[发明专利]一种高径厚比高岭石的制备及其径厚比的测算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高径厚比高岭石的制备及其径厚比的测算方法，是建立在公开专利（CN103196802A）“一种填料用片层材料径厚比的测算方法”的基础上的继续研究，本专利包含了高径厚比高岭石的制备及高岭石径厚比的测算方法，属于材料测试技术领域。 

背景技术

高岭石是由硅氧四面体和铝氧八面体组成的1∶1型二八面体层状硅酸盐矿物。在显微镜下，高岭石呈六角形鳞片状、单晶呈六方板状或书册状，集合体往往呈蠕虫状或手风琴状（殷海荣等，材料导报，2006）。我国高岭土资源以成因类型齐全、储量丰富、质地优良闻名于世。现已探明的高岭土地质储量20亿吨左右，另煤系高岭土16.7亿吨（2013-2018年中国高岭土市场现状调查及发展趋势预测报告，2013），储量巨大。 

未来几年，我国高岭土消费需求仍将保持增长态势，国内高岭土消费领域，包括陶瓷、造纸、橡胶、塑料、搪瓷、石油化工、涂料、油墨、光学玻璃、玻璃纤维、化纤、试论、建材、化肥、农药和杀虫剂载体、胶水、耐火材料等行业，产品有十多个系列近60-70个品种。2010年高岭土需求总规模超过700万吨。预计到2015年，我国高岭土消费需求量将达到971万吨左右，未来前景可期（2013-2018年中国高岭土市场现状调查及发展趋势预测报告，2013）。 

在橡胶行业，许多橡胶制品都要利用弹性体的气密性功能，其中包括各种用途的内胎、汽车轮胎的内层胶、贮气胶囊、探空气球等。由于聚合物具有透气性，气体在压力的作用下就能缓慢地通过聚合物层从而产生泄漏，这是弹性体材料的一大缺点。在轮胎行业，气密性更是内胎胶或内衬层材料所需要的最重要的性能，而一些航空航天的高性能弹性体对气密性的要求也非常苛刻。提高橡胶材料的气密性主要有两种方法。一种是采用高性能的特种橡胶，例如丁基橡胶（IIR）或经过化学改性的天然橡胶，但是特种橡胶的价格高昂，对于内胎这种大量使用的橡胶材料成本太高；另一种方法是在橡胶基体中填充一些填充剂来提高橡胶材料的气密性，这种方法比较廉价。高岭土具有片层结构，当分散在橡胶中时，这种结构将对气体阻隔非常有利，特别是高径厚比的高岭石分散在聚合物基体中，将会赋予复合材料优异的气体阻隔性能。高岭土的片层结构提高橡胶材料的气密性主要原因有两点：首先层状结构会延长气体分子在橡胶基体中的扩散路径，其在橡胶基体中均匀分散后，其片层结构具有各向异性，在橡胶基体受到外力作用时会定向平行排列，平行排列的片层结构使橡胶分子链的活 动受到限制，同时气体分子在橡胶基体中扩散时必须绕过这些片结构，从而有效延长了气体分子的扩散路径；第二个原因是高岭土的片层结构有效充填了橡胶复合材料的孔隙而增加了密实度，减少了材料中的自由体积，再加上粘土片层的“异相成核作用”增大结晶相，减少了无定形相的体积，增大扩散分子的曲折途径而减少扩散。正因为这些结构特点，才使得橡胶/高岭土复合材料在气体阻隔性能方面具有优异的表现（张玉德，橡胶/纳米高岭土复合材料的分散性及其阻隔性能研究，2007；张印民，橡胶/高岭土复合材料的动态生热及阻隔性能研究，2013）。正因为这些结构特点，才使得橡胶/粘土纳米复合材料在补强、热阻隔和气体阻隔等性能方面都有优异的表现，其产品可广泛应用于耐高压的轮胎内胎和内衬层、球胆、气垫、气密层、薄膜、胶管、胶辊、胶带、胶鞋、电缆护套等制品。张玉德和刘钦甫教授采用熔融共混和乳液共混方法将化学改性的高岭土用于丁苯橡胶中，所制备的复合材料的透气率降低了40－60％，并且发现片状的高岭土比球状的白碳黑更具有阻隔优势（张玉德、刘钦甫，矿物岩石，2009）。 

高岭土的片层充填在橡胶复合材料中的示意模型图见附图1，由图可见：圆盘形的高岭石片状填料均匀分散在聚合物中（图中，高岭石片层宽度为d，厚度为h，故其径厚比为AspectRatio(AR)=d/h），且取向方向平行于膜片的表面，气体分子透过聚合物膜片所经过的渗透路径被充分延长，这体现了高径厚比的高岭石填料对橡胶阻隔性能方面的贡献。 

高岭石的径厚比，在高岭土应用的许多领域，例如造纸、涂料，尤其是应用于橡胶的阻隔性能和增强性能，都是一个关键的影响因素，具有重要的研究价值。但受其矿物形貌的特殊性及纳米级微观结构的影响，高岭石径厚比的测量一直是备受业界关注的重点和难点。 

迄今为止，国内外尚未有专用于高岭石片层径厚比测算的方法，现有的关于片层材料径厚比测量的方法主要是综合采用电子扫描显微电镜法、透射电镜等图像法，以及X光投射图像法或X光衍射结构分析法等。这些方法所用的仪器价格昂贵，但结果不稳定，重复性较低，且工作量大，成本过高，一般生产单位不具备这样的条件，应用起来具有局限性。