幾種常用高嶺土的組成和結(jié)構(gòu)比較

包鎮(zhèn)紅，江偉輝，苗立鋒，魏紅兵，吳 倩

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院國家日用及建筑陶瓷工程技術(shù)研究中心，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

幾種常用高嶺土的組成和結(jié)構(gòu)比較

包鎮(zhèn)紅，江偉輝，苗立鋒，魏紅兵，吳 倩

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院國家日用及建筑陶瓷工程技術(shù)研究中心，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

采用XRD、DTA-TG、FE-SEM等測試手段對龍巖、臨滄和星子這三個產(chǎn)地高嶺土的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明：三種高嶺土中均含有一定量的多水高嶺石，其中臨滄高嶺土中的多水高嶺石含量最多。龍巖高嶺土由多水高嶺石、高嶺石和伊利石組成，臨滄高嶺土以多水高嶺石為主，星子高嶺土以高嶺石為主。三種高嶺土中以星子高嶺土的結(jié)晶度最高，龍巖高嶺土和臨滄高嶺土的結(jié)晶程度較差。龍巖高嶺土為片狀和管狀的混合結(jié)構(gòu)；臨滄高嶺土中則大多呈卷曲的短管狀；星子高嶺土大部分為疊片狀結(jié)構(gòu)，且顆粒較大。

高嶺土；多水高嶺石；結(jié)晶度；管狀

0 引 言

高嶺土是一種非常重要的非金屬礦產(chǎn)資源，由于具有良好的物理化學(xué)性能，用途十分廣泛，已成為造紙、陶瓷橡膠、化工、涂料、醫(yī)藥、國防等幾十個行業(yè)所必需的非金屬礦物原料。我國高嶺土資源豐富，主要分布在粵、桂、贛、閩、蘇等地[1]。由于地質(zhì)形成原因不同，不同產(chǎn)地的高嶺土其組成、結(jié)構(gòu)也有所差異。雖然研究高嶺土的文章不少，但多是對高嶺土的開發(fā)、應(yīng)用及某一方面的結(jié)構(gòu)和性能的研究報道[2-5]。龍巖、臨滄和星子這三個產(chǎn)地的高嶺土儲量多，產(chǎn)量大，但探討這三個產(chǎn)地高嶺土的組成和微觀結(jié)構(gòu)的研究尚不多見，對這三個產(chǎn)地高嶺土進行系統(tǒng)的對比研究還未見報道，所以本文選取龍巖高嶺土、臨滄高嶺土和星子高嶺土進行對比研究，對工業(yè)上科學(xué)選取高嶺土提供理論指導(dǎo)的依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

本試驗使用的原料分別來自我國三個高嶺土產(chǎn)區(qū)：福建龍巖市、云南臨滄市和江西星子縣。其中龍巖高嶺土呈灰白球狀，臨滄高嶺土為白色粉末顆粒，江西星子高嶺土呈土黃色塊狀。這三種高嶺土的化學(xué)組成見表1。

表1 不同產(chǎn)地高嶺土原料的化學(xué)組成（wt.%）Tab.1 Chemical compositions of kaolins from different regions

1.2 性能表征

用D8 Advance型X 射線粉晶衍射儀（XRD，德國BRUKER/AXS 公司）鑒定高嶺土的物相組成；用綜合熱分析儀(DTA/TG，德國耐弛有限公司，型號STA409TC)進行高嶺土的差熱及失重分析；采用日本電子公司JSM-6700F型場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM）對高嶺土進行顯微結(jié)構(gòu)分析。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 不同產(chǎn)地高嶺土的物相分析

圖1為三種高嶺土的X射線衍射圖。由圖1可知，龍巖高嶺土主要由多水高嶺石（也叫埃洛石）、高嶺石和伊利石組成，臨滄高嶺土主要由多水高嶺石組成，含有少量的高嶺石，星子高嶺土主要由高嶺石組成，并含有少量的伊利石和多水高嶺石。由表1化學(xué)組成可知，龍巖高嶺土和星子高嶺土中均含有較多的K2O，其中K2O含量分別為2.47 wt.%和1.09 wt.%；而臨滄高嶺土中的K2O含量僅有0.15 wt.%。由于伊利石與高嶺石相比較，伊利石含K2O多，而含水較少。因此龍巖高嶺土和星子高嶺土中均含有一定量的伊利石，而臨滄高嶺土不含伊利石。

圖1 不同高嶺土的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of different kaolins（a：Longyan kaolin； b：Lingchang kaolin；c：Xingzi kaolin）

三種高嶺土以星子高嶺土中高嶺石晶相的衍射峰強度最高，說明星子高嶺土的結(jié)晶度最高。其余兩種高嶺土的衍射峰強度相對較弱，結(jié)晶程度也較差。

2.2 不同產(chǎn)地高嶺土的差熱-失重分析

圖2 不同高嶺土的差熱和失重曲線Fig.2 DTA-TG curves of different kaolins(a)Longyan kaolin; (b)Lingchang kaolin; (c)Xingzi kaolin

圖2為三種高嶺土樣品的差熱和失重分析曲線。根據(jù)圖2得到的3種高嶺土的放熱峰值和熱失重數(shù)據(jù)見表2。從圖2三幅DTA-TG曲線上可以看出，(1)三種高嶺土均在100 ℃附近有一V型的吸熱谷，并伴隨微量的失重，表明三種高嶺土中均含有一定量的多水高嶺石，多水高嶺石于100 ℃左右放出層間水，形成一個明顯的吸熱谷。有研究表明，100 ℃附近低溫吸熱谷的出現(xiàn)與礦物中層間水的存在有密切關(guān)系[6]。因為純高嶺石的差熱曲線低溫時沒有熱效應(yīng)或只是形成一微小的吸熱谷[6-8]。由于純高嶺石不含層間水，只是含有少量吸附水，因此低溫的熱效應(yīng)很小。(2)在520 ℃附近出現(xiàn)一強的深V型吸熱谷，并伴隨11～13%的失重，這是由于高嶺石發(fā)生脫羥基反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠邘X石，失去結(jié)構(gòu)水所導(dǎo)致，之后殘余結(jié)構(gòu)水繼續(xù)排除，直至800 ℃；(3)在1000 ℃附近產(chǎn)生一尖銳的放熱峰，對應(yīng)沒有失重，這是由偏高嶺石經(jīng)硅鋁尖晶石轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊硎头绞⑺耓7]。由于硅鋁尖晶石結(jié)構(gòu)中空位較多不穩(wěn)定，繼續(xù)加熱會轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)穩(wěn)定的莫來石而分離出方石英。

與龍巖高嶺土和星子高嶺土不同的是，在差熱曲線上除100 ℃低溫吸熱谷外，臨滄高嶺土還在277℃出現(xiàn)了一個小的吸熱谷，而其余兩種高嶺土僅出現(xiàn)了100 ℃的低溫吸熱谷。這說明臨滄高嶺土中含有的層間水最多，多水高嶺石含量最多。因為粘土礦物400 ℃之前主要是脫除吸附水和層間水，臨滄高嶺土由于存在大量的層間水，因?qū)娱g水的繼續(xù)逸出致使277 ℃出現(xiàn)一個小的吸熱谷。

500～600 ℃中溫吸熱谷與礦物結(jié)晶度、粒度和加溫速度等條件有明顯關(guān)系[6]。星子高嶺土的兩個吸熱谷值均比前兩者高10 ℃左右，這說明星子高嶺土的結(jié)晶度最好。這是因為弱結(jié)晶的高嶺石排除結(jié)構(gòu)水比結(jié)晶完整的高嶺石要容易得多，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的溫度也較低，吸熱焓也較低。所以這種溫度的變化是高嶺石由于結(jié)晶程度不同而引起的。中溫吸熱谷有時也受顆粒大小的影響，據(jù)S.斯皮爾等研究，隨著高嶺石粒度減小，中溫吸熱峰的溫度逐漸降低[9]，所以可推測星子高嶺土的粒度比前兩者更大一些，后面的電鏡照片也證實了這一點。

從失重曲線可看出，星子高嶺土由于結(jié)晶度最好，其脫水曲線在400 ℃以前是一弱的較平直的曲線，400 ℃以后隨著加熱溫度的升高，晶格羥基的脫失，重量突然減少而形成一個陡直的坡狀曲線，見圖2(c)。龍巖高嶺土的結(jié)晶度較差，礦物組成中也含有一定量的多水高嶺石，由于多水高嶺石比高嶺石含稍微多一些的層間水，因而100 ℃以前為一稍陡的斜線，100～400 ℃失重曲線稍平緩，見圖2(a)。臨滄高嶺土因多水高嶺石含量最多，其礦物組成主要是多水高嶺石，由于大量層間水的存在，其脫水曲線加溫開始以后就迅速的失重，從室溫到400 ℃一直都是較陡的斜線，見圖2(b)。

表2 三種不同產(chǎn)地高嶺土放熱峰值和熱失重數(shù)據(jù)Tab.2 The exothermic peak and thermal weight loss data of different kaolins

圖3 不同高嶺土樣品的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of different kaolins

此外臨滄高嶺土在300 ℃以下的失重量也最多，達到3.6%，而龍巖高嶺土為1.73%，星子高嶺土僅有1.03%。這進一步證實臨滄高嶺土中的多水高嶺石含量最多，龍巖高嶺土其次，而星子高嶺土中所含的多水高嶺石最少。因而龍巖高嶺土中含有一定量的多水高嶺石，且高嶺石結(jié)晶度差；臨滄高嶺土以多水高嶺石為主，星子高嶺土以結(jié)晶良好的高嶺石為主。這和XRD的分析結(jié)果相一致。

2.3 不同產(chǎn)地高嶺土的顯微結(jié)構(gòu)分析

高嶺土的形貌觀察是高嶺土結(jié)構(gòu)研究的重要部分，本文對這三種高嶺土進行掃描電鏡觀察，結(jié)果見圖3。

圖3(a)、3(b)和3(c)分別是龍巖高嶺土、臨滄高嶺土和星子高嶺土的SEM照片。從圖3可以看出，龍巖高嶺土為片狀和管狀的混合結(jié)構(gòu)，其中片狀為高嶺石和伊利石，管狀為多水高嶺石。片狀晶形為假六邊形，有的晶角已變鈍，呈不規(guī)則形狀，結(jié)晶度較差。臨滄高嶺土主要以卷曲的短管狀或顆粒狀的多水高嶺石為主，此種顆粒狀的多水高嶺石可能是由管狀體卷曲形成的顆粒，顆粒細小，幾乎看不到片狀的高嶺石，這也說明了臨滄高嶺土中含有的多水高嶺石最多。而星子高嶺土多由規(guī)則的疊片狀（層狀）高嶺石礦物組成，含極少量的管狀多水高嶺石和不規(guī)則的小的板條狀伊利石。層狀高嶺石的厚度相差不大，邊緣具有一定的規(guī)則，顆粒之間堆積非常緊密，近于平行緊密的排列在一起，結(jié)晶程度高，顆粒尺寸較大，這與XRD和DTA-TG分析結(jié)果相一致。

3 結(jié) 論

（1）龍巖高嶺土由多水高嶺石、高嶺石和伊利石組成，臨滄高嶺土的礦物組成以多水高嶺石為主，星子高嶺土的礦物組成以高嶺石為主，且三種高嶺土中均含有一定量的多水高嶺石，其中臨滄高嶺土中的多水高嶺石含量最多，龍巖高嶺土其次，而星子高嶺土中所含的多水高嶺石最少。

（2）三種高嶺土中以星子高嶺土的結(jié)晶度最高，龍巖高嶺土和臨滄高嶺土的結(jié)晶程度較差。

（3）龍巖高嶺土為片狀和管狀的混合結(jié)構(gòu)；臨滄高嶺土則大多呈卷曲的短管狀；星子高嶺土大部分為疊片狀結(jié)構(gòu)，且顆粒較大。

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Composition and Structure Comparison of Several Common Kaolins

BAO Zhenhong, JIANG Weihui, MIAO Lifeng, Wei Hongbin, Wu Qian
(National Engineering Research Center for Domestic and Building Ceramics, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China)

The mineral composition and microstructure of kaolins from Longyan, Lincang and Xingzi were studied by XRD, DTA-TG and FE-SEM. The results show that all the three kaolins contain a certain amount of halloysite. The halloysite content of Lincang kaolin is higher than that those of others. Longyan kaolin is constituted of halloysite, kaolinite and illite. The main mineral component of Lincang kaolin is halloysite. Xingzi kaolin is mainly composed of kaolinite. Xingzi kaolin has the highest crystallinity of the three. Longyan and Lincang kaolins have poor crystallinity. Longyan kaolin has the mixed structure of sheets and tubes. Lincang kaolin has the structure of short curly tubes. Xingzi kaolin is mainly of sheets in structure, and its crystal grain size is large.

kaolin; halloysite; crystallinity; tubular

TQ174.4

A

1000-2278(2014)01-0053-04

2013-10-10。

2013-10-21。

包鎮(zhèn)紅(1982-),女，碩士，講師。

江偉輝(1965-)，男，博士，教授。

Received date:2013-10-10. Revised date:2013-10-21.

Correspondent author:JIANG Weihui(1965-),male,Ph.D.,Professor.

E-mail:jwhjiang@163.com