高岭土的应用与研究现状

武汉工程大学

Wuhan Institute of Technology 《非金属矿物材料》课程论文

高岭土的应用与研究现状

院系：环境与城市建设学院

班级：矿物加工01班

学生：乐坤李春阳李鹏辉

李雪强刘连坤刘念

指导教师：张翼

2012年5月27日

摘要

高岭土是指以高岭石族矿物为基本组成的岩石或工业矿物类型。高岭土是一

种重要的非金属资源。高岭土通过加热煅烧变成偏高岭石，广泛应用于涂料、造纸、塑料、橡胶、高级耐火材料等领域。阐述了高岭土发展状况与最新的应用范围，以及目前高岭土应用前景与展望。

Abstract

The kaolin is kaolinite group minerals as the basic composition of the rock or the type of industrial minerals. Kaolin is an important non-metallic resource. Kaolin be heated and calcined into metakaolinite , and widely used in paint, paper, plastics, rubber, high-grade refractory and other fields .The article expound the kaolin’s development with the latest range of applications, and the current kaolin application prospects and prospect.

关键词：高岭土应用研究现状展望

Key words: kaolin Application Research present situation Prospect

1 高岭土的介绍

1.1高岭土矿物简介

高岭土是指以高岭石族矿物为基本的岩石或工业矿物类型。是质地纯净的细

粒粘土，原矿呈白色或浅灰色，含杂质时呈黄色或灰色；致密块状或是疏松土状，质软，有滑腻感，指甲可刻画。高岭石族矿物共有高岭石、迪开石、珍珠石、0.7nm

埃洛石、1.0nm埃洛石等五种，高岭石矿物的化学成分相似，仅以单位构造层的

堆叠方式和层间水的含量略有不同。它们的理论结构式为Al4(Si4O10)(OH)8。

高岭土是以高岭石亚族矿物为主要成分的软质粘土，主要由高岭石矿物组成。自然界中组成高岭土的矿物有粘土矿物和非粘土矿物。粘土矿物主要是高岭

石族矿物，其次是绿泥石、蒙脱石和水云母。非粘土矿物主要为石英、长石、和

云母以及铝的氧化物和氢氧化物、铁矿物、铁的氧化物、有机物等

自然产出的高岭土矿石，根据其成因、质量、可塑性和砂质的含量，可划分

为硬质高岭土、软质高岭土和砂质高岭土三种工业类型。

在我国，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，主要分布在中国北方的东北、西北的石炭——二叠纪煤系中，以煤层中夹矸、顶底板或单独矿层形式存在。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。

1.2 高岭土的物化性质

1）物理性质

a.白度：白色或接近白色，最高白度大于95%；白度是高岭土工艺性能的主要

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。

b.硬度：软质高岭土一般为1~2，硬质高岭土有时可达3~4。

c.可塑性：可塑性是指粘土粉碎后用适量的调和后捏成泥团，在外力作用下可

以任意改变其形状而不发生裂纹，除去外力，仍能保持受力时的形状的性能。

而高岭土具有良好的成型、干燥和烧结性能。

d.分散性：分散性是指粘土矿物分散于水中并呈悬浮状态的性质，或称为悬浮

性、反絮凝性。高岭土在水中易于分散、悬浮，能形成稳定性良好的悬浮液。

e.电绝缘性：高岭土具有优良的电绝缘性，200℃时电阻率大于100亿Ω·㎝，

频率50Ｈz时击穿电压大于50ｋv／ｍｍ,可用于电缆填料。

2）化学性质

a.化学稳定性: 高岭土具有良好的抗酸溶性。

b.阳离子交换量：粘土矿物的阳离子交换容量是指在pH值为7的条件下，粘

土矿物所能交换下来的阳离子总量，包括交换性盐基和交换性氢。单位为mmol／100g。而高岭土的阳离子交换量一般为3~5mmol／100g。

c.耐火度：高岭土的化学成分为Al2O3和SiO2，所以具有优良的耐火性能，耐火

度为1770~1790℃

d.高岭土的热性质：高岭土在110℃左右排出各种吸附水；110~400℃时排出层

间水；但温度继续升高时，不同的温度区间会发生不同的化学反应。

2. 高岭土的用途

高岭土的可塑性、粘结性、一定的干燥强度、烧结性及烧后白度等特殊性能，使其成为陶瓷生产的主要原料；洁白、柔软、高度分散性、吸附性及化学随性等优良工艺性能，使其在造纸工业上得到广泛的应用。此外，高岭土在橡胶、塑料、耐火材料、石油精炼等工业部门以及农业和国防尖端技术领域亦有广泛用途

2.1 高岭土的主要用途

a.陶瓷工业:陶瓷工业的主要原料，用于制作日用陶瓷、建筑及卫生陶瓷、电瓷、

化工耐腐蚀陶瓷、工艺美术陶瓷及特种陶瓷等。

b.造纸工业:用于纸张的填料和涂料，提高纸张的密度、白度和平滑度，改善印

刷性能，降低造纸成本.

c.耐火材料及水泥工业:耐火度高于或等于1770℃的纯净高岭土可制熔炼光学

玻璃和玻璃纤维用的坩埚及实验室用坩埚，低品位高岭土可制耐火砖、匣钵、耐火泥、出铁泥塞及烧制白水泥等。

d.橡胶工业:用作补强剂和填充剂，可提高橡胶的机械强度及耐酸性能，改善制

品性能，降低成本。

e.石油、化工工业:制高效能吸附剂，代替人工合成化工用分子筛，用作石油裂

解催化剂。

f.医药、轻纺工业:作为医药的涂层，吸附层、添加剂、漂白剂、制作去垢剂、

化妆品、铅笔、颜料、油漆的填料。

g.农业:用作化肥、农药、杀虫剂的载体。

h.国防尖端技术:原子反应堆、喷气式飞机、火箭燃料室及喷嘴等都需要优质高

岭土。

2.2 应用结构

各国的资源条件及工业发展程度有所差异，高岭土的应用结构亦有较大区别。例如：我国70%以上的高岭土用于陶瓷工业，造纸工业用高岭土所占比例甚小。美、英、日本等国家50%以上的高岭土则用于造纸工业。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。高岭土在造纸工业的应用最为广泛。主要有两个领域，一个是在造纸(或称抄纸)过程中使用的填料，另一个是在表面涂布过程中使用的颜料。对于一般文化纸，填料量为纸重量的10-20%。对于涂布纸和纸板(主要包括轻量涂布纸、铜版纸和涂布纸板)，除了需要填料外，还需要颜料，填、颜料用的高岭土所占比重为纸重量的20-35%。高岭土应用于造纸，能够给予纸张良好的覆盖性能和良好的涂布光泽性能，还能增加纸张的白度、不透明度，光滑度及印刷适性，极大改善纸张的质量。

3 高岭土的研究现状

3.1高岭土选矿

高岭土主要由高岭石、埃洛石组成，含量可达90%以上，其次还有水云母，常混有黄铁矿、石英、明矾石等。高岭土原矿的加工工艺取决于原矿的性质及产

品的最终用途。在工业生产中应用的工艺有两种：干法工艺和湿法工艺，通常硬质高岭土采用干法生产，软质高岭土采用湿法生产。

干法工艺是一种较为简单经济的加工工艺。先经过锤式破碎机破碎，然后经过笼式破碎机，最后经过离心分离机和旋风除尘器的吹气式雷蒙磨即可湿法工艺包括矿石准备、选矿加工、和产品处理三个阶段。准备阶段包括配料、破碎和捣浆等作业。选矿阶段可能包括水力分级、浮选、选择性絮凝、磁选、化学处理(漂白)等作业，以除去不同的杂质。产品再经过不同的步骤处理后即可进行下一步的加工及应用。

常规浮选高龄提的研究早已开始，但真正应用与工业生产却是最近几年才开始的。英国ECC公司已成功将常规浮选应用于工业生产。其浮选给矿中，+10μm 含量约达30％，只要适当调整药剂制度及浮选机构，大部分高岭石都能被福相上来，石英、云母、长石等狂物则被抑制，作为尾矿处理，高岭石的浮选回收率可达70％。[1]

高岭土的选矿方法有高梯度磁选、泡沫浮选和选择性凝聚／絮凝。我国对高岭土的选矿较多采用浮选，技术也相对落后，而目前欧美，日本等国拥有较为完善的悬空工艺与设备，方法也较多采用高梯度磁选和浮选。这是目前高岭土选矿的发展现状。

3.2煅烧高岭土

高岭土通过煅烧脱除了结构水或结晶水﹑碳质及其他挥发性物质变成偏高岭石产品民称为“煅烧高岭土”煅烧高岭土具有白度高、容重小、比表面积和孔体积大、吸油性、遮盖性和耐磨性好、绝缘性和热稳定性高的特性，是一种性能独特的无机非金属功能填料和颜料。

高岭的土煅烧的原理：

Al2O3·2SiO2·2H2O550-700℃A12O3·2SiO2+2H2O

高岭土偏高岭土

2(A12O3·2SiO2)925℃2A12O3·3SiO2+ SiO2

偏高岭土铝尖晶石

1050-1100℃开始转化为似莫来石，反应式如下:

2A12O3·3SiO21100℃2(A12O3·SiO2)+ SiO2

1200-1400℃生成莫来石，反应式如下:

3(A12O3·SiO2) 1400℃3A12O3·2SiO2+ SiO2

影响高岭土煅烧的因素很多，主要因素有如要粒度、煅烧温度、煅烧时间、

煅烧气氛等。根据高岭土的煅烧温度，可以将高岭土划分为低温煅烧（600~1000℃）、中温煅烧（1000~1200℃）、高温煅烧（1200℃以上）。由于煅烧温度不同，发生的化学反应，晶体结构转换不同，煅烧高岭土的原理化性能和适应领域也不同。煅烧的时间对高龄土的活化性和白度有很大影响。一般来说，煅烧时间越长，反应越充分，产品的白度越高。

温度一般在500~1200℃，煅烧有机污染，提高其纯度和白度。高温煅烧后的高岭土产品性质稳定，具有高亮度、低磨耗度和不透明性。[2]目前高岭土煅烧的发展现状温度一般控制早500~1200℃之间，然后再根据所需产品的性质或特征来调节反应温度。再根据所需产品的白度需求来确定煅烧高岭土的时间。这些都是属于工艺方面的发展现状。而在设备上，煅烧高岭土的煅烧设备目前主要依赖进口。

煅烧高岭土的主要市场是油漆涂料、造纸、橡胶和塑料制品、电缆、陶瓷等，其中油漆涂料和造纸是我国优质煅烧高岭土最主要的消费领域，分别占国内超细、高白度优质煅烧高岭土消费量的50%和40%左右。在该领域日本、德国、美国、加拿大等国一直处于世界先进水平。

3.3高岭土表面改性

高岭土表面改性是指根据应用的需要，用物理、化学或是机械的方法对高岭土粉体表面进行处理，以改变其表面的物理化学性质，满足现在材料、新工艺和新技术的需要。对于表面性质的研究，我们主要集中在接触角、表面张力、表面润湿性、吸附作用及表面电性上。[3]

黏土矿的改性是深加工的一种重要形式。由于原生高岭土表面呈酸性, 因此和乙烯树脂等有机材料有较差的混溶性。利用高岭土表面的羟基和含氧基团易于和表面改性剂作用, 形成表面包裹层的特点, 用表面化学包裹法对高岭土进行表面吸附改性。高岭土表面改性, 可提高在有机高分子材料中的分散性。用改性高岭土作原料不但提高产品的性能, 而且因为高岭土的添加量大, 可降低产品的成本及提高附加值。[2]

目前，高岭土已在造纸、耐火材料、橡胶、塑料等行业中有着广泛的应用。高岭土粒子细微化是高岭土改性的方向之一，常用的高岭土表面改性方法有煅烧改性和偶联剂改性，表面改性提高了高岭土与有机物基体的相容性和结合力，并改善了其在有机物基体中的分散性；高岭土表面改性效果表征方法主要有沉浮法、活化指数法、有效活化指数法、浊度法、表面润湿法、特征系数法、吸附性法、材料性能测定法。研究表明。表面改性高岭土可部分或全部替代炭黑或白炭黑用作橡胶补强剂。目前还有激光表面改性和电子束表面改性等先进的表面改性方法。

4 高岭土的发展趋势与展望

目前，我国在高岭土的传统应用领域仍然有很大发展空间，（1）我国造纸用煅烧高岭土仍将以进口产品为主,造纸涂布用高岭土的市场需求量已达到35 万吨, 而国内只能生产25 万吨, 一般是用来满足中低档纸品的要求。从 2000 年开始, 我国从国外每年进口造纸涂布用高岭土 10 万吨。（2）据专家分析预测涂料行业的需求增势仍将继续扩大, 煅烧高岭土的市场需求也将得到拉动。高档煅烧高岭土部分取代钛白粉的现状不会改变。涂料对煅烧高岭土的消费需求领域变化会随着涂料生产重心的变化而变化。( 3) 生产高绝缘性能电缆无疑需要超量加入电性能改良剂。高岭土作为唯一能成电性能改良剂的产品, 自然前景看好, 趋势很好。在要求电绝缘性能较高的塑料电缆及绝缘材料中,需填充改性煅烧高岭土。( 4)我国橡胶工业中使用的补强剂是炭黑,浅色橡胶中使用的是白炭黑。以高岭土制作的硅铝炭黑,随着研究和开发的不断提高, 在功能上尤其是在价格上, 将具有极大的竞争优势。国产炭黑: 4300 元/吨,国产白炭黑: 7200 元/ 吨。目前我国优质白炭黑产品仍从德国、日本、美国进口。充分发挥硅铝炭黑的价格优势是今后几年的主要竞争手段。碳酸钙产品的价格较煅烧高岭土更加具有竞争力,但是由于碳酸钙本身不能完全取代煅烧高岭土,中低档煅烧高岭土的生存空间不容乐观。( 5) 其它。搪瓷用粘土主要还依赖进口, 供应国是美国、德国、日本, 国内约有10000 t/ a的市场。催化剂用高岭土,国内已有较多的研究。粘浓度大于68%,白度大于 88% ,粒度、磨耗符合要求的高岭土产品,国内市场供不应求。[4]

世界高岭土行业在发展，随着科技与经济建设的发展，人们对高岭土的研究也有新的创新与突破，高岭土的应用范围也越来越广，从单一日用、建筑、陶瓷、耐火材料发展到石油化工、橡胶、塑料、涂料等几十个行业。尤其在纳米高岭土以及将高岭土应用在一些新型材料中都有重大突破。

世界高岭土总产量约为4000万t，但精致高岭土不到50%，随着社会的进步和科技的发展，需要的高岭土（尤其是优质高岭土）会越来越多，今后若干年，国内外高岭土市场将保持稳定发展，贸易量呈不断增长的趋势，尤其是优质高岭土。因而我国高岭土工业应着眼于国内外两大市场，重点发展深加工，开发新产品，尽快改变目前产品结构不合理的状况，从传统的应用领域转向高科技、高效益的领域。[5]目前，高岭土工业应重点研制生产涂料级高岭土、煅烧高岭土、超细以及其他高精尖产品，力争提高产品科技含量，提高高岭土的附加价值，将高岭土的生产加工工艺完善创新。

参考文献

[1] 蒋军华，高岭土选矿的进展[J].矿产综合利用，1991年第2期

[2] 朱华，高岭土应用的工业发展及现状[J].高岭土工业进展，2005第6期

[3] 凡曼，王兴涌，高岭石的表面光性质和浮选特性的研究[J]. 化工中间体,2012第3期

[4] 韩秀山，我国高岭土应用现状[J].矿产保护与利用,2004年第6期

[5] 郑永林，冯欲晓等，中国煤系煅烧高岭土加工利用现状与发展[J].中国非金属矿工业导刊，2001年第5期