高岭土的组成性质及应用

摘要：高岭土是一种天然矿物，在我国有丰富的储藏，现已探明地质储量约 30 亿吨，主要分布在粤、桂、赣、闽、苏等地区。

其结构是由一层 Si-O 四面体和一层 Al-O 八面体通过氧原子的共享交错堆积而成，化学分子式为 Al2O3·2SiO2·2H2O。

质纯的高岭土具有白度和亮度高,质软(硬度1~2.5),强吸水性,易于分散悬浮于水中,良好的可塑性和高的粘结性,优良的电绝缘性,良好的抗酸碱性,强离子吸附性和弱阳离子交换性质以及良好的烧结性和较高的耐火度(约1800℃)等性能,使其成为陶瓷生产的主要原料。

洁白、柔软、高度分散性、吸附性及化学惰性,使其在造纸、橡胶、塑料等工业部门广泛应用。

高岭土还广泛应用于耐火材料、石油化工、农业、国防尖端技术等领域,此外,高档化妆品粉料、洗涤剂助剂和污水净化剂的材料亦可由高岭土产品加工制备出来。

本文主要介绍了高岭土的组成、性质及其应用并主要介绍高岭土在无机方向应用。

关键词：高岭土组成工艺特性应用
1 高岭土矿物的基本结构与分类
1.1 矿物基本结构
高岭土是具有岩石含义的名称，它是主要由高岭土类矿物组成的一种重要的粘土。

高岭土是 1∶1 型层状八面体硅酸盐矿物，基本组成单元是硅氧四面体和铝氧八面体，硅氧四面体以共用顶角方式沿着平面二维方向结成呈六方排列的网格层，各个硅氧四面体未共用的尖顶氧皆朝向一边。

硅氧四面体以共用边棱的方式沿着平面二维方向连结成层[1]。

铝氧八面体中有 4 个氧原子被羟基取代，内外羟基比为 1∶3，属三斜晶系。

高
岭土的结构式为
2SiO
2
·Al
2
O
3
·2H
2
O，理论化学组成为 46.54%的 SiO
2
，39.5%的 Al
2
O
3
和 13.96%的H
2
O。

高岭土层间由氢键和范德华力连结在一起，单位构造高度为 0.713～0.715 nm，比表面积、孔隙率和吸附容量都不大，比表面积、孔隙率和吸附容量都不大，阳离子的交换容量只有 3～15 mmol（Z.100g）。

高岭土高岭土矿石
1.2 矿物的分类
高岭土的矿石类型可根据高岭土矿石的质地、可塑性和砂质的含量划分为硬质高岭土、软质高岭土和砂质高岭土三种类型：
硬质高岭土质硬，无可塑性，粉碎、细磨后具可塑性；
软质高岭土质软，可塑性一般较强，砂质含量小于50％：
砂质高岭土质松散，可塑性一般较弱，除砂后较强，砂质含量大于 50％。

2 高岭土工艺特性[2]
2.1 白度和亮度
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。

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—7000 Å波长光的反射率的装置。

在白度计中，将待测样与标准样(如BaSO
4
、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%)。

亮度是与白度类似的工艺性质，相当于4570 Å波长光照射下的白度。

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Fe
2O
3
呈玫瑰红、褐黄
色；含Fe2+呈淡蓝、淡绿色；含MnO
2
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。

2.2 粒度分布
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%。

2.3 可塑性
高岭土与水结合形成的泥料，在外力作用下能够变形，外力除去后，仍能保持这种形变的性质即为可塑性。

可塑性是高岭土在陶瓷坯体中成型工艺的基础，也是主要的工艺技术指标。

通常用可塑性指数和可塑性指标来表示可塑性的大小。

可塑性指数是指高岭土泥料的液限含水率减去塑限含水率，以百分数表示，即W塑性指数=100(W液性限度-W塑性限度)。

可塑性指标代表高岭土泥料的成型性能，用可塑仪直接测定泥球受压破碎时的荷重及变形大小可得，以kg·cm表示，往往可塑性指标越高，其成型性能越好。

高岭土的可塑性可分为四级：（1）强可塑性>153.6；（2）中可塑性7—152.5—3.6；（3）弱可塑性1—7<2.5；（4）非可塑性<1。

2.4 结合性
结合性指高岭土与非塑性原料相结合形成可塑性泥团并具有一定干燥强度的性能。

结合能力的测定，是在高岭土中加入标准石英砂(其质量组成0.25—0.15粒级占70%，0.15—0.09mm粒级占30%)。

以其仍能保持可塑泥团时的最高含砂量及干燥后的抗折强度来判断其高低，掺入的砂越多，则说明这种高岭土结合能力就越强。

通常凡可塑性强的高岭土结合能力也强。

2.5 粘性和触变性
粘性是指流体内部由于内摩擦作用而阻碍其相对流动的一种特征，以粘度来表示其大小(作用于1单位面积的内摩擦力)，单位是Pa·s。

粘度的测定，一般采用旋转粘度计，以在含70%固含量的高岭土泥浆中的转速来衡量。

在生产工艺中，粘度具有重要意义，它不仅是陶瓷工业的重要参数，对造纸工业影响也很大。

据资料表明，国外用高岭土作涂料，在低速涂布时要求粘度约0.5Pa·s，高速涂布时要求小于1.5Pa·s。

触变性指已经稠化成凝胶状不再流动的泥浆受力后变为流体，静止后又逐渐稠化成原状的特性。

以厚化系数表示其大小，采用流出粘度计和毛细管粘度计测定。

粘性和触变性与泥浆中矿物成分，粒度及阳离子类型有关，一般，蒙脱石含量多的，颗粒细的，交换性阳离子以钠为主的，其粘度和厚化系数高。

因此工艺上常用添加可塑性强的粘土、提高细度等方法提高其粘性和触变性，用增加稀释电解质和水分等方法降低之。

2.6 干燥性能
干燥性能指高岭土泥料在干燥过程中的性能。

包括干燥收缩、干燥强度和干燥灵敏度等。

干燥收缩指高岭土泥料在失水干燥后产生的收缩。

高岭土泥料一般在40—60℃至多不超过110℃温度下就发生脱水而干燥，因水分排出，颗粒距离缩短，试样的长度和体积就要发生收缩。

干燥收缩分线收缩和体收缩，以高岭土泥料干燥至恒重后长度及体积变化的百分数表示。

高岭土的干燥线收缩一般在3—10%。

粒度越细，比表面积越大，可塑性越好，干燥收缩越大。

同一类型的高岭土，因掺合水的不同，其收缩也不同，多者，收缩大。

在陶瓷工艺中，干燥收缩过大，坯体容易发生变形或开裂。

干燥强度指泥为干燥至恒重后的抗折强度。

干燥灵敏度指坯体干燥时，可能产生变形和开裂倾向的难易程度。

灵敏度大，在干燥过程中容易变形和开裂。

一般干燥灵敏度高的高岭土(干燥灵敏度系数K＞2)容易形成缺陷；低者(干燥灵敏度系数K＜1)在干燥中比较安全。

2.7 烧结性
烧结性是指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。

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。

2.8 烧成收缩
烧成收缩性是指已干燥的高岭土坯料在烧成过程中，发生一系列物理化学变化(脱
水作用、分解作用、生成莫来石，易熔杂质熔化生成玻璃相充填于质点间的空隙等)，而导致制品收缩的性能，也分为线收缩和体收缩两种。

同干燥收缩一样，烧成收缩太大，容易导致坯体开裂。

另外，焙烧时，坯料中若混有大量的石英，它将发生晶型转化(三方→六方)，使其体积膨胀，也会产生反收缩。

2.9 耐火性
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。

耐火度t(℃)=[360+Al2O3-R2O]/0.228 式中：Al 2O 3为SiO 2和Al 2O 3分析结果之和为100时其中Al 2O 3所占的质量百分比；R 2O 为SiO 2和Al 2O 3分析结果之和
为100时其它氧化物所占的质量百分比。

通过此公式计算耐火度的误差在50℃以内。

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R 2O 含量小于1.5—2%，Fe 2O 3小于3%。

2.10 悬浮性和分散性
悬浮性和分散性指高岭土分散于水中难于沉淀的性能。

又称反絮凝性。

一般粒度越细小，悬浮性就越好。

用于搪瓷工业的高岭土要求有良好的悬浮性。

一般据分散于水中的样品经一定时间的沉降速度来确定其悬浮性能的好坏。

2.11 可选性
可选性是指高岭土矿石经手工挑选，机械加工和化学处理，以除去有害杂质，使质量达到工业要求的性能。

高岭土的可选性取决于有害杂质的矿物成分、赋存状态、颗粒大小等。

石英、长石、云母、铁、钛矿物等均属有害杂质。

高岭土选矿主要包括除砂、除铁、除硫等项目。

2.12 离子吸附性及交换性
高岭土具有从周围介质中吸附各种离子及杂质的性能，并且在溶液中具较弱的离子交换性质。

这些性能的优劣主要取决于高岭土的主要矿物成分，不同类型高岭土的阳离子交换容量如下：
（1）高岭石为主2—5mg/100g ；（2）埃洛石为主13mg/100g ；（3）含有机质（球土）10—120mg/100g 。

2.13 化学稳定性
高岭土具有强的耐酸性能，但其耐碱性能差。

利用这一性质可用它合成分子筛。

2.14 电绝缘性
优质高岭土具有良好的电绝缘性，利用这一性质可用之制作高频瓷、无线电瓷。

电绝缘性能的高低可以用它的抗电击穿能力来衡量
3 高岭土的应用
高岭土的用途很广泛，在人工合成分子筛、造纸、橡胶、塑料、油漆、环境方面有应用，还用于生产白水泥、聚合铝,低铁和低硫的高岭土可在催化剂生产中应用。

高岭土有亲水性,经常用疏水物质覆盖其颗粒表面。

此外,还在化肥、农药、化妆品等方面应用。

下面主要介绍高岭土在我们无机专业的的一些应用：
3.1 在陶瓷工业的应用
陶瓷工业是应用高岭土最早、用量较大的行业。

一般用量为配方的20%-30%。

高岭
土在陶瓷中的作用是引入Al
2O
3
,有利于莫来石的生成,提高其化学稳定性和烧结强度,在
烧成中高岭土分解生成莫来石,形成坯体强度的主要框架,可防止制品的变形,使烧成温度变宽,还能使坯体具有一定的白度。

同时,高岭土具有一定的可塑性、粘结性、悬浮性和结合能力,赋予瓷泥、瓷釉良好的成形性,使陶瓷泥坯有利于车坯及注浆,便于成形。

如用在电线中,可以增加绝缘性,降低其介电损耗。

陶瓷不仅对高岭土的可塑性、结合性、干燥收缩、干燥强度、烧结收缩、烧结性质、耐火度及烧后白度等有严格要求,而且涉及到化学特性,特别是铁、钛、铜、铬、锰等致色元素的存在,使烧后白度降低,产生斑
点,因此要求Fe
2O
3
含量在0.6%-0.7%范围内,TiO2含量低于0.5%,否则半透明度降低。

碱
元素的存在会改变空隙度,要求(CaO+MgO)<2%、钾含量小于1.5%。

硫酐(SO3)的存在使陶瓷产品产生起泡、溶洞及开裂等缺陷,以<1%为宜。

烧失量要求<15%。

对高岭土的粒度要求一般是越细越好,使瓷泥具有良好的可塑性和干燥强度,但对要求快速浇铸、加快注浆速度和脱水速度的浇铸工艺,需提高配料的粒度。

此外,高岭土中高岭石结晶程度的差异,也将明显影响瓷坯的工艺性能,结晶程度好,则可塑性、结合能力就低,干燥收缩小,烧结温度高,其杂质含量也减少;反之,则其可塑性就高,干燥收缩大,烧结温度较低,相应杂质含量也偏高[3]。

3.2 高岭土在耐火材料工业中的应用
高岭土具有高的耐火度,常用来生产耐火材料。

其制品具有抵抗高温,并在高温下承受负荷而不变形的能力。

以高岭石为主要成分的高岭土,以及膨润土和铝土矿等,据其耐高温的用途,统称为耐火粘土。

我国把耐火度大于1580℃的粘土,耐火度大于1770℃的铝土矿,通称为耐火粘土。

前者分为硬质粘土、软质粘土、半软质粘土,后者称高铝粘土。

某些带色的高岭土,不能用于陶瓷和造纸,却是耐火材料的好原料。

因此,耐火材料是综
合应用高岭土的重要市场。

高岭土用作耐火材料制品主要有两类:耐火砖、硅铝棉。

前者是耐火度不低于1730℃,2×105Pa荷重软化开始温度不低于1350℃,重烧线收缩率小于0.5%(1400℃,2h),可据需要制成各种尺寸与形状的耐火砖。

后者是一种轻质耐火保温材料,其制造方法是采用高岭土,经1000-1100℃焙烧,再用2000℃电弧炉将矿石熔融,在高速气流下吹制成棉。

耐火材料对高岭土的质量要求不是十分严格,但高岭土中Al2O3和SiO2含量的比值变化直接影响耐火度的变化。

在优质高岭土中Al2O3/SiO2的值一般
在0.7-0.8之间或稍高。

纯高岭土中Al
2O
3
/SiO
2
比值为0.85,该比值大于0.85时,有富
铝矿物存在,会提高耐火度。

而小于0.7时,高岭土含量低,有石英存在,会降低耐火度。

另外,高岭土中Fe
2O
3
、TiO
2
、K
2
O的含量高都会降低耐火度,具有一定的危害性[4]。

3.3 高岭土用于制造池窑玻璃纤维
含铁低的高岭土用于玻璃纤维制造业,主要作用是提供铝和硅的来源,还能使其光泽黯淡。

刚刚崛起的高新技术———池窑玻璃纤维的生产,又为高岭土开辟了新的应用领域。

池窑玻璃纤维拉丝技术含量较高,对玻璃纤维成型而言,要求达到准光学水平。

其工艺流程可表示为:合格原矿→选矿→配矿→除铁→破碎→混匀→磨矿→除铁→配矿→均化→包装。

影响池窑玻纤拉丝的首要因素,是高岭石均化微粉的质量及其稳定性,无碱池窑玻纤对高岭石均化微粉,有苛刻的质量要求。

首先是化学成分的要求:Al2O3控制在规定值的±0.5%内波动;SiO
2
控制在规定值的±0.8%范围内。

其次是矿物类别组成优化、粒度组成、水分、化学需氧量、有害杂质和微量元素的要求。

矿物类型优化配比可大幅度提高玻璃熔液质量;高岭石均化微粉粒度大小与熔制反应速度的平方成正比,粒度组成要窄,+325目不允许存在或微量存在;水分大于0.5%就不能使用;有害杂质和有害矿物
成分的控制,包括对Fe
2O
3
、TiO
2
、K
2
O、Na
2
O、S、C及蓝晶石、红柱石、刚玉、水铝石等
的控制[5]。

3.4 高岭土微晶玻璃装饰板材
以高岭土为主要原料、硅灰石为主晶相的微晶玻璃生产的装饰板材,采用熔结晶化成型工艺。

该方法成本低,产品色泽、花纹、外观效果理想,其表面在具有天然石材花纹的基础上,还具有多彩的色调图案,在外观及价格上有极大的竞争力[6]。

3.5 水泥基材料中的应用
高岭土经过脱水后,转变成为具有高火山灰活性的偏高岭土。

偏高岭土通过碱激活制备的土聚水泥和直接作为混凝土矿物掺合料,使混凝土的工作性、强度和耐久性等均有明显的改善,同时对高性能混凝土普遍存在的自收缩现象也有较好的抑制作用[7]。

高岭土水泥基材料其广阔的应用领域和优异的性能,必将有一个迷人的应用前景,但这方面的研究工作在国内尚属起步阶段,但随着这种材料的发展对我国的经济建设和社会发
展将会产生深远的影响。

4结语
我国是世界上最早利用高岭土资源的国家,目前,全国共拥有县级以上的高岭土企业100多家,原矿生产能力超过3 000 kt,选矿能力700 kt,主要的生产省份有江苏、福建、广东、广西、湖南、江西、浙江。

我国高岭土公司的机选能力超过50 kt,而超过10 kt矿山企业也有30多家。

并且自80年代以来,高岭土产品由初级加工向精加工、由单一产品向新科技产品也有了进一步的发展[8]。

随着科学技术的进一步发展,精选加工工艺技术设备的研制成功,万t级煅烧超细高岭土生产企业已有20多家,年生产能力约150 kt,加上厂矿点直接出售的原矿可达300 kt左右。

而且国内高岭土消费领域十分广阔,涉及到陶瓷、电子、造纸、橡胶、石油化工、光学玻璃、化纤、建筑材料、化肥及耐火材料等行业。

为了分离高岭土中的石英、长石、云母等非黏土矿物,生产出能满足各应用领域需求的产品,重选、浮选等选矿方法及改善高岭土质量的加工方法,都已应用。

我国高岭土行业采用的漂白、剥片、煅烧和离心技术,使高岭土的白度和粒度指标已达到国际水平。

而当今非金属矿最重要的深加工技术之一的表面改性,其产品也在塑料、橡胶、胶粘剂等高分子材料、高聚合物基复合材料、功能材料以及造纸、涂料等工业添料中广泛使用。

因此,对高岭土的进一步加工是深入研究的方向，对我们专业而言高岭土在水泥基材料方向的研究是一个不错的发展方向。

参考文献
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