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非金属矿物材料的改性研究
2011-08-02
非金属矿物材料的改性方法可分为物理改性和化学改性。物理改性包括表面涂 覆,润湿与浸渍,热处理等;化学改性包括偶联剂处理、表面包覆、提纯、漂白、离子交换、层 间化合物等。
矿 产 保 护 与 利 用 CONSERVATIONAND UTILIZATIONOF MINERAL RESOURCES 第 2 期 998 年 4 月 № . 2 Apr. 1998 1 非 金 属 矿 开 发 利 用 Ξ 非 金 属 矿 物 材 料 的 改 性 研 究 黄 万 抚 王 淀 佐 南 方 冶 金 学 院 ,赣 州 ,341000) (北 京 有 色 金 属 研 究 总 院 ,北 京 ,100088) ( 摘 要 非 金 属 矿 物 材 料 的 改 性 方 法 可 分 为 物 理 改 性 和 化 学 改 性 。 物 理 改 性 包 括 表 面 涂 覆 ,润 湿 与 浸 渍 ,热 处 理 等 ;化 学 改 性 包 括 偶 联 剂 处 理 、表 面 包 覆 、提 纯 、漂 白 、离 子 交 换 、层 间 化 合 物 等 。 关 键 词 非 金 属 矿 矿 物 材 料 物 理 改 性 化 学 改 性   非 金 属 矿 物 材 料 的 改 性 是 通 过 物 理 的 或 检 测 ,表 明 PES 覆 盖 良 好 。 化 学 的 方 法 ,实 现 矿 物 的 理 化 性 质 或 者 表 面 性 质 的 变 化 ,从 而 提 高 矿 物 材 料 的 使 用 价 值 , 并 开 拓 矿 物 材 料 新 的 应 用 领 域 。 尤 其 是 在 现 代 的 有 机 - 无 机 复 合 材 料 、功 能 材 料 中 ,经 改 性 后 的 非 金 属 矿 物 材 料 具 有 广 泛 的 用 途 。 通 常 使 用 的 改 性 方 法 根 据 在 实 现 改 性 过 程 中 是 否 发 生 化 学 反 应 ,可 分 为 物 理 改 性 和 化 学 改 性 两 大 类 。 铸 造 型 砂 涂 覆 一 层 酚 醛 树 脂 或 呋 喃 树 2 ,3 ] ,生 成 的 型 砂 能 获 得 较 高 的 铸 造 生 产 [ 脂 速 度 ,并 可 改 善 模 具 和 模 芯 的 使 用 性 能 。 涂 覆 方 法 是 将 石 英 砂 表 面 涂 以 酚 醛 或 呋 喃 树 脂 ,然 后 倒 入 热 模 板 中 ,温 度 达 到 200 ℃ 左 右 时 ,树 脂 软 化 ,将 砂 粒 粘 结 在 一 起 ,待 冷 却 硬 化 后 取 下 模 具 即 可 。 [ 4 ] 珠 光 云 母 是 将 氧 化 锂 、氧 化 铬 等 涂 覆 于 云 母 表 面 制 成 ,广 泛 用 于 化 妆 品 、油 漆 等 产 品 中 。 其 机 理 是 利 用 金 属 化 合 物 发 生 水 解 反 应 而 在 云 母 表 面 沉 积 出 金 属 氧 化 物 颗 粒 ,这 些 颗 粒 具 有 高 折 射 率 ,因 而 产 生 珠 光 效 果 。 1 物 理 改 性 1 . 1 表 面 涂 覆 改 性 这 是 通 过 在 矿 物 表 面 覆 盖 涂 层 实 现 矿 物 1 . 2 润 湿 与 浸 渍 材 料 性 质 的 变 化 ,目 的 是 提 高 矿 物 材 料 的 外 观 装 饰 性 或 抗 氧 化 性 等 ,提 高 其 应 用 性 能 。 石 棉 是 重 要 的 非 金 属 材 料 ,但 在 石 棉 的 加 工 生 产 中 所 产 生 的 粉 尘 属 严 重 有 害 物 质 , 润 湿 与 浸 渍 是 表 面 改 性 处 理 的 最 基 本 手 段 之 一 ,通 常 做 法 是 将 矿 物 材 料 置 于 液 体 介 质 中 使 矿 物 表 面 被 液 体 润 湿 ,即 在 固 体 表 面 上 覆 盖 一 层 液 体 。 处 理 的 基 本 目 的 是 使 矿 物 表 面 吸 附 相 应 液 体 后 改 变 矿 物 表 面 性 质 如 亲 水 性 。 在 实 施 润 湿 与 浸 渍 过 程 中 ,可 通 过 搅 拌 来 提 高 润 湿 效 果 。 如 在 生 产 复 合 材 料 时 , 增 强 纤 维 要 通 过 预 浸 渍 作 业 ;石 棉 材 料 通 过 润 湿 来 消 除 有 害 粉 尘 。 在 化 学 改 性 中 为 提 高 反 应 速 度 和 反 应 过 程 的 均 匀 性 ,通 常 也 通 过 [ 1 ] 为 消 除 其 对 人 体 的 危 害 ,邓 海 金 等 采 用 在 石 棉 表 面 覆 盖 涂 层 的 方 法 实 现 了 石 棉 纤 维 的 表 面 改 性 。 方 法 是 选 用 聚 醚 酉风 ( PES) ,将 其 配 成 1 %~ 5 %的 二 氯 甲 烷 溶 液 ,然 后 加 入 石 棉 纤 维 ,并 搅 拌 待 二 氯 甲 烷 自 然 挥 发 后 ,于 1 00 ℃ 烘 干 2h 即 可 ,改 性 后 产 品 经 红 外 光 谱 Ξ 收 稿 日 期 :1998201209 黄 万 抚 ,博 士 研 究 生 。 方 10 方 矿 产 保 护 与 利 用 1998 年 预 浸 渍 作 业 。 一 层 其 他 的 无 机 物 。 如 在 碳 化 硅 的 表 面 包 覆 [ 9 ] 1 . 3 热 处 理 改 性 3Al2O3方2SiO2 可 采 用 溶 胶 — 凝 胶 技 术 ,以 热 处 理 改 性 是 通 过 加 热 的 方 法 来 实 现 矿 钇 醇 盐 、异 丙 醇 铝 制 备 溶 胶 ,然 后 加 入 碳 化 硅 微 粉 并 调 节 溶 液 参 数 ,添 加 正 硅 酸 乙 酯 促 凝 , 于 700 ℃ 干 燥 即 可 获 得 碳 化 硅 表 面 均 匀 的 包 覆 层 。 物 材 料 化 学 组 成 、物 理 性 质 等 的 改 变 。 高 岭 [ 5 ] 土 热 处 理 改 性 可 除 去 约 14 %的 结 构 水 ,还 可 除 去 一 部 分 挥 发 物 和 有 机 物 。 经 过 加 热 处 理 后 的 高 岭 土 与 普 通 高 岭 土 的 物 理 化 学 性 质 差 异 主 要 为 白 度 增 高 ,密 度 减 小 ,比 表 面 积 增 大 ,吸 油 性 、遮 盖 力 和 耐 磨 性 提 高 ,绝 缘 性 和 热 稳 定 性 提 高 。 改 性 后 高 岭 土 可 用 作 塑 料 、 橡 胶 的 填 料 、耐 火 材 料 等 等 。 高 岭 土 的 煅 烧 超 细 铜 粉 性 质 非 常 活 泼 ,在 空 气 中 极 易 氧 化 成 黑 色 的 氧 化 铜 ,为 阻 止 其 氧 化 ,可 采 用 磷 化 处 理 ,在 铜 粒 表 面 生 成 一 层 磷 酸 盐 薄 膜 。 方 法 是 将 铜 粉 浸 入 磷 酸 盐 溶 液 中 ,在 铜 粒 表 [10 ] 面 即 可 生 成 一 层 不 溶 于 水 的 磷 酸 盐 薄 膜 . 3 化 学 提 纯 化 学 提 纯 是 矿 物 材 料 改 性 中 最 常 用 的 方 。 [ 6 ] 工 艺 对 产 品 质 量 有 显 著 影 响 ,一 般 煅 烧 温 2 度 在 470~ 900 ℃ 时 产 品 具 有 较 好 的 松 密 度 和 孔 隙 率 ,有 较 高 的 活 性 、极 好 的 电 性 能 ,可 用 于 高 压 电 缆 作 功 能 填 料 。 当 温 度 达 到 900 法 之 一 ,它 是 用 强 碱 或 强 酸 将 矿 物 材 料 表 面 或 夹 杂 的 脉 石 矿 物 除 去 ,以 获 得 纯 净 的 和 化 学 性 质 稳 定 的 目 的 矿 物 ,如 金 刚 石 、石 英 等 常 采 用 酸 洗 提 纯 。 凹 凸 棒 石 常 采 用 盐 酸 或 硫 酸 进 行 活 化 处 理 ,以 增 加 凹 凸 棒 石 的 表 面 积 和 ~ 1050 ℃ 时 产 品 白 度 最 佳 。 温 度 继 续 升 高 高 岭 石 将 向 偏 高 岭 石 转 变 ,并 朝 假 莫 来 石 和 莫 来 石 相 变 (温 度 1300 ℃ ) ,此 时 ,白 度 较 高 ,硬 度 和 密 度 明 显 增 加 。 在 同 一 温 度 下 ,热 处 理 时 间 越 长 ,则 白 度 越 高 ,但 硬 度 也 增 大 。 热 处 理 技 术 在 煤 系 高 岭 土 的 开 发 利 用 中 占 有 重 要 地 位 ,基 本 上 是 必 须 的 工 艺 。 [ 5 ] 脱 色 性 能 等 . 4 漂 白 漂 白 工 艺 是 常 用 于 对 矿 物 材 料 清 除 有 色 。 2 杂 质 的 方 法 ,最 常 用 的 药 剂 为 氧 化 剂 和 还 原 剂 类 药 剂 ,如 漂 白 粉 、硫 代 硫 酸 钠 等 。 高 岭 土 2 化 学 改 性 3 + 3 + 含 有 Fe ,可 采 用 还 原 方 法 将 Fe 还 原 成 利 用 无 机 或 有 机 化 学 反 应 的 方 法 来 实 现 2 + Fe 而 除 去 。 用 硅 藻 土 制 备 活 性 硅 微 粉 时 ,由 于 硅 藻 矿 物 材 料 的 改 性 为 化 学 改 性 。 2 . 1 偶 联 剂 处 理 土 表 面 常 赋 存 一 定 的 染 色 矿 物 杂 质 ,这 些 杂 质 将 严 重 影 响 活 性 硅 微 粉 的 白 度 ,并 限 制 了 硅 微 粉 的 用 途 。 此 时 可 采 用 NaOH 和 六 偏 磷 酸 钠 与 硅 藻 土 一 起 进 行 研 磨 擦 洗 即 可 将 其 中 的 杂 质 除 去 ,经 碱 漂 白 后 的 硅 微 粉 白 度 可 在 生 产 复 合 材 料 时 ,由 于 大 多 数 矿 物 材 料 的 表 面 都 是 极 性 的 ,具 有 良 好 的 亲 水 性 ,而 橡 胶 、塑 料 等 一 般 为 疏 水 材 料 ,为 改 善 矿 物 材 料 与 有 机 材 料 间 的 粘 结 力 ,通 常 采 用 偶 联 剂 对 矿 物 材 料 表 面 进 行 处 理 ,使 矿 物 材 料 与 有 机 材 料 能 紧 密 结 合 ,从 而 提 高 复 合 材 料 的 性 能 ,如 镉 红 涂 料 生 产 中 使 用 十 二 烷 基 磺 酸 钠 、 甲 基 三 乙 氧 基 硅 烷 、聚 酯 醚 等 作 表 面 改 性 剂 , 获 得 在 丙 烯 酸 树 脂 中 稳 定 分 散 的 镉 红 涂 [ 11 ] 达 80 %以 上 . 5 离 子 交 换 钠 基 膨 润 土 的 性 质 明 显 优 于 钙 基 膨 润 2 土 ,但 在 自 然 界 中 钠 基 膨 润 土 的 储 量 和 产 量 + [ 7 ] 都 比 钙 基 膨 润 土 少 ,因 此 常 利 用 Na 交 换 能 料 。 用 偶 联 剂 表 面 偶 联 处 理 的 二 氧 化 硅 2 + 微 粉 材 料 在 国 内 已 建 成 年 产 3000t 的 中 试 生 力 高 于 Ca 的 特 性 ,使 钙 基 膨 润 土 转 变 成 钠 + 基 土 。 方 法 是 向 钙 基 膨 润 土 中 加 入 带 Na [ 8 ] 产 线 . 2 表 面 包 覆 表 面 包 覆 是 在 矿 物 材 料 颗 粒 的 表 面 包 覆 。 2 + 2 的 金 属 盐 (如 碳 酸 钠 ) ,使 其 交 换 出 Ca 。 交 换 反 应 速 度 与 矿 物 的 性 质 ,颗 粒 大 小 ,阴 、阳 第 2 期 黄 万 抚 等 :非 金 属 矿 物 材 料 的 改 性 研 究 方 11 方 离 子 在 晶 格 中 的 位 置 ,反 应 时 溶 液 的 p H 值 、 矿 物 材 料 的 改 性 技 术 也 必 将 获 得 新 的 发 展 , 并 在 未 来 的 国 民 经 济 建 设 中 发 挥 重 要 作 用 。 参 考 文 献 温 度 和 搅 拌 速 度 有 关 。 2 . 6 层 间 化 合 物 [ [ 1 ] 邓 海 金 等 . 非 金 属 矿 ,1996 ,(5) :18 2 ] 丁 根 宝 主 编 . 铸 造 工 艺 学 (上 册 ) . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,1985 层 间 化 合 物 是 指 具 有 层 状 结 构 的 矿 物 , 如 石 墨 、云 母 、蛭 石 等 ,通 过 化 学 或 电 化 学 方 法 在 这 些 矿 物 的 层 间 插 入 其 他 化 学 物 质 ,形 成 具 有 很 多 特 殊 的 和 优 良 的 使 用 性 能 的 矿 物 材 料 。 层 间 化 合 物 的 典 型 代 表 是 石 墨 层 间 化 合 物 ,它 具 有 在 室 温 下 良 好 的 导 电 性 和 低 温 超 导 性 ,对 某 些 气 体 有 选 择 性 吸 附 能 力 和 反 渗 透 性 能 ,还 具 有 高 效 催 化 性 能 ,是 高 能 电 池 的 活 性 材 料 ,在 高 温 高 速 高 载 荷 下 密 封 性 能 良 好 。 曾 清 华 等 利 用 粘 土 层 间 化 合 物 研 究 了 [ 3 ] 曹 善 堂 等 编 . 铸 造 设 备 选 用 手 册 . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,1990 [ [ 4 ] 冯 惠 敏 . 非 金 属 矿 ,1990 ,(3) :10 5 ] 孙 宝 岐 等 . 非 金 属 矿 深 加 工 . 北 京 :冶 金 工 业 出 版 社 ,1995 [6 ] 阙 宣 兰 等 . 非 金 属 矿 ,1997 ,(增 刊 ) :35 [7 ] 姜 建 华 等 . 中 国 颗 粒 学 会 首 届 年 会 论 文 集 . 北 京 :1997 ,122 [ 12 ,13 ] 8 ] 陈 芸 ,非 金 属 矿 ,1996 ,(4) :13 9 ] 葛 曼 珍 等 . 第 四 届 全 国 颗 粒 制 备 与 处 理 学 术 会 议 论 文 集 . 徐 州 :1995 ,83 [ [ 聚 合 物 - 粘 土 矿 物 纳 米 复 合 材 料 。 3 发 展 趋 势 [ 10 ] 刘 志 杰 等 . 第 四 届 全 国 颗 粒 制 备 与 处 理 学 术 会 议 论 文 集 . 徐 州 :1995 ,24 可 以 预 计 ,随 着 高 分 子 材 料 、功 能 材 料 和 复 合 材 料 的 发 展 ,经 表 面 改 性 技 术 处 理 的 矿 物 材 料 的 需 求 将 持 续 大 幅 度 增 长 。 据 估 计 仅 在 塑 料 、橡 胶 工 业 中 所 需 的 改 性 矿 物 材 料 的 用 量 将 以 每 年 大 于 15 %的 速 度 增 加 ,因 此 , [ [ 11 ] 李 扬 等 . 非 金 属 矿 ,1997 ,(增 刊 ) :63 12 ] 曾 清 华 等 . 中 国 颗 粒 学 会 首 届 年 会 论 文 集 . 北 京 :1997 ,246 [13 ] 曾 清 华 等 . 第 五 届 全 国 颗 粒 制 备 与 处 理 学 术 大 会 论 文 集 . 成 都 :1997 ,353 INVESTIGATIONONMODIFICATIONOFNONMETALLICMINERALS Huang W anf u , W ang Dianz uo ( South Institute of Metallurgy , Ganzhou , 341000) ABSTRACT Modification of nonmetallic mineral materials can be classified as physical and chemi2 cal. Physical modification includes surface coating , humidification , steeping , thermal treatment and so on. Chemical modification includes treatment of coupling agent , surface covering , purifica2 tion , ion exchange , laminated treatment with compound. KEY WORDS nonmetallic minerals , mineral materials , physical modification , chemical modifica2 tion ■
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