应层。继续煅烧，反应气体或热传导将先穿过固体反应层，达到内部未反应的界面部分。这样煅烧反应速度将随反应界面向内部推移而降低，煅烧脱炭、脱羟将逐步变得困难。若高岭土的粒度足够小，形成疏松的多孔层料，则煅烧反应(热传导)能够顺利地穿过料层，达到料层每个部分的高岭土颗粒表面，并向每个颗粒内部扩散，由于颗粒较小，在每个颗粒表面形成的固体反应层较薄，故煅烧反应易进行，脱炭、脱羟较完全，产品白度高。

煅烧温度越高，煅烧产品白度也越高。这是因为给料粒度相同，在相同的时间里，煅烧温度越高，在颗粒表面形成的固体反应层越薄，热传导越易穿过这层反应层，到达颗粒内部，在其它条件相同的情况下，产品脱炭和脱羟更为完全、彻底，因此白度也就越高。其中温度500℃时，白度有较高，在这一阶段，高岭土中所含的有色杂质碳、有机物、硫、铁等相继燃烧，故白度有较大的提高。当煅烧温度超过700℃时，高岭土逐步莫来石化而失去了活性。所以在煅烧高岭土时，煅烧温度偏低，则煅烧所需时间长，炭质不易脱除；煅烧温度过高，导致莫来石的形成，能耗高。