| 高膨胀率高质量蛭石粉体研制 -- 蛭石热膨胀过程 (1. 北京工商大学化学与环境工程学院，北京 100037； 2. 中国科学院过程研究所多相反应开放实验室，北京 100080) 摘 要：在对新疆尉犁蛭石膨胀机理研究的基础上，研究了在不同温度和加热速率条件下该蛭石的体积膨胀率，试图 得到影响蛭石膨胀的主要膨胀工艺参数，开发新型节能膨胀技术. 研究发现，新疆尉犁蛭石的单片体积膨胀率和集合 膨胀率均随温度升高而增加，但当温度超过 600℃后，体积膨胀率增加缓慢. 单片体积膨胀率存在很大的离散性，说 明新疆尉犁蛭石不是单一的金云母−蛭石层间矿物，而是由一系列水化程度不同的金云母组成的次生变质矿. 在引起 蛭石膨胀的150∼300℃温度区间内出现3个吸热峰，它们分别是由与不同阳离子结合的层间水的脱除引起的. 加热速 率影响热膨胀过程，快速加热有利于制备高膨胀率的蛭石粉体. 制备的高膨胀率蛭石的层孔直径大约为100 nm，粉体 的室温热导率为0.113∼0.115 W/(m⋅K)，是一种性能优良的隔热材料. 关键词：蛭石；膨胀；热谱分析；层孔材料 中图分类号：TD877+ .9 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2006)05−0763−05 1 前 言 矿物蛭石(Vermiculite)系指一组含水的云母(通常是 黑云母或金云母)经热水溶液蚀变作用和风化产生，为 含镁、 铁质硅酸盐的次生变质矿物[1−3] . 由于蛭石层间含 有可交换阳离子及其结合水，受热超过150℃时，即沿 着与解理面成直角的方向迅速膨胀，并呈挠曲状. 蛭石 属化学成分复杂的三八面体和二八面体铝硅酸盐，化学 式为(Mg,Ca)0.7(Mg,Fe,Al)6.0[(Al,Si)8.0O20](OH4⋅H2O)，折 合氧化物含量(%): SiO2 37∼42, Al2O3 9∼17, Fe2O3 5∼18, MgO 11∼23, H2O 5∼11, Ca, Na, K含量不定. 因水化作用 程度不同， 即使同地出产的蛭石， 其化学成分也难相同， 特别是层间可交换阳离子的种类和浓度随着区域地质 条件的差异有很大变化[4−7] . 蛭石在焙烧脱水过程中具有特殊的膨胀性能， 体积 膨胀甚至能达到 20倍以上. 膨胀蛭石具有体轻、隔热、 耐冻、抗菌、防火、吸水、吸音等性能，成为一种有用 的矿物材料，已经较大规模地用作保温、隔热和耐热材 料. 高膨胀率蛭石微粉对于某些放射性和重金属元素、 大分子有机质有很强的吸附功能，可以用于处理含有害 金属的废水和造纸工业污水等[8,9] . 蛭石在我国产地分 布广、储量丰，是一种优势矿产资源，其中尤以新疆尉 犁蛭石矿储量大且品质优良. 国内很多研究人员从矿 物学的角度对新疆尉犁蛭石进行了细致的研究，发现是 由金云母−纯蛭石构成的间层矿物， 其中以金云母−蛭石 按 1:1 规则间层矿物和金云母−水云母分晶层间层矿物 为主[4] ，国外也曾有相似的报道[10] . 高温X 射线衍射原 位分析[2] 表明，新疆尉犁蛭石具有多种间层结构，其差 别甚至可以通过肉眼观察加以区分，如墨绿色、深黄色 和黄色蛭石等，它们不但具有不同的间层结构，密度差 别也较大，更重要的是具有不同间层结构的蛭石在受热 膨胀时达到的大膨胀率可以相差几到十几倍. 在前期关于新疆尉犁蛭石热膨胀机理研究[2] 的基 础上，本工作主要研究影响膨胀率的工艺参数及受热过 程中蛭石中吸附水分、层间阳离子结合水和结构水(羟 基)的脱除行为及其对膨胀过程的影响. 按单片膨胀率 和集合膨胀率分类对蛭石进行膨胀研究，并且以不同的 加热速率研究蛭石的热谱，此类工作目前尚属首次. 2 实 验 2.1 原料 新疆尉犁产一级蛭石，呈片状，解理完全，片径 10∼40 mm. 2.2 热膨胀设备 ZK-50 可控硅程序升温箱式电阻炉，敞口瓷坩埚. 2.3 分析仪器 热谱−失重分析： 德国NETZSCH公司产NETZSCH STA 449型 TG−DTA−DSC联用仪，气氛为空气，流量 60 mL/min， TG 灵敏度0.1 μg， 样品质量范围0~500 mg， 实验温度室温~1200℃，加热速率 10 和 30℃/min. JEOL JSM-6700F 场发射扫描电子显微镜分析：二 次电子像分辨率 1.0 nm(15 kV), 2.2 nm(1 kV)， 背散射电 子像分辨率3.0 nm(15 kV, 宽度8 mm)，放大倍数 25∼ 650000，加速电压0.5∼30 kV，束流10∼20 A，数字图 像采集系统分辨率 1280×1024. 试样表面喷金处理. 3 实验结果 3.1 单片蛭石的膨胀率 未经膨胀蛭石密度测定： 选取一定量未经加热的蛭 石，用天平测得其质量，再用比重瓶法测其体积，求得 密度，做多组平行样，平均结果为 2.57 g/cm3 . 挑选片大、厚度在 1 mm 左右的蛭石片 10 片，放 在开口的瓷坩埚中，1 行 5 个排成 2 行，以铁板为载体 放入加热炉中，在不同温度下保温加热0.5 h，断电降温 冷却. 通过加热前的厚度(l0)和加热后的厚度(l)求得蛭 石的体积膨胀率(Volumetric Expansion Ratio, VER), VER=(l−l0)/l0. 实验结果见图 1. 上式给出的是线膨胀 率，因为蛭石在沿着层面方向上不发生热膨胀，线膨胀 率与体积膨胀率在数值上相等. 图1 蛭石在不同温度下加热的单片膨胀率 Fig.1 Individual expansion ratio of vermiculite heated at different temperatures 3.2 集合膨胀率 挑选片大、厚度在1 mm左右的蛭石片20~30片， 放在100 mL无盖瓷坩埚中， 分别在300∼1000℃间隔100 ℃恒温加热0.5 h， 断电冷却， 去掉明显未膨胀的蛭石片. 由于存在单片蛭石膨胀率的离散性，堆积密度并不能准 确反映总体的体积膨胀率，需要采用每片蛭石膨胀后密 度的平均值. 具体方法是：称量膨胀蛭石的质量，放入 量筒中；用与量筒口径相当、带细孔的轻金属片放在膨 胀蛭石表面，固定并记下蛭石的堆积体积. 将一定量的 水银缓缓倒入量筒中，至水银液面接触金属片下端，称 量剩余水银的质量和体积，计算出加入量筒中水银的体 积. 总体积与水银体积的差值即为膨胀蛭石的体积. 这 样通过排水银法可以求得密度ρ. 体积膨胀率 VER= (ρ−ρ0)/ρ0 (ρ0 为未经加热的蛭石的密度)即为蛭石的集合 膨胀率. 实验结果如图 2. 用密度表示的体积膨胀率与 用长度表示的膨胀率并不完全相等，前者在计算体积膨 胀率时忽略了蛭石的质量变化和层面方向上膨胀的影 响. 另外，因为水银和蛭石不相浸润，水银不能进入层 间微孔，但可以进入层间大孔，体积膨胀率均小于用长 度表示的膨胀率. 图2 蛭石在不同温度下加热的集合膨胀率 Fig.2 Cumulative expansion ratio of vermiculite heated at various temperatures 3.3 热谱分析 选取片大、厚度为1 mm左右的蛭石片1片，用剪 刀剪成4小块(样品1∼4)， 选择升温速率分别为10和30 ℃/min 进行热谱分析，实验结果如图 3~5所示，其中图 4(b), 5(b)分别是图 4(a), 5(a)的局部放大图. 3.4 蛭石的形貌 选取膨胀后的蛭石片1片， 放在载物台上在10.0 kV 下以不同的放大倍率对蛭石进行扫描，所得结果如图6. 图3 蛭石在10和30℃/min加热速率下的热重曲线 Fig.3 TG analysis of vermiculite with heating rates of 10 and 30℃/min |
灵寿县振海保温厂
手机：15081878063
电话：0311-89275817
网址：www.zhbwc.cn
邮箱：zhishi@lsx.cn
地址：灵寿县东刘庄工业区
你可以通过以下方式在线洽谈
