剝片高嶺土是一種新型的二維（2D）納米材料，具有徑厚比高、比表面積大和界面吸附性能強等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫藥、吸附、催化、特種橡膠、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景，這使得高嶺土插層剝片成為國際黏土礦物材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　
　　高嶺土的剝片方法包括物理剝片法、化學(xué)剝片法和物理化學(xué)協(xié)同剝片方法等。
　　
　　1、物理剝片法
　　
　　物理剝片法通常包括低速或高速攪拌、超聲、微波作用和球磨處理等工藝過(guò)程，具有能耗低、無(wú)污染、對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在片層大小不能較好地控制、礦物顏色變黑或出現片層嚴重損壞的缺點(diǎn)。此外，長(cháng)時(shí)間的磨剝也會(huì )導致研磨介質(zhì)的磨耗加重，不利于工業(yè)生產(chǎn)。
　　
　　高嶺土的物理剝片實(shí)際上是高嶺土的超細粉碎過(guò)程，通常使用機械球磨機、剝片機、分散機、攪拌磨、蒸汽射流磨和砂磨機等設備制備超細高嶺土納米片。
　　
　?。?）磨剝法
　　僅使用一個(gè)剝片機很難快速減小高嶺土的粒度，通過(guò)剝片機串聯(lián)使用的方式能提升高嶺土的剝片效果。高嶺土進(jìn)漿濃度為40%時(shí)，采用1.5~2.5mm的氧化鋯瓷球，在流量為10m3/h、分散劑為六偏磷酸鈉（干粉質(zhì)量1.5%）的條件下，利用GJ5×2雙槽高強度攪拌磨對高嶺土層結構進(jìn)行剝離，一段剝片后-2μm的含量?jì)H為64%；將攪拌磨串聯(lián)5段使用時(shí)，剝片后產(chǎn)品中-2μm的含量提升至84%。針對龍巖高嶺土，利用300L的剝片機對高嶺土進(jìn)行磨剝，進(jìn)漿濃度為30%時(shí)，采用4段串聯(lián)的方式對高嶺土進(jìn)行球磨，產(chǎn)品中-2μm的含量由一段的72%增加到96%。結果表明：增加段數會(huì )提高磨剝效果；最佳礦漿濃度為36%~38%；分散劑的加入顯著(zhù)提高了高嶺土法人分散性及礦漿流動(dòng)性，其中六偏磷酸鈉的磨剝效果比聚丙烯酸鈉的效果明顯。不同剝片機的串聯(lián)使用可進(jìn)一步提高高嶺土的剝片效果，當高效磨剝機三段連用時(shí)產(chǎn)品中-2μm的含量可達91%。
　　
　　不同容量的剝片機對高嶺土的磨剝效率有很大的影響。研究中常使用的剝片機規格通常為300L、1000L和3000L，此外還有可以連續剝片的大流量臥式砂磨機。300L的剝片機一段使用時(shí)產(chǎn)品中-2μm的含量可以達72%，3000L的濕法攪拌磨在一段剝片時(shí)產(chǎn)品中-2μm的含量可高達91%。大流量臥式剝片機具有連續性、效率高等特點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，大容量的剝片機更容易獲得較細的高嶺土粒度，符合工業(yè)化應用的需要。最新研究表明，大流量臥式砂磨機的使用提高了廣東某地高嶺土的質(zhì)量，使高嶺土-2μm的含量由未磨剝時(shí)的85.00%提高至93.83%，其各項指標均已接近美國造紙高嶺土指標。
　　
　　不同的礦漿濃度會(huì )顯著(zhù)影響高嶺土的剝片效果。研究表明，在剝片時(shí)通常需要考慮礦漿的濃度，礦漿濃度過(guò)低會(huì )導致剝片效率低下，而礦漿濃度過(guò)大會(huì )導致礦漿流動(dòng)性變差、磨剝時(shí)礦漿溫度上升、六偏磷酸鈉分散作用下降，最終造成磨剝效果下降。以砂磨機處理廣東高嶺土為例，當濃度從35%增加到60%的過(guò)程中，-2μm的含量呈現先上升后下降的趨勢，在濃度為50%時(shí)，含量達到最大值，再增加濃度，剝片效率會(huì )下降，最終獲得的-2μm的含量?jì)H為91%，從此研究中可以看出，合適的礦漿濃度會(huì )提升剝片效率。
　　
　?。?）高壓擠出法
　　高壓擠出剝片法，其原理是利用柱塞泵的高壓力差，對料漿施加一定的壓力，使高壓料漿通過(guò)狹窄的間隙噴嘴并以一定的高速?lài)姵龅匠喝~輪或擋板上，利用高速流體的強剪切力空化效應及碰撞作用，實(shí)現高嶺土的超細剝片。高壓擠出法克服了機械剝磨法的主要缺點(diǎn)，具有不需要磨礦介質(zhì)、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在能耗高、成本大、設備易損等缺點(diǎn)，特別是對高壓設備質(zhì)量和材料的要求很?chē)栏?，且剝片過(guò)程中雜質(zhì)礦物不能排除，需對篩分后的高嶺土進(jìn)行細磨分級處理。
　　
　　
　　2、化學(xué)剝片法
　　化學(xué)剝片法主要包括化學(xué)浸泡法和插層水洗法，此方法通過(guò)高嶺土層間插層化學(xué)藥劑使高嶺土層間距發(fā)生膨脹，最終高嶺土層結構發(fā)生自然剝落或者水洗剝落。
　　
　　化學(xué)剝片法，一般先使用一些有機無(wú)機小分子（DMSO、KAc、NMF等）進(jìn)行插層，然后通過(guò)水洗、醇洗等方法進(jìn)行插層劑去除，同時(shí)實(shí)現高嶺土的剝片。比如沈忠悅等對高嶺土進(jìn)行KAc插層，然后對高嶺土復合物進(jìn)行水洗處理，實(shí)現高嶺土層結構剝離，所得高嶺土-2μm的含量從原來(lái)的35%增加到82%。一般來(lái)說(shuō)，KAc插層—水洗工藝能將高嶺土片層厚度從40~50nm減小到20nm左右，熱水洗的剝片效果會(huì )更好。對DMSO、NMF等插層的高嶺土進(jìn)一步通過(guò)甲醇置換插層，可減小高嶺土片層厚度的同時(shí)實(shí)現高嶺土的表面改性。這些小分子插層劑的插層剝片工藝一般不會(huì )引起高嶺土的片層卷曲，可使高嶺土保持良好的片層形貌。近10年來(lái)，甲醇的置換插層極大地推動(dòng)了工業(yè)上高嶺土在復合材料領(lǐng)域推廣應用。
　　
　　在此基礎上，還可使用烷基胺、季銨鹽、脂肪酸鹽等碳鏈比較長(cháng)的大分子物質(zhì)作為插層劑，實(shí)現高嶺土的高效剝片。這些大分子置換后高嶺土，其片層更易于發(fā)生分離、剝落，但同時(shí)會(huì )發(fā)生片層卷曲現象，導致高嶺石向埃洛石轉變。LIU等采用不同鏈長(cháng)的烷基胺（己胺、十八胺）對張家口高嶺土進(jìn)行插層處理，高嶺土層間距約為2.87~5.73nm，水洗剝片處理后高嶺土形態(tài)從原先的板片狀變?yōu)榫砬鸂?，并發(fā)現Kaol/HEA的卷曲程度較弱，僅在邊緣處發(fā)現，而高嶺土/OCA的卷曲較大，形成了完整的納米管形貌。Kaol/HEA和Kaol/OCA插層化合物卷曲度的差異是由HEA和OCA這2種物質(zhì)的分子鏈長(cháng)度差異造成的。較大的基底間距提供了有利的卷曲空間，從而在插層劑作用力下誘導發(fā)生片層卷曲。
　　
　　需要指出的是，化學(xué)剝片法采用的水洗工藝，常會(huì )導致高嶺土表面及層間殘留較多的插層劑，會(huì )對高純高嶺土粉體造成一定的污染，從而影響高嶺土在生物醫藥等高端應用領(lǐng)域的使用。
　　
　　3、物理化學(xué)剝片法
　　
　　物理化學(xué)協(xié)同剝片法主要包括插層—磨剝剝片法和插層—超聲剝片法等。
　　
　　物理化學(xué)剝片法，一般先通過(guò)DMSO等小分子的插層作用使高嶺土層間距擴大，然后施加一定的機械作用力（超聲、球磨等）促進(jìn)高嶺土片層發(fā)生分離，此外也常使用甲醇置換插層后通過(guò)十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、十八胺等大分子插層實(shí)現高嶺土的高效剝片。
 

　　
　?。?）插層—球磨。插層—球磨工藝被較多高嶺土企業(yè)嘗試過(guò)，一般是利用砂磨機、超細研磨機、剝片機等對插層后的高嶺土進(jìn)行球磨處理，后因其效果不理想而較少研究。
　　
　?。?）插層—超聲/乳化。插層—超聲工藝是近年來(lái)研究較多的，且普遍效果較好。DMSO、KAc等小分子插層劑插入高嶺土層間后，通過(guò)超聲或乳化處理，可利用空穴效應、流體強剪切作用等大幅提升高嶺土片層分離的效果，并促進(jìn)插層劑的去除。如對醋酸鉀插層高嶺土進(jìn)行超聲剝片時(shí)，其層厚度可從40~50nm左右降低到15nm左右。李曉光對比了超聲輔助對插層高嶺土比表面積的影響。結果表明，進(jìn)行超聲處理時(shí)張家口高嶺土的比表面積和孔容分別由51m2/g和0.22cm3/g增加到101m2/g和0.48cm3/g，經(jīng)過(guò)超聲后高嶺土的比表面積變化率由原來(lái)的410%提高到909%，相應的孔容也發(fā)生明顯的提高。該類(lèi)工藝獲得的高嶺土，一般具有比表面積大、徑厚比高等特點(diǎn)，但高嶺土的形貌易卷曲為管狀形態(tài)。
　　
　?。?）插層—置換插層—超聲。近年來(lái)的研究發(fā)現，利用經(jīng)過(guò)大分子置換插層的高嶺土進(jìn)行超聲處理，可進(jìn)一步提升高嶺土的剝片效果。MATUSIK等發(fā)現埃及高嶺土經(jīng)過(guò)己胺或十八胺置換插層及超聲處理后比表面積從12.35m2/g增加到29.43m2/g。ABUKHADRA等研究了高嶺土經(jīng)過(guò)CTAB置換插層及超聲處理后高嶺土的比表面積及形貌的變化，發(fā)現經(jīng)過(guò)超聲處理后高嶺土的比表面積從10m2/g增加到105m2/g，高嶺土形貌由原來(lái)片狀轉變成邊緣彎曲的管狀形態(tài)。此外，有學(xué)者發(fā)現，類(lèi)似石墨的剝片工藝，通過(guò)添加一些輔助試劑，也可促進(jìn)插層高嶺土的片層分離。LIU等通過(guò)將高嶺石-DMSO插層復合物與H2O2進(jìn)行置換反應并超聲處理后顯著(zhù)降低了高嶺土的片層厚度。該方法通過(guò)輔助試劑H2O2促進(jìn)了高嶺土片層的分離，獲得的高嶺土片層厚度可低至數納米[50]。該類(lèi)工藝可獲得徑厚比高、比表面積大、片層厚度低的片狀高嶺土。然而，由于大多數置換插層的有機分子需要通過(guò)DMSO、甲醇置換的方式才能進(jìn)入高嶺石層間，該工藝仍存在工藝繁瑣、時(shí)間長(cháng)、試劑消耗量大等問(wèn)題。此外，在片層厚度低于10nm的高嶺土的制備與存儲過(guò)程中，這些超薄高嶺土納米片會(huì )出現因環(huán)境溫度加熱而發(fā)生片層重新粘附堆疊的現象，從而阻礙其粉體在橡膠、涂料高端應用領(lǐng)域的規?；?。
　　
　　近年來(lái)的高嶺土剝片技術(shù)研究，主要在高嶺土剝片設備、物理化學(xué)剝片法上取得了一些新成果，主要包括：①新型大容量研磨設備的開(kāi)發(fā)以及研磨介質(zhì)及礦漿濃度等工藝參數的優(yōu)化，進(jìn)一步提高了我國高嶺土企業(yè)的超細研磨效率。然而，傳統的磨剝法和高壓擠出法雖能大幅減小高嶺土粒徑，但徑厚比降低仍不明顯。超聲破碎儀會(huì )造成高嶺土片層結構破壞而超聲池的直接剝片效果不理想，仍未實(shí)現規?；瘧??？傮w而言，現有的物理剝片工藝雖可降低高嶺土粒度卻難以大幅提升其徑厚比。②插層工藝能較大程度地增大高嶺土的層間距值并改變其表面性質(zhì)，有利于剝片效果的大幅提升，但會(huì )引起有機大分子殘留或導致高嶺石向埃洛石的形貌轉變。插層、超聲、球磨等工藝結合的物理化學(xué)協(xié)同方法能實(shí)現高嶺石的高效剝片，獲得比表面積大、徑厚比高的納米高嶺石，但高嶺土的剝片率及其片層形貌會(huì )受到具體剝片工藝影響，且存在化學(xué)試劑使用量大的問(wèn)題?！　?br /> 　　
　　資料來(lái)源：《傅梁杰,屈雨鑫,樊迪康,楊華明.高嶺土插層剝片技術(shù)研究進(jìn)展及展望[J].金屬礦山:2023》，由【粉體技術(shù)網(wǎng)】編輯整理，轉載請注明出處！