[發明專利]一種高徑厚比高嶺石的制備及其徑厚比的測算方法

有效

• 申請號: 201410057136.6
• 申請日: 2014-02-19
• 公開（公告）號: CN103926119A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 劉欽甫;張志亮;程宏飛
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28;G01N15/02
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 耿小強

技術領域

本發明涉及一種高徑厚比高嶺石的制備及其徑厚比的測算方法，是建立在公開專利（CN103196802A）“一種填料用片層材料徑厚比的測算方法”的基礎上的繼續研究，本專利包含了高徑厚比高嶺石的制備及高嶺石徑厚比的測算方法，屬于材料測試技術領域。?

背景技術

高嶺石是由硅氧四面體和鋁氧八面體組成的1∶1型二八面體層狀硅酸鹽礦物。在顯微鏡下，高嶺石呈六角形鱗片狀、單晶呈六方板狀或書冊狀，集合體往往呈蠕蟲狀或手風琴狀（殷海榮等，材料導報，2006）。我國高嶺土資源以成因類型齊全、儲量豐富、質地優良聞名于世。現已探明的高嶺土地質儲量20億噸左右，另煤系高嶺土16.7億噸（2013-2018年中國高嶺土市場現狀調查及發展趨勢預測報告，2013），儲量巨大。?

未來幾年，我國高嶺土消費需求仍將保持增長態勢，國內高嶺土消費領域，包括陶瓷、造紙、橡膠、塑料、搪瓷、石油化工、涂料、油墨、光學玻璃、玻璃纖維、化纖、試論、建材、化肥、農藥和殺蟲劑載體、膠水、耐火材料等行業，產品有十多個系列近60-70個品種。2010年高嶺土需求總規模超過700萬噸。預計到2015年，我國高嶺土消費需求量將達到971萬噸左右，未來前景可期（2013-2018年中國高嶺土市場現狀調查及發展趨勢預測報告，2013）。?

在橡膠行業，許多橡膠制品都要利用彈性體的氣密性功能，其中包括各種用途的內胎、汽車輪胎的內層膠、貯氣膠囊、探空氣球等。由于聚合物具有透氣性，氣體在壓力的作用下就能緩慢地通過聚合物層從而產生泄漏，這是彈性體材料的一大缺點。在輪胎行業，氣密性更是內胎膠或內襯層材料所需要的最重要的性能，而一些航空航天的高性能彈性體對氣密性的要求也非常苛刻。提高橡膠材料的氣密性主要有兩種方法。一種是采用高性能的特種橡膠，例如丁基橡膠（IIR）或經過化學改性的天然橡膠，但是特種橡膠的價格高昂，對于內胎這種大量使用的橡膠材料成本太高；另一種方法是在橡膠基體中填充一些填充劑來提高橡膠材料的氣密性，這種方法比較廉價。高嶺土具有片層結構，當分散在橡膠中時，這種結構將對氣體阻隔非常有利，特別是高徑厚比的高嶺石分散在聚合物基體中，將會賦予復合材料優異的氣體阻隔性能。高嶺土的片層結構提高橡膠材料的氣密性主要原因有兩點：首先層狀結構會延長氣體分子在橡膠基體中的擴散路徑，其在橡膠基體中均勻分散后，其片層結構具有各向異性，在橡膠基體受到外力作用時會定向平行排列，平行排列的片層結構使橡膠分子鏈的活?動受到限制，同時氣體分子在橡膠基體中擴散時必須繞過這些片結構，從而有效延長了氣體分子的擴散路徑；第二個原因是高嶺土的片層結構有效充填了橡膠復合材料的孔隙而增加了密實度，減少了材料中的自由體積，再加上粘土片層的“異相成核作用”增大結晶相，減少了無定形相的體積，增大擴散分子的曲折途徑而減少擴散。正因為這些結構特點，才使得橡膠/高嶺土復合材料在氣體阻隔性能方面具有優異的表現（張玉德，橡膠/納米高嶺土復合材料的分散性及其阻隔性能研究，2007；張印民，橡膠/高嶺土復合材料的動態生熱及阻隔性能研究，2013）。正因為這些結構特點，才使得橡膠/粘土納米復合材料在補強、熱阻隔和氣體阻隔等性能方面都有優異的表現，其產品可廣泛應用于耐高壓的輪胎內胎和內襯層、球膽、氣墊、氣密層、薄膜、膠管、膠輥、膠帶、膠鞋、電纜護套等制品。張玉德和劉欽甫教授采用熔融共混和乳液共混方法將化學改性的高嶺土用于丁苯橡膠中，所制備的復合材料的透氣率降低了40－60％，并且發現片狀的高嶺土比球狀的白碳黑更具有阻隔優勢（張玉德、劉欽甫，礦物巖石，2009）。?

高嶺土的片層充填在橡膠復合材料中的示意模型圖見附圖1，由圖可見：圓盤形的高嶺石片狀填料均勻分散在聚合物中（圖中，高嶺石片層寬度為d，厚度為h，故其徑厚比為AspectRatio(AR)=d/h），且取向方向平行于膜片的表面，氣體分子透過聚合物膜片所經過的滲透路徑被充分延長，這體現了高徑厚比的高嶺石填料對橡膠阻隔性能方面的貢獻。?

高嶺石的徑厚比，在高嶺土應用的許多領域，例如造紙、涂料，尤其是應用于橡膠的阻隔性能和增強性能，都是一個關鍵的影響因素，具有重要的研究價值。但受其礦物形貌的特殊性及納米級微觀結構的影響，高嶺石徑厚比的測量一直是備受業界關注的重點和難點。?

迄今為止，國內外尚未有專用于高嶺石片層徑厚比測算的方法，現有的關于片層材料徑厚比測量的方法主要是綜合采用電子掃描顯微電鏡法、透射電鏡等圖像法，以及X光投射圖像法或X光衍射結構分析法等。這些方法所用的儀器價格昂貴，但結果不穩定，重復性較低，且工作量大，成本過高，一般生產單位不具備這樣的條件，應用起來具有局限性。?