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叶腊石的应用现状及研究进展

2020-01-29 11:136710粉体技术网

叶蜡石是一种含水的铝硅酸盐,化学式为Al2[Si4O10](OH)2,其中Al2O3的理论含量为28.3%,SiO2为66.7%,H2O5.0%;莫氏硬度1.25,密度2.65g/cm3,熔点1700℃;颜色呈白、灰白、浅绿、黄褐等色;珍珠或油脂光泽;性韧、有滑腻感;条痕白色;不透明或半透明;结构为片状、放射状集合体。

叶腊石具有熔点高,在高温下不收缩,化学性能稳定,无毒,耐腐,在水中无膨胀性和可塑性,良好的耐热隔热性、电绝缘性、传压性、机械加工性和密封性,具有低烧结温度、低电传导性、低膨胀系数等特点,是一种重要的电子、光学和结构材料,被广泛应用于冶金、建材、石油、化工、轻工等领域。

1、耐火材料

(1)不定形耐火材料

不定形耐火材料是一种不经烧成而直接使用的耐火材料,往往在使用过程中由于高温产生的烧结收缩或材料中其他原料引起的收缩而导致不定形耐火材料出现裂缝和剥落,缩短了材料的使用寿命。

将在一定温度下可产生体积膨胀的叶蜡石引入到不定形耐火材料中,可显著改善耐火材料的体积稳定性,延长其使用寿命。

夏欣鹏等采用由高岭土和叶蜡石为主要物相组成的高岭土制备炮泥,在同样的条件下,含有叶蜡石相的高岭土赋予炮泥更好的可塑性,并提高了炮泥的烧结强度。

(2)定形耐火材料

将叶蜡石添加到定形的耐火砖中,可形成富SiO2的莫来石相,在使用中形成二次莫来石化,产生的体积膨胀抵消了材料的收缩,提高了材料的体积稳定性。

孙华云等以高铝矾土为主要原料,以“三石”矿物和叶蜡石为膨胀剂,研制出不含碳的新型钢包衬砖-微膨胀高铝砖。该微膨胀高铝砖在实际使用过程中,由于产生微膨胀,可对砖缝进行挤压,使整个钢包内衬具有非常好的整体性,提高了高铝砖的抗渣侵蚀性,延长了钢包的使用寿命。

2、陶瓷领域

叶蜡石作为高铝硅酸盐粘土矿物是很好的陶瓷原料,主要用于建筑陶瓷、卫生陶瓷、抛光砖、釉面砖、墙地砖等传统陶瓷以及介电陶瓷等功能陶瓷。

(1)建筑卫生陶瓷

以叶蜡石为主要原料生产的建筑卫生陶瓷具有抗热震性好,性能稳定等优点。目前,一些高档次的釉面砖、卫生洁具及瓷质砖广泛使用叶蜡石作为原料。

王晓兰等以叶蜡石为主要原料,制备出性能优良的卫生陶瓷、瓷质砖和釉面砖。配方组成分别如下:(1)釉面砖:叶蜡石50%、黑泥15%、千阳土15%、长石5%、石英15%;(2)瓷质砖:叶蜡石21%、黑泥15%、钾长石20%、石英22%、锂瓷石10%、烧高岭土12%;(3)卫生陶瓷:叶蜡石30%、黑泥22%、钾长石15%、石英20%、博爱土13%。通过对样品的测试表明:由于叶蜡石热膨胀低,对琉璃瓦、陶瓷砖和卫生洁具可实现快速烧成,产品收缩小,强度高。

叶蜡石中Fe2O3、TiO2含量较少,易于制作高档日用细瓷;同时叶蜡石中SiO2、Al2O3含量较多,可取代部分高岭土和石英,降低生产成本。

(2)介电陶瓷

叶蜡石具有绝缘性能,可作为制备介电陶瓷的原料。孙乙庭等以经提纯处理后的天然叶蜡石为原料,以BaCO3、MgO和SiC为助剂,采用高温烧结法制备出介电陶瓷。结果表明:天然叶蜡石经除铁处理后,可以降低陶瓷的介电常数和介质损耗,提高陶瓷的介电性能。

(3)耐酸陶瓷

耐酸陶瓷是一种使用范围极其广泛的粘土质半瓷化材料,对所有无机酸和有机酸介质具有耐腐蚀、耐磨、无污染等优点,广泛应用于石油、化工、制药、食品、造纸等领域。

王守平等以叶蜡石、尾矿废料、粘土和长石精矿为原料,制备出耐酸陶瓷,莫来石的强烈晶化和玻璃相的形成可显著提高陶瓷的化学稳定性。

(4)陶瓷磨具

陶瓷磨具具有强度高、硬度高、防潮、耐磨、耐污、耐腐蚀、耐高温、易清洗、变形小、绝缘性好,具有一定的抗热震性等性能。

王改民等以叶蜡石和白云石代替部分粘土作为结合剂,叶蜡石含有较少的结晶水,加热过程中脱水缓慢,硬度低,质软而富于脂肪感,膨胀系数小,利用叶蜡石这些性能可以改善陶瓷磨具的性能。叶蜡石和白云石的引入还可在一定温度范围内防止碳化硅磨具出现黑心现象,拓宽了碳化硅磨具的烧结温度适应范围。

3、传压密封介质

叶蜡石由于具有良好的传压性、耐热保温性、密封性、机械加工性和绝缘性等特点,被广泛用于人造金刚石、立方氮化硼等高压合成行业中的传压密封介质。叶蜡石传压密封材料的性能主要取决于叶蜡石矿石的矿物组成。

陈天虎等对合成金刚石生产中叶蜡石传压密封材料的矿物学进行了研究。结果表明:叶蜡石矿石中的杂质矿物主要是一水硬铝石、明矾石、高岭石、长石、绿泥石、绢云母、赤铁矿、石英、钛铁矿、褐铁矿、金红石等。具有层状结构的矿物一水硬铝石、高岭石、绢云母、绿泥石等总量不超过10%时,不会影响制品的传压性能。长石、石英等含量应控制在小于5%。明矾石则是有害组分。

非常纯净的叶蜡石矿石制成的传压密封材料传压性能良好,但内摩擦系数小,密封性能差,少量的赤铁矿、钛铁矿、褐铁矿、金红石矿物的存在可以提高密封性能。褐红色、褐黄色、灰黄色叶蜡石矿石制成的材料传压密封性能要比灰白色、白色叶蜡石的好。

4、玻璃纤维

玻璃纤维主要是以叶蜡石、石英砂和石灰石等为原料,其中叶蜡石含量占50%以上,经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制成的性能优良的无机非金属材料,具有绝缘性好、耐热性、抗腐蚀性好、机械强度高等优点,其单丝的直径为几个微米到二十几个微米,可分为E玻璃纤维、S玻璃纤维、C玻璃纤维和A玻璃纤维。一般使用Al2O3为18%-22%左右的中铝叶蜡石作为生产玻纤的原料,叶蜡石中Al2O3含量过高或过低都会对生产工艺产生影响。

叶蜡石除了可以作为生产无碱玻璃球和中碱玻璃球的主要原料外,还可将其与石英熔炼拉成玻璃纤维制成玻璃钢,或制成耐酸、碱及高温的玻璃布,是一种新型贴墙材料。

5、橡胶领域

橡胶使用的传统补强剂是炭黑和白炭黑,炭黑一般应用于黑色橡胶制品,白炭黑一般应用于浅色橡胶制品。研究表明,使用叶蜡石作为橡胶的补强剂,也起到改善橡胶加工性能和物理性能的作用。

杨林泰等研究了改性叶蜡石对NR胶料性能的影响,并与高耐磨炭黑进行了对比。结果表明:改性叶蜡石具有加速硫化、增强交联的效果;改性剂能够提高叶蜡石与NR胶之间的界面作用,因此,改性叶蜡石硫化胶的邵尔A型硬度、定伸应力、拉伸强度、撕裂强度和回弹值均增大,阿克隆磨耗量减小,耐热氧老化性能提高。为此采用改性叶蜡石与炭黑并用补强体系,既可减低生产成本、改善胶料的加工性能,又能获得综合性能优良的胶料。

6、吸附剂领域

由于叶蜡石价格低廉,且具有吸附土的结构特性,国外已将其作为吸附剂而广泛使用。叶蜡石层状结构相邻两晶层之间仅以范德华力连接,结构易于沿层破坏,阴、阳离子可以进入层间,因此叶蜡石具有天然的吸附活性。

姚文君等采用湿法活化工艺选择不同类型的有机活化剂对叶蜡石粉体进行了活化处理,并进行了对水中极性有机物对苯二酚的吸附实验。结果表明:有机活化处理后的叶蜡石能明显提高对对苯二酚的吸附能力,可使水溶液中对苯二酚的去除率从26.8%提高到83.1%。

7、原料合成

叶蜡石也可作为合成莫来石的原料,在合成莫来石时,不仅能提供SiO2和Al2O3成分,而且在高温煅烧时产生的膨胀可以抵消坯体产生的收缩,从而避免坯体开裂。

薛群虎等以叶蜡石和滑石为主要原料,合成出堇青石。结果表明:采用结构水含量低,烧失量小,煅烧后体积变化小的叶蜡石、滑石原料能够合成出结构致密,气孔率低,强度高,主晶相含量>90%的堇青石。

于景坤等以叶蜡石和天然石墨为原料,在Ar气氛下通过碳热还原法原位合成出莫来石-碳化硅复合材料。结果表明:合成莫来石-碳化硅的最佳温度为1550℃,原位合成的SiC多为球状,颗粒粒径为1μm左右,均匀地分布于莫来石相中。合成的莫来石-碳化硅复合材料的韧性、抗压强度和抗渣侵蚀性能明显优于单一莫来石材料。

程伟用热活化叶蜡石制备出多孔氧化铝材料,制备的多孔氧化铝的平均孔径为20-21nm,材料由层片状结构堆垛而成,表面凹凸不平,层与层间、颗粒与颗粒间存在大量的缝隙和孔洞。

8、PVC人造革

李静等以叶蜡石粉料作为功能填充型补强剂用于PVC人造革,具有片状结构的叶蜡石增加了与PVC树脂的接触面积,因此具有较好的补强作用。当叶蜡石加入量为15份时,耐磨改性效果超过气相二氧化硅。与活性轻质碳酸钙相比,叶蜡石对PVC人造革的抗撕裂改性效果更好。因此,叶蜡石可取代普通填料应用于PVC人造革。

9、阻燃剂

汪关才等结合叶蜡石与无机膨胀型阻燃剂的优势,将两者复配用于UPR的阻燃。结果表明:UPR阻燃复合材料的综合性能较好,燃烧时可形成致密的膨胀型炭层,起到隔气、隔质的作用,氧指数高达36.4,满足国家对B1级电器类热固性塑料的使用要求。

10、微晶玻璃

Mandal等以叶蜡石和工业废弃物高炉矿渣为主要原料,制备出超低和负膨胀微晶玻璃。叶蜡石的引入降低了玻璃的熔化温度和熔体粘度,并导致微晶玻璃相的形成。制得的微晶玻璃的热膨胀系数为-9×10-7/℃~-2×10-7/℃,且根据产物的不同,材料的抗弯强度可达120MPa-200MPa。以该法制备的微晶玻璃,原料使用的是工业废弃物并且熔化温度较低,因此产品的成本较低。

11、其他

此外,由于叶蜡石的一些物理性质与滑石相近,因此叶蜡石可替代滑石作为造纸、油漆、塑料、化妆品及其他产品的填料。叶蜡石还可用作各种农药和杀虫剂载体;作为糖果和医药的填料;用于生产自水泥和屋面防水材料;被直接加工成电气绝缘零件和高绝缘器件;作为其他工业的防粘隔离剂;作为铅笔芯的填加剂;用于电缆能防止沥青粘连;用作润滑油添加剂;用于做假宝石,雕刻各种工艺美术品;作为生产洗涤剂和分子筛的原料。

12、叶蜡石在利用中存在的问题

我国是世界上叶蜡石矿物原料资源富足的国家,但在开发利用上仍存在一定的不足。

(1)资源浪费严重

由于对矿石的指标提得过高,导致本来可以应用的矿石无法使用。对此,可加强对叶蜡石提纯的研究,同时也对制备高档制品具有现实意义。

(2)附加值低

我国出口的叶蜡石矿产还是以原矿为主,由于理念、技术等原因,没能体现出良好的产品附加值。

13、建议

(1)合理开发,重视矿产综合利用与保护;

(2)对我国现有的叶蜡石资源进行全面详细的矿物学研究,为叶蜡石资源合理利用创造条件;

(3)目前,叶蜡石的应用领域在国内主要集中在耐火材料、陶瓷、传压密封介质、玻璃纤维等的制备上,其他方面的应用量还相当有限;

(4)通过观念转变、技术创新,提高叶蜡石矿物的产品附加值;

(5)如果能在保证不破坏叶蜡石晶体结构的前提下,将叶蜡石进行纳米化,则可表现出表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点,纳米叶蜡石产品也将表现出意想不到的性能,叶蜡石的应用也将随之拓宽到更广阔的应用领域,同时也为复合材料的研究增添了新的内容。

目前,有关叶蜡石微细化的工作虽然取得了一些成果,但理论尚未成熟,今后面临的更大挑战是如何将纳米化叶蜡石工业化生产,含有纳米单元相的复合材料也都是以实际应用为目的,这也是纳米材料工程的重要组成部分,也正成为当前纳米材料发展的新方向。

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