矿物材料及其纳米技术改造

科苑・聚焦

收稿日期:2004-10-20

作者简介:刘开平(1954—

)　男　长安大学材料科学与工程系主任　材料学博士　高级工程师　一直从事矿物材料及复合材料的教学与科研工作

矿物材料及其纳米技术改造

刘开平　王尉和　宫　华　李连生

(长安大学材料科学与工程系・西安710054)

摘　要　根据矿物的表面特征及应用要求选择合适的分散剂和分散方法进行矿物纤维的分散可以实现矿物纤维纳米化。另外,开发纳米插层及涂层技术在蛭石、云母等层状矿物上的应用,研究新型纳米孔材料及矿物纳米复合材料等不仅技术上可行,而且具有广阔的发展前景。矿物纳米材料的开发是低成本制备纳米材料的重要突破口之一,对于实现纳米材料的产业化和普及化具有强有力的推动作用。开发矿物材料有利于人类社会的可持续发展。

关键词　矿物材料　纳米材料　纳米技术　可持续发展

中图分类号　TD877 文献标识码　B 文章编号　1004-4051(2005)02-0053-05

MINERAL MATERIALS AN D NAN O 2TECN OLOG Y APPL ICATION

Liu K aiping Wang Weihe G ong Hua Li Liansheng

(Materials Department of Chang πan University ,Xi πan ・Shaanxi 710054)

Abstract :The principal characteristics of mineral materials were analyzed.The technological feasibility ,

application potentials and the significance of nano 2technology application in mineral materials were ex plained.Test results show that the combination of mechanical grinding ,dispersing and surface modifying benefits the preparation of mineral nano 2powders.Mineral fibers can be s plit to nano 2diameter scales at the condition of proper selection of dis persing agents and methods according to the surface features and utilization requirements.Nano 2intercalation or film coating of layered minerals such as vermiculite and mica as well as manufacturin g of mineral nano 2pore materials and nano 2composites can also be practicable and have vast foreground.

The

development of mineral nano 2materials is probably one of the important means to prepare nano 2materials at low costs and is favorable to the promotion of the nano 2materials industrialization and to the sustainable develo pment of human society.

K eyw ords :Mineral materials Nano 2materials Nano 2technology And sustainable development

1　矿物材料的开发有利于可持续发展111　矿物材料的分类

关于矿物材料的分类,按照其成分结构特点,分为天然矿物材料,改性矿物材料,人工矿物材料及复合矿物材料四大类〔1〕是比较合理的。它基本能反映矿物材料的内涵,也基本包括了矿物材料的研究内容。

其中天然矿物材料以经物理加工未改变原料的成分和结构为特征,应该包括填料类(如重钙粉,滑石粉等),装饰类(如石材,宝石等),光学类(如水晶,荧石等),中药类(如芒硝,石膏等),研磨材料类(如石榴子石,刚玉等),保健营养类

(如蛇纹石,麦饭石等)隔热材料类(如石棉绳,

布)等。

改性矿物材料以经物理或化学加工,改变或部分改变了原料的成分或结构为特征,应该包括表面改性类(如有机膨润土,珠光云母,改性碳酸钙等),成分改性类(如改型膨润土,氟化石墨,熟石膏等),以及结构改性类(如膨胀珍珠岩,膨胀蛭石,膨胀石墨,岩棉,铸石等)。

为了区别矿物材料与硅酸盐材料,人工矿物材料应该是模拟天然矿物或岩石生成的原理或方法采用人工手段合成矿物材料。其中应该包括人工晶体(如人造水晶,人造金刚石,人造宝石等),多孔材料(如合成沸石,微孔硅酸钙)等。

复合矿物材料是具有不同相组成的人工合成矿物材料。包括矿物—有机复合类(如石棉、蛭石、硅灰石、云母等与高分子材料合成的摩擦材料、密

第14卷第2期2005年2月

中　国　矿　业CHINA MINING MAG AZINE Vol 114,No 12

February 2005

封材料、绝缘材料等)以及矿物—无机复合类(如矿物纤维增强的无机胶凝材料,矿物为主骨架的建筑材料,绝热保温材料,电功能材料等)。112　矿物材料应用潜力大

矿物材料以科学利用及改进矿物岩石的结构及性能以满足应用要求为特色。因此,与其它材料相比,矿物材料的发展更有利于人类社会的可持续发展。

与传统无机材料相比,矿物材料重视科学发掘和利用矿物岩石的结构,性质和性能,以合理利用大自然巧夺天功的杰作、最大限度的发挥天然功能材料的优势为重要目标。由于天然矿物岩石种类及性能的多样性,矿物材料应用潜力极大。

可以适应各行各业的应用要求。不论是新材料的开发,还是传统材料的更新换代,都有广阔的用武之地。其应用领域与范围必将越来越广,在国民经济中的作用会越来越大。2　矿物材料纳米化改造的技术潜力

纳米技术被认为是21世纪的主导技术〔2〕。在高新科技日新月异迅猛发展的当代,矿物材料的发展应该与时俱进,进行纳米技术改造。

现笔者根据长安大学材料科学与工程系近年来在矿物材料纳米技术改造方面进行的探索工作,谈一点体会。

图1　石英纳米粉AFM 照片

211　粉体矿物材料纳米化技术

粉体材料在矿物材料中占有很大比例。对其进

行纳米化技术改造具有广阔的市场前景。

我们知道,纳米粉体制备方法有很多〔3〕,其制备成本都是很高的,且与其制备工艺有很大关系。机械粉碎法是大批量制备纳米粉体技术中成本最低的方法。但目前在矿物材料行业采用的超细粉碎技术中粉体材料大多为微米级,很难达到纳米级。因此,纳米粉碎及分级工艺及设备技术的研究是矿物纳米粉体材料发展的关键。根据长安大学材

料科学与工程系的研究经验,将分散技术与粉碎技术相结合,尤其是将分散、表面改性与粉碎技术相结合,不仅可以实现矿物粉体纳米化,而且有利于材料的进一步利用。近年来,我们主要以高能球磨及胶体磨为手段进行了海泡石粘土、绢云母及高纯石英等矿物的纳米化粉碎技术的研究。

图1是本课题组在自制的行星式高能球磨机(111KW ,4×500ml 陶瓷研磨罐及介质,250rpm )上通过分散、表面改性与研磨技术相结合制得的石英纳米粉的原子力显微镜照片(显微镜型号:AJ -III 型,上海爱建纳米公司产)。从照片自动分析结果得出,颗粒的最大粒径为126nm ,最小为12nm ,平均为43nm 。说明将分散、表面改性及机械粉碎法相结合制备纳米粉是可行的,具有巨大的潜力和应用前景。212　层状矿物的插层及涂层技术

我们知道,很多天然矿物本身就具有纳米结构。尤其是层状矿物,单层的厚度一般均在纳米级。近年来,层状矿物的纳米化技术研究非常活跃,其中研究比较成熟的当属层间距较大的蒙脱石粘土和层间距很小的石墨。前者由于层间结合力较弱且层间有可交换阳离子,因而采用离子交换的方法进行修饰和插层处理,已经成功制成嵌入型或剥离型膨润土/聚合物纳米复合材料,使材料的抗冲击强度、阻燃性和耐热性明显得到提高〔4～6〕。后者尽管层间距小且层间结合力很强,但由于材料本身具有较强的耐酸碱性,因而可以采用化学或电化学氧化等方法进行插层处理,形成石墨层间化合物,在很多应用领域发挥着重要的作用。但对于层间距介于这二者之间的绝大多数层状矿物,目前在纳米化方面进展缓慢。因此,在层状矿物插层及应用方面还具有广阔的研究空间。长安大学材料系近年来主要在蛭石插层处理及云母钛光催化应用方面进行了一些探索。

尽管对层间含水的蛭石进行膨化已经是很传统的加工方法,但其纳米性能的发掘至今尚未看到报导。我们以膨胀蛭石为载体,通过阳离子型表面活性剂修饰,然后经丙烯酸单体插层再经引发聚合制得新型矿物纳米复合保水剂。与传统保水剂相比,新型复合保水剂具有成本低,吸水后强度高等特点。吸水倍率可以达到150～200ml/g 左右。在农作物抗旱保水,园林花卉等领域展示了很好的应用潜力。目前,其性能及制备工艺还在继续研究之中。

云母钛作为珠光颜料已经有成熟的工艺和产品,但以其作为光催化剂用于水处理方面目前尚未看到报导。我们通过对原有云母镀钛工艺进行调

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