1、納米高嶺土的定義

高嶺土（又稱觀音土、白鱔泥、膨土巖、斑脫石、甘土、皂土、陶土、白泥）是一種以高嶺石族黏土礦物為主的非金屬礦產。其化學組成為Al4(Si4O10)(OH)8或是2SiO2·Al2O3·2H2O。純質的高嶺土呈白色而細膩的軟泥狀，被譽為“萬能石”。因江西景德鎮(zhèn)高嶺鎮(zhèn)盛產此物而得名。高嶺土用途十分廣泛，主要應用于造紙、陶瓷和耐火材料，其次用于涂料、橡膠填料、搪瓷釉料和白水泥原料，也用于塑料、油漆、原料、砂輪、鉛筆、日用化妝品、肥皂、農藥、醫(yī)藥、紡織、石油、化工、建材、國防等工業(yè)部門。

圖1：高嶺石晶體結構

我國納米高嶺土礦產資源排名世界前列，已探明267處礦產地，探明儲量29.10億噸，其中非煤建造高嶺土資源儲量居世界第五位，已探明儲量14.68億噸。主要集中分布在廣東、陜西、福建、江西、湖南和江蘇，六省儲量占全國總儲量的84.55%。含煤建造高嶺土（高嶺巖）儲量占世界首位，探明儲量為14.42億噸，主要分布在山西大同、懷仁、朔州、內蒙古準格爾、烏達、安徽淮北、陜西韓城等地，其中以內蒙古準格爾煤田的資源最多。目前我國高嶺土產品種類雖多，但優(yōu)質產品相當少，每年仍需從國外進口大量的優(yōu)質高嶺土。提高國內高嶺土產品的質量，加快高嶺土深加工技術的發(fā)展就成了當務之急。

圖2：高嶺土外形

根據納米材料的定義：至少有一維方向尺寸為1~100nm的材料即可稱為納米材料。納米高嶺土是將高嶺土原礦用破碎機進行粗、中碎以后，采用沖擊磨進行一段超細粉碎，然后煅燒和氣流超細粉碎等工藝制成的粉末高嶺土。納米高嶺土具有較高的比表面積，優(yōu)異的懸浮性和分散性。

　　2.納米高嶺土的性質

　　2.1

　　表面效應

納米高嶺土顆粒的比表面積更大，顆粒表面的原子數(shù)增多、原子配位的不足及高表面能使得這些原子的活性很高，極易與其它原子結合。

　　2.2

　　小尺寸效應

當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體周期性的邊界條件遭到破壞。非晶態(tài)納米顆粒表面層附近的原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱、力等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應。納米粒子的這些小尺寸效應為實用技術開拓了新領域。

　　2.3

　　量子尺寸效應

當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象、納米半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據分子軌道和最低未被占據的分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)象。

　　2.4

　　宏觀量子隧道效應

　　微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。宏觀量子隧道效應的研究對基礎研究及實用都有著重要的意義。

　　3.納米高嶺土的制備

　　3.1

　　機械粉碎法

機械粉碎法顧名思義就是用超微粉碎機將高嶺土直接研磨粉碎成超微粒。這種顆粒被強烈塑性變形，產生應力和應變，顆粒內產生大量的缺陷，顆粒非晶化。這樣顯著降低了元素的擴散激活能，使得組元間在室溫下可以顯著進行原子或離子擴散。

　　3.2

　　分級法

分級法是指超細高嶺土在液體中沉降，根據斯托克定律，從微粒的沉降速度可判斷出某一沉降范圍內微粒的大小，從而可以判斷出顆粒的細度，可得到納米級高嶺土。此法成本高，產率低，不適合工業(yè)化生產。

　　3.3

　　化學合成法

化學合成法是采用偏鋁酸鈉與酸性硅溶膠為原料通過一系列方法得到納米級高嶺土。這種方法得到的納米高嶺土純度高，懸浮穩(wěn)定性、光散射性以及其它特性都很好，但是成本較高。

　　3.4

　　插層法

插層法包括蒸發(fā)溶劑插層、液相插層法、機械力化學插層法等，是指在不改變具有層片狀主體結構特征的前提下，客體能夠可逆的插入主體層片之間的縫隙中。某些有機小分子能夠直接破壞高嶺石層與層之間形成的氫鍵，插入到高嶺土的層間，撐大了高嶺石層間距，使高嶺石層與層之間產生剝離。這是目前最有希望也最有效地制備納米級高嶺土的方法。不過影響插層的因素有很多，包括有機物本身的特性、含水量、pH值、溫度、壓力以及高嶺土的粒徑大小、結晶程度等。

　　4.納米高嶺土的改性

由于納米高嶺土具有很高的表面活性而容易團聚，分散性差，這是納米黏土在制備、加工及應用中都存在的一個比較棘手的問題。為了避免納米微粒的團聚，對微粒進行表面改性，使其穩(wěn)定，不再發(fā)生團聚。

以螯合型鈦酸酯類偶聯(lián)劑改性高嶺土為例，介紹高嶺土改性的制備過程及結果分析。制備方法：稱取一定量的高嶺土漿料，加熱至一定溫度，邊攪拌邊加入改性劑，反應一定時間，抽濾，產物置于110℃烘箱干燥，然后在粉碎機中打散，即可得到改性的納米高嶺土。

對改性前后的納米高嶺土樣品進行紅外光譜分析，并進行沉降體積、容重、白度及紅外輻射性能等一系列測試。結果表明納米高嶺土經過改性處理后，與偶聯(lián)劑發(fā)生相互作用，表面呈現(xiàn)親有機性，在液體石蠟中的分散性和穩(wěn)定性得到明顯改善，具有較好的沉降性能，沉降速度下降。顆粒之間的團聚減少，容重為改性前高嶺土的一半左右，且白度提高將近5%。另外，在常溫下，納米高嶺土還有優(yōu)良的紅外輻射性能，在遠紅外纖維及建筑涂料等領域具有一定的應用前景。

　　5.納米高嶺土的應用

　　5.1

　　納米高嶺土在橡膠制品中的應用

納米高嶺土可用于各種橡膠制品，顯著提高其機械物理性能，同時降低生產成本。特別是在彈性、抗屈撓性、阻隔性能和扯斷伸長率方面具有優(yōu)勢。在順丁橡膠、三元乙丙橡膠、天然橡膠和丁腈橡膠中優(yōu)于白炭黑的補強性能，在丁苯橡膠中接近于白炭黑的補強性能。適合在輪胎胎側膠、內胎、高爾夫球橡膠、膠絲、丁腈密封橡膠、鞋底橡膠、膠輥、膠棒、輸送橡膠等產品中應用。

圖3 ：橡膠輪胎

　　5.2

　　納米高嶺土在混凝土中的應用

隨著使用年限的增加，鋼筋混凝土結構會發(fā)生鋼筋銹蝕現(xiàn)象，銹蝕后鋼筋與混凝土間的粘結性能發(fā)生改變，導致鋼筋不能充分發(fā)揮作用，從而影響結構的安全性及使用性能。納米高嶺土是一種特殊的納米材料，能夠有效降低混凝土材料的滲透性，提高其力學性能和電阻率，有效填充了混凝土基體內部的微小孔洞，增加了基體的密實性，阻礙氯離子進入混凝土內部，從而延緩對鋼筋的腐蝕。

　　5.3

　　納米高嶺土在陶瓷方面的應用

納米高嶺土在制瓷中的作用主要有兩個方面：一是作制瓷的配料，是日用陶瓷、建筑衛(wèi)生陶瓷、電瓷、無線電瓷、工業(yè)陶瓷、特種工業(yè)陶瓷及工藝美術瓷等的主要原料；其二是在瓷坯成型過程中作為其它礦物質配料的粘結劑。納米高嶺土作為原料可以使陶瓷具有更為致密的結構，即具有高硬度。同時由于納米晶界的特性以及其原子排列的隨機性，會使納米高嶺土陶瓷產品具有極大的韌性和好的延展性。

圖4：添加了高嶺土的瓷器

　　5.4

　　納米高嶺土在涂料中的應用

納米高嶺土的表面效應可以將其應用于涂料中，能改善涂料體系貯存的穩(wěn)定性，改善涂料的涂刷性、抗吸潮性及抗沖擊性等性能，改善顏料的抗浮色和發(fā)花性。采用納米高嶺土作添加劑，有助于滿足對涂料提出的日益嚴格的性能和耐久性方面的許多要求。納米高嶺土由于顆粒細微，顆粒表面活性大，所以更容易均勻分散在涂料中，使其成為一個穩(wěn)定均一的體系。從而可以使涂料的吸附性、穩(wěn)定性、耐臟性、耐褪色性加強。

　　5.5

　　納米高嶺土在農業(yè)中的應用

目前，我國在肥料的施用上存在一些難題，例如肥料的利用率較低，導致化肥的施用量增加，過多的施用化肥對生態(tài)環(huán)境造成污染。而高嶺土對氮、磷、鉀和有機碳的吸附和解吸，可以有效改善化肥的施用效益，降低對生態(tài)環(huán)境的污染。研究表明，在相同的處理中，納米高嶺土對氮、磷、鉀的吸附量都比天然高嶺土高出許多，在農業(yè)中具有廣闊的應用前景。

圖5：農業(yè)中也可以應用高嶺土

納米高嶺土的用途多種多樣，還有例如：納米高嶺土粉體對光的吸收顯著增加，可以用于制作消光材料、高效光熱和光電轉換材料、紅外敏感元件以及紅外隱身材料等。還可以利用等離子共振頻率隨納米顆粒尺寸變化的性質，改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，制造具有一定頻寬的微波納米吸收材料，用于電磁波屏蔽、隱形飛機等行業(yè)，隨著科技的進步與發(fā)展，它的應用范圍會越來越廣泛。

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