高岭土在聚合物中的应用研究进展开题报告

本科毕业设计开题报告题目高岭土在聚合物中的应用研究进展学生姓名学号所在院(系)材料科学与工程学院专业班级指导教师2014年3月10日1题目高岭土在聚合物中的应用研究进展一、选题的目的及研究意义寻求高岭土综合利用的有效途径。质纯的高岭土具有白度高、质软、易分散悬浮于水中、良好的可塑性和高的粘结性、优良的电绝缘性能；具有良好的抗酸溶性、很低的阳离子交换量、较好的耐火性等理化性质。因此高岭土已成为造纸、陶瓷、橡胶、化工、涂料、医药和国防等几十个行业所必需的矿物原料。现在的优质高岭土资源已经越来越少，本论文通过对高岭土填料的应用研究进展进行综述，旨在寻求高岭土综合利用的有效途径。二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等高岭土是一种天然矿产，在我国有丰富的储藏量，长期以来一直广泛应用于轻工、化工、建材、石油、医药、卫生等领域。利用高岭土生产的陶瓷产品更是享誉海内外,许多人已经对高岭土的应用进行了研究，中外对高岭土的研究现状如下：高岭土在水泥基材料中的应用主要是在两个方面：一是利用高岭土制备土聚水泥。土聚水泥是一种高性能的碱激活水泥，兼具有有机高分子、陶瓷、水泥的优良性能，又具有原材料来源广、工艺简单、节约能源和环境污染小等优点[1]。因此近几年来其研究和开发展很快;二是利用高岭土制备混凝土掺合料。为了降低水泥的用量，减少能源及资源的消耗，以及改善混凝土的性能，人们往往使用辅助性胶凝组分——掺合料代替部分水泥，例如矿渣、粉煤灰、硅灰以及天然沸石等。高岭土为原料来制备高效聚合絮凝剂,并利用该新型无机高分子絮凝剂———聚合硅酸铝对废水进行混凝处理,来研究絮凝剂在水处理方面的应用[2]。该絮凝剂具有吸附架桥作用,制备工艺简单,絮凝效果好,价格便宜,处理后水中残余的铝含量低,能生成高密度的絮凝物,沉降迅速,对设备腐蚀性小。经过实验研究,优选出了合理工艺条件,确定了絮凝剂制备过程中的主要影响因素和絮凝剂处理废水过程中的主要影响因素。高岭土改性的研究与应用,国内外专利文献、资料时有报道,成果显著、发展迅速,改性高岭土年用量以较大幅度增长。改性高岭土比改性碳酸钙、硅酸钙、氧化铝、二氧化硅和云母的用量、用途及效果更胜一筹。高岭土的改性从广义讲可以通过物理、化学或机械的方法进行。对高岭土进行煅烧是改性,超微粉碎也是改性,因为它们均能赋予高岭土更好的活性(物理的、化学的)和更好、更广泛的应用特性[3]。Ｋong等人[4]研究了高岭土的多种化学漂白方法和原理,以及在新材料中的应用，连二亚硫酸盐法、酸溶氢气还原法、浮选法、焙烧和酸处理等是低成本漂白、除杂的实用方法.高岭土可应于合成PVC电缆料中的电性改良剂、4A沸石、聚氯化铝和白碳黑等;在制备Sialon和Al2O3/SiC复相陶瓷粉末中,采用高岭土和碳为原料,在不同的气氛下,经碳热还原原位合成,制备出复相陶瓷或复相陶瓷粉末,大大降低了合成制备复相陶瓷粉末的成本。高岭土在玻璃纤维行业的应用前景:玻璃纤维是无机非金属材料中的新型功能材料和结构材料，广泛应用于电子、通信、核能、航空、航天、兵器、舰艇及海洋开发、遗传工程等高新科技产业，成为我国2l世纪不可缺少的可持续发展的高新技术材料[5]。国外有关资料报道，欧美国家和台湾地区的玻璃纤维企业，采用精选或质地好的高岭土而不是叶石作玻纤原料，生产高强度和电子级玻璃纤维，产品质量较好。我国叶蜡石资源丰富，传统玻纤配方中总有叶蜡石，其理论化学式Al2O3·4Si02·H2O。近年来叶蜡石(地开石)开采过量，逐渐贫化，杂质多质量不稳定，国内还没有上规模的叶蜡石选矿加工企业，而其中含有的石英型水铝石，在窑炉中不易熔化，拉丝时易产生断丝。我国高岭土资源十分丰富，有成熟的选矿工艺，产品质量稳定，2其主要成分为高岭石，其化学式为：Al2O3·2Si·2H2O。高岭土在玻璃纤维生产中主要是提供Si02和Al2O3，在应用中影响玻纤池窑拉丝的首要因素是高岭石均化微粉的质量及稳定性，矿石中若含有石英型水铝石，在池窑内不易融化，拉丝时容易产生断丝，所以无碱玻璃纤维对高岭石微粉有苛刻的质量要求[6]。首先玻璃纤维用高岭土对其主要成分要求：Al2O3控制在规定值的±0.5%内波动；Si02控制在规定值的±1%内波动。其次是矿物组成、粒度组成、水分、化学需氧量、有害杂质和微量元素的要求：Fe2O3≤1%，TiO2≤0.7%，K2O和Na2O≤0.4%，粒度方面一般要求+325目不允许或微量存在，水分低于0.5%。国外对玻璃纤维用高岭土要求为：Al2O337%±0.4%，Si0247%±0.8%，Fe2O3≤0.5%，TiO2≤0.5%,水分0.2%，烧失13%±0.5%。在高岭土中，由于氧化铝含量较高，SiO2/Al2O3大约为2，所以融化温度叶腊石高一些。另外一方面，高岭土中的结晶水在700℃左右大量放出，活化了高岭土的硅铝结构，使之容易与其他矿物进行硅酸盐反应，有研究表明含高岭土的配合料比含叶腊石的配合料生粉料消失时间短。分布在我国东南及中南各省的高岭土可塑性好，属于多水高岭土，这类高岭土容易吸潮，对于自动化程度高的池窑拉丝生产线，由于储存时间长，容易形成结块，不宜气力输送；另外含K2O、Na2O高的伊利石型高岭土也不适合无碱玻璃纤维的生产；比较适合玻璃纤维生产用的高岭土主要分布在我国北方的东北、西北的石炭～二叠纪煤系中，以煤层中夹矸、顶底板或单独矿层沉积的硬质高岭土，也叫煤系高岭土。优质沉积型高岭土的最大产地是山西大同一带，还有山东、陕西、河北、内蒙等一些地区。这些高岭土属于硬质高岭土，无可塑性，不会吸潮，而且含铝量稳定，但需要煅烧降低有机质含量。因此，此类高岭土在使用时除需要控制铁含量外，还应控制有机质即化学需氧量[7]。目前，国内外玻璃纤维行业发展迅猛，需要越来越多的质优价廉的原材料，而我国有着丰富的高岭土资源，因此，尽快探讨和开发高岭土在玻璃纤维行业的应用就显得甚为重要[8]。有研究资料显示玻璃纤维生产中添加高岭土，可降低熔制温度约10℃，进而降低总成本。添加高岭土的玻璃纤维配方中可不加氧化铝，可降低高岭土的价格较叶蜡石价格贵而增加的成本。总之，高岭土应用于玻璃纤维，是跨入了一个新的行业，前景广阔，高岭土和叶腊石相互补充，搭配使用，能发挥更大的优势。1、造纸行业的应用高岭土在造纸行业的应用十分广泛，是高岭土最大的消费部门，约占高岭土总消费量的60%，用量远远超过陶瓷、塑料、橡胶和涂料行业。高岭土在造纸行业的应用主要集中两个领域，一个是在造纸过程中使用的填料，另一个是在表面涂布过程中使用的颜料。因为高岭土在纸浆中不与其他配料发生化学反应，具有较好的稳固性，可很好的保留在纸纤维中间，能够给予纸张良好的覆盖性能和良好的涂布光泽性能，还能增加纸张的白度、不透明度、光滑度及印刷适性，极大改善纸张的质量[9]。2、陶瓷行业的应用陶瓷工业是应用高岭土最早，用量较大的行业。一般用量为配方的20%～30%。高岭土在陶瓷中的作用是引入Al2O3，提高其化学稳定性和烧结强度。陶瓷不仅对高岭土的可塑性、结合性、干燥收缩、干燥强度、烧结性质、耐火度及烧后白度等有严格要求，而且涉及到化学特性，特别是铁、钛、铜、铬、锰等致色元素的存在，使烧后白度降低，产生斑点，因此，要求FeO含量在0.6%～0.7%范围内，SiO2含量低于0.5%，CaO+MgO小于2%，K2O含量小于1.5%，烧失量小于15%。对高岭土的粒度要求一般是越细越好[10]。3、耐火材料中的应用高岭土具有较高的耐火度，常用来生产耐火材料，我国把耐火度大于1500℃的黏土，耐火度大于1770℃铝土矿统称为耐火粘土。耐火材料对高岭土的质量要求不是很严格但高岭土中的Al2O3和SiO2的含量比值直接影响耐火土的耐火度；另外，高岭土中Fe2O3、K2O的含量高也会降低耐火度，具有一定危险性[11]。4、高岭土在橡胶工业中用作填料，能提高橡胶制品的机械强度，增强耐磨性和化学稳定性，延长橡胶的硬化时间；同时还可调整橡胶的流变性、混炼性和硫化性能。在不降低合成橡胶性能的情况下大大降低了橡胶的成本。橡胶中高岭土填料的用量一般为按体积计算的10%～20%。橡胶中用高岭3土作填料对其锰的含量有着严格的控制，因为锰会使橡胶制品加速老化，一般锰含量要小于0.007%～0.0045%。还要求Fe2O3和SO2的含量要低，对水分也有着严格要求[12]。5、工艺玻璃制品以工业废渣粉煤灰和高岭土尾砂为主要原料,通过一定的配比,制备出废渣用量大、成本低的黑色和其它颜色的工艺玻璃制品[16].工艺流程:称量、配料—混合均匀—入坩埚窑的坩埚内熔化(1400℃,10h)—吹制成形—退火—割口—磨口—烧口—检验—成品[13]。三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明1、试验方法：硅烷偶联剂:乙烯基（A-171/KH-171）、甲基丙烯酰氧基（A-174/KH-570）钛酸酯偶联剂:对PP适用的为焦磷酸根和苯磺酰氨基,对高岭土适用的是单烷氧基型、单烷氧基焦磷酸酯基型和配位型。综合考虑选用：NDZ-109、NDZ-201、NDZ-401或KR-09S、KR-38S、KR-38S。铝酸酯偶联剂：DL-411取在80℃下干燥好的1000目高岭土7份，每份200g。分别编号0-6；取编号为1的高岭土加入高速混合机，然后加入1g偶联剂KH-171，高速搅拌20min后获得改性高岭土。用同样的方法分别把另外的偶联剂加入到编号为2-6的高岭土中得到改性高岭土。采用活化指数表征各偶联剂对高岭土的改性效果。比较硅烷偶联剂中改性效果，选改性效果较好的一种标为A，钛酸酯偶联剂中较好的一种标为B，把铝酸酯偶联剂标为C，按1：1比例两两混合得到偶联剂AB、AC、BC，以第2步方法改性高岭土，采用活化指数表征改性效果。选出前两步改性效果最好的偶联剂，把偶联剂加入量改为0.2g、0.5g、1g、1.5g、2g、2.5g、3g做7组实验，得到最佳偶联剂的最佳掺入量。改为2000目的高岭土再做一次得到最佳掺入量。利用IR、SEM分析前三步得到的改性高岭土来分析改性机理。按第3步的工艺分别大量改性两种高岭土，分别填充0、10、20、30、40、50、60份高岭土到聚丙烯塑料中，用挤出机挤出成型得到改性聚丙烯塑料。2、实验结果分析测试改性塑料的力学性能和热性能，得到最佳填充量和高岭土的最佳粒度。四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明[1]陈祖颜,颜卫,王坚,等.[J].建筑材料学报,2000(3),3:240～245.[2]王炼石,曹秀华,周奕雨.一种插层和无定形高岭土的制备方案[P].02134791。3,2002.[3]潘琳等.高岭土改性的作用与功能.《国外金属矿选矿》,1998(专刊):354～357.[4]Kong,etal.PolymerInternational,2005,54:488～494.[5]李宝智.高岭土在聚乙烯农用薄膜中的应用研究[M].《非金属矿》,1999(4):23～24.[6]李宝智.改性无机填料在橡胶制品中应用效果的研究[J].《中国非金属矿工业导刊》,2000(6):14～15.[7]郑水林.粉体表面改性[M].建材工业出版社,1995:35～36.[8]王唯礼,邹瑞芬.高岭土的湿法增白处理[J].贵州化工,1994,(4):23-25.[9]张宏泉,戴英,李晔.碳热还原氮化高岭土合成Sialon粉末[J].中国有色金属学报,1998,8(1)140-144.[10]李亚伟,李楠,李文忠,等.碳热还原粘土合成Al2O3/SiC复相陶瓷粉末[J].中国陶瓷,2000,36(3):13-15.[11]姚广春,孙挺,张晓明,等.电热还原高岭土制取铝硅合金的研究[J].有色金属,1997,49(4):45-48.[12]陈祖荣.利用高岭土制备PAC净水剂的研究[J].建材地质,1989,(6):34-36.[13]王定芝.高岭土功能填料和体质颜料[J].非金属矿,1990,(2):30-