高岭土结构在煅烧过程中的变化

高岭土结构在煅烧过程中的变化

脱羟、脱水反应是高岭土煅烧过程中发生的主要化学变化。

以上所有特征可以表明，从低温到高温煅烧的过程中，

高岭土晶相发生变化，依次为高岭土、偏高岭土和含尖晶石的高岭土。

对煅烧高岭土的晶体结构、化学活性的变化、热力学特征以及煅烧后高岭土理化性能的

变化进行研究测试，结果表明，高岭土的S04大量分解，煅烧后高岭土中S03含量降低，煅烧温度在500℃以前时，高岭土晶体结构几乎保持不变，煅烧温度达到550℃时，高岭土晶体结构遭到比较严重的破坏。650℃时，高岭土特征衍射峰几乎全部消失，高岭土结构遭到完全破坏。煅烧温度在750℃．950℃之间时，高岭土开始转变为无定型的偏高岭土。从低温到高温煅烧的过程中，高岭土晶相发生变化，依次为高岭土、偏高岭土和含尖晶石的高岭土。研究发现，煅烧到550℃时，高岭土脱羟化，脱羟化后的高岭土活性强，更易与有机硅烷反应，550℃煅烧高岭土理化性能优越，符合进一步改性的需求。

高岭土的差热热重分析如图4—3所示。分析DTA曲线可知：

在100℃、150℃、200℃均出现小的吸热谷，这都可以归因于高岭土脱水。其中，煅烧温度为80℃时，高岭土脱去表面吸附水；煅烧温度达到150℃时，内层吸附水脱出，这些

吸附水未与高岭土结合成键，故而容易脱出；温度继续升高达到200℃以上时，高岭土层间的插层水脱出，由于其与高岭土结合形成氢键，因而需要较高煅烧温度才能脱出。从TG曲线也可以反映相应的失重情况，失重情况与吸热情况基本一致。

从400℃．600℃，DTA曲线显示出显著地吸热谷，TG也曲线急剧下降，变化显著，高岭土失重量达到20％，这可以归因于高岭土结构水的完全消失和羟基脱去，高岭土结构遭到严重破坏。这说明高岭土内部结构水的含量远远大于吸附水，

在图4．2的红外谱图变化中也有相似反映。在此温度区间，由于结构水的完全脱出，高岭土也发生很大程度的相变，因此吸热最为明显。

530℃以后，TG失重曲线几乎不发生变化，但是DTA曲线吸热，这是高岭土相变所致，并且与XRD测试结果一致。

当温度大于850℃时，晶体结构显示已经开始转变为偏高岭土。

当温度大于1000℃时，DTA曲线显示出一个显著的放热峰，这表明新的晶相生成。

煅烧温度小于450℃时，茂名高岭土基本保持假六方片状和管状结构，煅烧温度在450℃．950℃时，片状结构变模糊，管状结构变细，随温度升高趋近于消失，温度超过1050℃时，片状和管状结构全部消失，呈现出颗粒团聚状态。

由图4—4可知，不同煅烧温度高岭土pH值也发生很大变化，温度小于200℃

时，煅烧高岭土比原始高岭土的pH值小，这是由于煅烧土对水中游离OH．吸

附能力更强，因此释放更多H+。经低温煅烧处理后，高岭土表面的吸附水脱除，

大部分硅羟基已经失去，放入水中必须吸附更多的OH．以恢复电荷平衡，因此

导致水体中pH值下降。煅烧温度在200℃~400℃时，煅烧处理的高岭土比原

始高岭土pH值大，这是由于煅烧温度升高后，高岭土内层吸附水脱出，硅氧

四面体和铝氧八面体共同作用使插层水分子脱出，放入手中水，体系pH值反

而增高。600℃以后，高岭土结晶水完全脱出，体系pH值降低，直到1050℃基

本保持稳定。

比表面积的变化是衡量煅烧高岭土效果的最重要参数之一。比表面积越大，

吸附能力也越强。如图4．5所示，煅烧温度小于200℃时，比表面积变化呈直

线上升的趋势，从79 m2儋增加到112．8m2儋，这种情况的产生是由于表面吸附

水的脱出导致的。煅烧温度在200℃～400℃时，高岭土内部插层水的失去使比

表面积降低，吸附能力减弱。400℃．600℃表面积变化曲线呈上升趋势，这是由

于高岭土结晶水完全脱去，晶体结构破坏使比表面积增加，增加幅度较小。640

℃以后，，高岭土比表面积下降并趋向于稳定，吸附能力降低。由此可以看出，

如果仅仅出于扩大高岭土比表面积的目的，最适宜煅烧温度为1 80℃。

在煅烧过程中，高岭土脱水后，如果温度进一步升高，还要继续发生分解，

产生物相变化，并析出新的晶相。因此，不同煅烧程度，所得的产品品质性能

和用途也不相同。

4．4．2高岭土煅烧过程的行为变化特征

高岭土矿物在煅烧过程中的行为很复杂，本章主要对高岭土矿物的煅烧温

度区间的行为做描述。

(1)低温除湿阶段(也称焙干、烘干或预热阶段)的行为

低温(通常小于110℃)是此阶段的主要特征，在此温度下，矿物裂隙内

含的自由水，大多数吸附水以及少量层间水开始逐渐渗出。由于此阶段温度低，

高岭土矿物本身一般不会发生物理和化学变化。由于矿物原料中上述几种水的

脱失和蒸发逸散，由于矿物中水脱出、蒸发散失，根据热力学平衡定律，这个

阶段属于吸热过程，在这些水完全散失之前，炉内温度上升较缓慢。此阶段所

需的时间，主要受矿物原料中自由水、吸附水、层间水的含量以及杂质中水含

量等因素的影响。

(2)中温脱羟基阶段、除碳阶段的行为

此阶段的温度区间为1 10℃．925℃，由于温度逐渐升高，产生热驱动，煅

烧高岭土矿物反应开始产生，离子电性吸附水和胶体结晶水逐渐脱失，接着存

矿物晶体结构中以羟基形式存在的结构水逸出脱除。当温度达到925℃时，高

岭石矿物中各种形式的水全部脱出。虽然此阶段高岭石的脱水过程是连续渐进

式的，但在不同温度范围内，不同形式水的逃逸顺序和逃逸速度都是不同的。

一般情况下，1lO℃。400℃时，胶体水和结晶水迅速脱出；400℃一450℃结构水开始缓慢脱出；450℃一550℃，结构水迅速脱出，稍后速度减慢；550℃．925℃

结构水及其他残余水全部脱出。

在这个中温煅烧阶段，高岭石除脱水变化外，还发生形式的变化反应。存

450℃．750℃左右煅烧时，高岭石就会转变为偏高岭石或变高岭石，其反应化学

式如下：