凹凸棒粘土的提纯及应用
陈学祥
安徽巢湖水泥集团
一、凹凸棒粘土的介绍
凹凸棒号称万土之王，其分子式为Mg5(H2O)4[Si4O10]2(OH)2单个矿物结构是一种以Si-O八面体为基本晶体单元形成链状结构的棒束，晶体呈针状、纤维状、或纤维状集合体。

矿物含水富镁，由于其特殊结构而具有良好的吸附性能，和粘结性能，具备多种用途。

在国外，凹凸棒产品已开发出千余种以上用途的产品。

产品不仅涉及化工、机械、能源、汽车、轻工、冶金、建材等传统产业，而且进入以信息、生物、航空、海洋开发、新材料和新能源为代表的高技术产业。

全球凹凸棒产品约年200万吨左右，美国近十年基本保持在90万吨／年。

我国一直在10万吨左右，由于发现较晚和其他因素，相关的应用开发远远落后其他拥有国，其应用也仅限于石油钻井、动物饲料、各类粘结剂、化肥农药油脂脱色等少数领域。

二、凹凸棒粘土的提纯
凹凸棒粘土颗粒是自然存在的胶体尺寸，高长经比的针状晶体集束，这些集束又聚结成簇。

发现凹凸棒矿藏的同时也会发现其他粘土种类，它们通过空气和水的流动而引入，其他共存的粘土形式如蒙脱石、海泡石、膨润土和高岭土等其他矿物也有存在。

安徽明光凹凸棒粘土总储量约1亿吨，矿量比较集中，主要有四种类型，按其非凹凸棒矿物的含量主要分为蒙脱石型、凹凸棒型、白云石型、碳酸钙型。

其中凹凸棒含量高的可达80%以上。

凹凸棒粘土的传统加工方式是磨研，然后进行颗粒尺寸分离，再干燥至10%左右的含水量，研磨过程会破碎集束簇，也会导致破裂单个凹凸棒颗粒的不理想结果。

美国专利6,130,179介绍，凹凸棒矿石在开采后被粉碎到足够小的尺寸使它们可以被倒进泥浆中。

聚丙烯酰铵化钠（sodium polyacrylates），其分子重在4000～5000之间，被提前混合在水里。

聚丙烯酰铵化钠的浓度最好是在凹凸棒粘土含量的1%～4% 的重量比，将凹凸棒粘土逐渐地进行入聚丙烯酰铵化钠和水的溶液里，并进行中度到高度的剪切，直到完全分解，凹凸棒的集束和集簇被分解成胶体颗粒，而其他共生的粘土形式则以保持集合前较大的颗粒，没有分解的非凹凸棒粘土和其他非粘土物质被用物理手段去除，将去除石屑的凹凸棒粘土除水或干燥直到达到需要的潮湿度，干燥的过程最好是在大气压下，温度在85℃～210℃之间，在干燥过程中，凹凸棒粘土“自我凝聚”成松散连结的球粒。

它们不会再絮凝成紧密连接的集束和聚合。

最后的形式包括过滤饼或干燥的粉末，过滤饼和/或干燥的粉末可以容易地再分解到水中，不需要再加分解剂，一个可以使用的有效的干燥方法是喷射干燥，喷射干燥可以提供均匀尺寸的球粒，其尺寸可以通过调节喷射干燥机的加工条件来控制，这样就可以制造细小尺寸的凹凸棒球粒而无需研磨过程，研磨会破裂凹凸棒的针体从而降低其功能。

三、提纯后凹凸棒粘土的应用
由于凹凸棒的棒状结构具有一定的强韧性，表面含有极性的羟基，比表面积大，活性高，吸附能力强，提纯后的凹凸棒具有非常广泛的用途。

1、做增强材料——凹凸棒单根纤维的直径在20nm左右，长度可达1μm，是天然的纳米材料，如能以原状态分散在聚合物内，是一种很有潜力的一维增强材料。

选用十六烷基三甲基溴化铵对凹凸棒进行表面有机化处理，借助超声波，用溶液共混的方法制备环氧树脂（EP）/凹凸棒纳米复合材料，实验结果表明，当凹凸棒土含量为3wt%时，复合材料的冲击强度由纯树脂的3.97kJ·m-2 提高到7.39kJ·m-2，抗弯强度由纯树脂的121.27MPa 提高到198.45MPa，抗弯模量则随着凹凸棒含量的增加而增加，在凹凸棒含量为7%时，其值为3.36GPa。

可见经有机化处理的凹凸棒土在复合材料中确实起到了增强增韧的作用。

橡胶填料（补强剂）——增加强韧性和耐磨性，凹凸棒经选料活化，表面改性，生产出合格的橡胶填料（补强剂）产品，经安徽省产品质量监督检测所检测，各项技术指标达到了Q/BAT01-93企业标准。

在等量填充的情况下，硫化胶的力学性能优于陶土、轻钙填料，略好于沉淀法白碳黑，与半补强炭黑相近，且混练性好，吃粉快，不飞扬，省工时。

塑料（聚丙烯）填料——PP粉＋经偶联剂处理的凹凸棒产品通过高速混和、塑练、粉碎、造粒、注塑样条测试得知，同样份数的凹土填充PP的拉伸强度高于用碳酸钙填充PP的强度；凹土填充PP的断裂伸长率高于碳酸钙填充PP的伸长率；对弯曲强度而言，凹土有明显的补强作用，随着凹土填充份数的增加，其填充PP 的弯曲强度有所增加，而碳酸钙填充的则有所下降；凹土填充的PP的热变形温度也高于碳酸钙填充PP的性能。

2、做有机土——利用凹凸棒提纯后经过表面改性制成的有机土，主要用作有机分散系的增稠剂、粘度调节剂、触变剂、悬浮剂和乳胶稳定剂——在化妆品、涂料、油墨等方面有广泛的用途。

涂料、油漆、油墨中使用有机土，能改善触变性、悬浮性和稳定性，提高敷展性，防止流挂、凹陷，增加膜厚。

日用化工上，有机土可用于油基、油水性化妆品，以提高膏体乳胶的触变性、敷展性和稳定性。

也可以做高档牙膏的胶料。

3、做催化剂的载体——凹凸棒石粘土的催化性能表现为，当某种反应物质寄附于凹凸棒石粘土晶体内部的大孔穴表面上时，其反应速度有所加快，且反应生成的新物质又可以从凹凸棒
石粘土内部扩散释放出来，而凹凸棒石粘土晶体格架不被破坏。

利用凹凸棒石粘土这一特殊性能制成的催化剂，其用途甚广。

在工业生产中凹凸棒石粘土常被作为催化剂载体得到利用，即将具有催化性能的某种金属元素，如稀土元素、铋、锑、银、铜、钼、铂、钯等，通过适当的工艺技术使金属元素进入凹凸棒石粘土晶体内部，制成相应催化剂。

4、做特殊材料——利用凹凸棒的吸附性能将提纯的凹凸棒吸附银离子做成各种抗菌材料，如抗菌涂料、抗菌内衣等。