马倩倩
摘要：高岭土是一种以高岭石为主的粘土材料，因最早产自江西景德镇的高岭村而得名。我国高岭土主要分为煤系高岭土和非煤系高岭土，其中我国的煤系高岭土占已探明高岭土储量的55%以上。煤系高岭土因其特殊的成因条件，使得其颜色偏向于灰色或灰黑色。这也导致煤系高岭土在一些应用方面的限制。本文介绍了煤系高岭土的改性方法及应用。
关键词：高岭土，煤系高岭土，改性方法，应用
高岭土概述
高岭土是一种以高岭石为主的粘土材料，因最早产自江西景德镇的高岭村而得名。其中高岭石属于典型的1:1型二八面体层状含水硅铝盐酸矿物，由SiO四面体层和Al（O,OH）八面体层组成，层间不含可以相互交换的阳离子，层与层之间的氧与相邻单元层中的羟基通过氢键结合，由于这种层间力是弱的氢键和范德华力构成的，层与层之间相对容易裂开，使得高岭土的形态主要呈片状或板状。
高岭土是自然界常见的非常重要的一种黏土矿物，是在缺少碱金属和碱土金属的酸性介质中，由火成岩和变质岩中的长石或其他硅酸盐矿物经风化作用形成。高岭土因其具有分散性、可塑性、黏结性、烧结性、耐火性、离子交换性和物理化学上的稳定性，应用范围颇广。
1.1 矿床类型及特点
按照高岭土矿的成因一般划分为风化矿床、热液蚀变矿床和沉积矿床3大类。由于地质情况复杂，根据成矿作用划分为3种类型、6种亚类型[1]。
高岭土矿主要类型及其主要矿物组分及结构构造
高岭石结构模型
杂质较少的高岭土质地较软，硬度小，摸起来有一种滑腻感；密度大约为2.4~2.6g/cm3；耐火温度可达1700℃以上，具有良好的可塑性和粘结性；还具有良好的抗酸碱性和绝缘性。纯净的高岭土或经煅烧以后的高岭土白度可达到80%~90%。高岭土中高岭石含量越多，杂质越少，外观会呈现出浅灰色或白色，当含有杂质时会呈现出灰、黄或玫瑰色等。
1.2 高岭土的分类与资源分布
随着高岭土的开发与利用，根据我国的高岭土矿床类型及地质特征将高岭土分为六大类；古代煤系沉积高岭土、新生代沉积高岭土、风化淋滤型、风化残积型、热液蚀变型、现代热泉蚀变型。但更为常用的分类方式为根据地质、可塑性、含沙量来划分三大类：硬质高岭土、软质高岭土、砂质高岭土。
（1）硬质高岭土为：质地坚硬、无可塑性、在水中不能分散、只有将其粉碎研磨后具有一定可塑性。如山东章丘高岭土和山西大同高岭土
（2）质软高岭土：质软、在水中可以浸润、具有较高的可塑性、含沙量较低（含沙量小于50%），代表产品为苏州高岭土。
（3）砂质高岭土：质地疏松、含沙量大于50%以上，多见于江西景德镇大洲高岭土、江西宜春高岭土、茂名地区高岭土等。
我国高岭土主要分为煤系高岭土和非煤系高岭土，其中我国的煤系高岭土占已探明高岭土储量的55%以上。根据相关资料记载，我国仅煤系高岭土已探明储量就以达到19.66亿t，远景储量更可达到180.5亿t，储量居世界第一。根据不完全统计，我国丰富的煤系高岭土的储量与世界上软质高岭土储量相差不多。
煤系高岭土
煤系高岭土是指在煤系地层中，和煤矿一同产生的以高岭石为主要矿物成分的高岭石黏土岩。
过去因为从属于不同的地区、不同的行业、不同的研究者对煤系高岭土有着不同名称，如高岭石粘土岩、煤矸石、泥矸子、高岭岩夹矸、黑砂石、白砂石、根土岩等。为了统一规范，凡是属于伴生于煤矿地层中，以高岭石为主要的矿物成分的粘土岩、泥岩或黏土都统称为煤系高岭土。
煤系高岭土和其他类别高岭土所不同的是，其成分相对单一。通常以高纯度的高岭石晶体形式存在，并且原矿中高岭石的含量一般可达97%以上。而且在我国的煤系高岭土原矿质量好，产出率高。
而国外的煤系高岭土矿层仅为6cm左右(我国可达20cm以上)，性对来说质量较差，无开采价值，至今无生产厂家，且对其研究较少。煤系高岭土因其特殊的成因条件，使得其颜色偏向于灰色或灰黑色。这也是导致煤系高岭土在一些应用方面的限制。
煤系高领土又称高岭石质煤矸石，是煤系地层中的伴生矿物，作为主要的固态废弃物之一，其资源化和高附加值利用越来越引起人们的重视。
如何实现“以废治废”，进而还人们一片青山绿水，成为很多科研工作者关注的话题。煤系高岭土的结构稳定，杂质含量高，反应活性低，在现实生活中的利用率不高，因此需要对其进行改性处理。改性后的煤系高岭土具有较高的比表面积和表面反应活性，可以作为廉价的吸附材料。
煤系高岭土化学成分[8]
煤系高岭土的X射线衍射图谱
煤系高岭土的红外吸收光谱
2.1煤系高岭土的制备[4]
将煤系高岭土矿粉碎，过100目筛。取一定量的丙三醇、40ml蒸馏水于烧杯中，在恒温磁力搅拌器上搅拌2min，制成丙三醇溶液；加入2g六偏磷酸钠、20g高岭土矿（100目）继续搅拌10min后得混合液；将制备的混合液放入超声波细胞粉碎机中进行超声处理20min，球磨20min ,将样品取出后进行喷雾干燥，并经旋风分离器分离，收集。将所得样品置于马弗炉中，设置焙烧温度为950℃，焙烧6h后得煤系高岭土样品。
高文秋[2]在煤系高岭土的改性及其吸附性能研究一文中，采用直接酸处理法、微波辅助酸处理法、机械粉碎-酸处理法三种活化方法对煤系高岭土进行改性，利用X射线衍射、热重分析、N2吸附—脱附、红外光谱分析、化学成分分析、投射电镜等表征手段，研究了原矿煤系高岭土和改性煤系高岭土的结构、比表面积、形貌、确定最佳的改性工艺条件。
活化是煤系高岭土深加工过程中不可缺少的一个关键步骤，虽然传统的高温煅烧法能够有效地活化煤系高岭土，但其主要缺点是成本高，因此煤系高岭土低温活化方法的研究对降低加工成本以及提高其利用率至为重要。
乌仁道迪[9]在煤系高岭土的尿素铁法低温活化研究一文中首次采用尿素铁活化法对煤系高岭土进行改性，研究了反应物配比、反应温度对活化的影响。在这基础上为了进一步检验该活化方法对其他粘土矿物的适用性，对市售普通天然高岭土、埃洛石、蒙脱土等常见的粘土矿物进行了改性研究。
同时为进一步验证改性效果，以改性前后的煤系高岭土和市售普通高岭土为吸附剂，研究了其对次甲基蓝染料溶液的吸附性能。
高岭土的应用
高岭土具有良好的可塑性、分散性、耐火性、粘结性和稳定性等特性，在造纸、陶瓷、橡胶、耐火材料和农业等多个领域得到广泛应用。
随着改性技术和纳米技术的出现及发展，改性高岭土和纳米高岭土展现出了更加优异的性能，极大地拓展和延伸了高岭土的应用领域，如医药、化工和国防等领域。全球高岭土约45%用于造纸领域，约16%用于耐火材料，约15%用于陶瓷领域，玻璃纤维和水泥制备领域各占约6%[6]。
高岭土的应用领域
3.1 在橡胶中的应用
我国煤系高岭土储量远比非煤系高岭土丰富，在我国具有得天独厚的资源优势。煤系高岭土主要伴随煤矿的开采所堆积废弃，原料利用率低，容易造成资源浪费，目前高岭土主要的应用方面在陶瓷、纸张等方面，在橡胶填充的应用方面则相对较少。
张庆斌[5]在煤系高岭土改性及其在橡胶中的应用研究中选用3种煤系高岭土、3种国内高岭土与2种国外高岭土，探究其对丁苯橡胶的补强性能的影响，并与其他常用橡胶填料进行对比实验。结果表明：煤系高岭土中以G90产品的力学补强性能最佳，与国外产品中的北海高岭土BHK、强微粉的力学补强性能相当，但与国外产品snobrite75产品补强性能相比有所不足。
在不同填料对比性能实验中，煤系高岭土G90补强性能上仅次于炭黑和白炭黑，而且远胜于碳酸钙、石榴石、硫酸钡、方解石等填料。但煤系高岭土胶料在断裂伸长率上要大于炭黑硫化胶。在回弹性能、压缩永久变形、压缩生热性能上要优于白炭黑胶料。
3.2 在涂料中的应用
杜雅琴等[4]在煤系高岭土的制备及其在涂料中的应用研究一文中，以煤系高岭土矿为原料，丙三醇为插层剂，采用超声辅助液相插层工艺，经湿法球磨、喷雾干燥、旋风分离、焙烧后制备煤系高岭土，并对其微观形貌进行了表征。以所得煤系高岭土为原料制备水性环氧内墙仿瓷涂料，并和市场上的同类产品进行对比研究，采用白度仪、反射率测定仪、紫外灯照射、冷热循环、耐洗刷仪测定涂层各项性能。结果表明：采用超声辅助液相插层法制备的高岭土其形貌、粒度、白度与钛白粉相近，优于市售同类产品；与钛白粉按质量比4:6掺杂制备涂料时实现了协同效应，在白度、遮盖力、耐紫外、耐干擦、耐冷热循环方面都优于市售高岭土和钛白粉复配效果，可显著降低涂料成本。
3.3 在陶瓷领域的应用
“瓷土”名字的由来与制瓷业有着密切的联系，就目前高岭土使用的情况来说，仍然在陶瓷制造业是使用量最多的领域。陶瓷产品品质与高岭土的使用量有着密切的联系。若使陶瓷有更好的强度，稳定性等性能，就必须使用一定量的高岭土。使用过高岭土的陶瓷在过滤机和净水器等功能方面比普通的陶瓷品质要高。所以单从这点来看，也需要加大对高岭土提纯的科研投入力度。
王正[7]在煤系高岭土改性制备复合陶粒吸附剂及其硅废水中Cr(VI)的吸附性能研究一文中，对偏高岭煅烧温度制度进行细分优化，并引入消石灰作为偏高岭土活性激发剂，通过比较煤系高岭土生料与偏高岭土、改性高岭土对废水中重金属离子的去除效果，探究煤系高岭土的最佳改性条件。进一步调整配方，加入碳粉作为偏高岭土基陶粒的造孔剂，从而优化陶粒内部孔结构，掺入适量高岭土熟料作为骨架，最后成功制备出一种吸附效果良好，强度较好的陶粒，解决了粉状高岭土吸附重金属后难以回收利用的问题，为固体废弃物煤系高岭土拓宽了应用途径。
3.4在环保领域的应用
高岭土特殊的层状结构有很好的交换性和吸附性，所以被广泛的应用于环保领域，如废气和废水净化。另外，高岭土还用于干燥净化，催化等领域。经实验研究，以煤系高岭土为原料，经过一系列的化学反应可以制备较好的分子筛，可以大幅度的提高高岭土的附加值。高岭土还对一些放射性元素有很强的吸附能力，对核能发展有重要的发展意义。
3.5在耐火材料领域的应用
高岭土可以在高温下形成硅酸铝—偏高岭土。这是现代社会中一种重要的高岭土加工制造产品，这种产品被很多领域应用着，比如说建筑材料领域。这种产品可以有效的提高材料的强度，具有良好的耐火性。另外，我国高岭土资源相对丰富，在生产的同时可以降低生产成本，所以被广泛的应用于耐火材料的领域之中[3]。
3.6在医药领域的应用
在古代高岭土就被应用在医学领域之中，称为“白土”。目前高岭土被广泛的应用于中医疗领域中。针对于高岭土的止血功能进行实验研究，结果表明，在纱布中加入少量高岭土可以有助于止血，减少流血量。可以降低手术过程中的风险。
小结
煤系高岭土不仅具有高岭土所拥有的各项性能特点，而且煤系高岭土常含有一些有机碳等物质，与橡胶基体有较好的相容性，其优异的物理机械性能使得煤系高岭土在橡胶行业内越来越受重视。
参考资料:
[1]焦丽香,郭加朋,程伟.山东高岭土矿成矿特征及成矿规律探讨[J].山东国土资源,2021,37(01):10-18.
[2]高文秋.煤系高岭土的改性及其吸附性能研究[D].内蒙古师范大学,2016.
[3]李坤.高岭土提纯工艺及其应用研究进展[J].化工管理,2018(36):108-109.
[4]杜雅琴,张进,赵建国,吕超,潘启亮,邢宝岩,宋洁,付永春.煤系高岭土的制备及其在涂料中的应用研究[J].涂料工业,2019,49(04):53-57.
[5]张庆斌.煤系高岭土改性及其在橡胶中的应用研究[D].青岛科技大学,2020.
[6]李国栋,殷尧禹,卢瑞,韩聪,魏德洲,沈岩柏.高岭土提纯工艺及其应用研究进展[J].矿产保护与利用,2018(04):142-150.
[7]王正.煤系高岭土改性制备复合陶粒吸附剂及其对废水中Cr(Ⅵ)的吸附性能研究[D].太原理工大学,2019.
[8]陆银平,邢学玲,刘钦甫.不同产地煤系高岭土的矿物学特征及插层复合物的制备[J].岩石矿物学杂志,2014,33(03):561-566.
[9]乌仁道迪.煤系高岭土的尿素铁法低温活化研究[D].内蒙古师范大学,2018.
文章发表于《中国粉体工业》2021年第2期
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