膨润土应用与研究概述

Hit: 发布时间:2020-02-24 16:02:32【Close】

膨润土作为一种矿产资源,储量巨大,在我国分布广泛。在储量方面,在已开发矿区,膨润土资源探明储量可达到23.89亿吨,占探明总储量的85.5%;在区域分布上,我国大部分地区分布膨润土,但储量存在一定差异,尤其是在华东和华南[1]。膨润土以其独特的矿物结构、优异的晶体化学性能和物理性能,广泛应用于石油、冶金、铸造、机械、陶瓷、建筑、轻工、造纸、纺织、食品等行业。它可以作为粘合剂、吸附剂、填料、触变剂、絮凝剂、洗涤剂、稳定剂、增稠剂等发挥重要作用[2-5]。

介绍了膨润土在防水材料、墙体材料、涂料、胶凝材料、砂浆和混凝土中的应用,以及新型功能材料和最新研究进展,并提出了进一步研究的建议,希望能发挥膨润土改性的效益,扩大膨润土的应用范围。

1膨润土性能综述

膨润土是一种较软的岩石,主要由蒙脱石组成。蒙脱石含量在30%~90%之间。蒙脱石属于单斜结构,由两层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片组成。属2:1型层状硅酸盐矿物。由于蒙脱石晶胞中的负电荷数远大于正电荷数,因此可以认为蒙脱石是一个整体上带负电荷的大阴离子。阳离子与蒙脱石晶格之间形成电偶极子,蒙脱石晶层间结合力弱,能吸附极性水分子。另外,蒙脱石颗粒表面还吸附着一些水分子,结构水以-oh的形式存在于晶格中。

根据层间阳离子的类型,膨润土可分为钠基膨润土(层间阳离子为Na+)、钙基膨润土(层间阳离子为Ca2+)、氢基膨润土(层间阳离子为H+,又称活性粘土)和有机膨润土(层间阳离子为有机阳离子)。钙基膨润土是一种性能最差、价值最低、分布广泛、价格低廉的膨润土。如果不加以改进,很难在其他领域使用。膨润土的质量在很大程度上取决于蒙脱石的含量,但不是绝对的。如蒙脱石含量仅为50%,但易于提纯,其经济价值可能高于蒙脱石含量为80%的膨润土矿床,但难以提纯。一般来说,蒙脱石含量可作为制备膨润土初级产品矿床的主要指标,而评价膨润土矿床的主要指标是优质产品的提纯。2 膨润土在建材行业应用的研究与发展
建筑行业对膨润土的应用需求较大,如防水材料、墙体材料、涂料、胶凝材料、砂浆与混凝土,以及新型功能材料等的生产应用都可用到膨润土。下面就膨润土在建筑材料中的应用研究现状进行介绍。
2.1 防水材料
膨润土在防水材料制备方面的应用主要基于其吸水膨胀的特性。膨润土吸水后,体积可膨胀到原体积的(10-15)倍甚至30倍之多。膨润土吸水膨胀可归结为3方面的原因[6-8]。
(1)膨润土粒径很小,具有相当大的比表面积,达(800-900)m2/g,根据表面吸附理论,膨润土可以吸附相当于自身体积(8-20)倍的水;
(2)主要矿物蒙脱石属于单斜晶系结构,这种结构允许水分子进入其晶格层间,从而使得膨润土基体产生膨胀;
(3)膨润土晶胞中正负离子数相差悬殊,颗粒显示负电性,颗粒表面的负电性导致颗粒间相互排斥,膨润土在受潮或遇水时吸附水层增厚,即使施加高压,水分也不会被排斥,吸附了水分子的膨润土仍可以稳定存在。膨润土吸水后呈凝胶状态,可以有效阻止水分子通过。当这层凝胶在两面受到均匀限制的情况下,可以形成优异的防水层,据称其耐久性可达百年[8-10]。
2.1.1 膨润土防水纸板
膨润土防水纸板是利用膨润土制成的一种防水制品,上世纪六十年代起开始生产应用,技术上不断革新,在地下防水工程中发挥了重要作用。膨润土防水纸板是用带凹槽的瓦楞牛皮纸板制成[11,12],在纸板的凹槽内填装特定配方的膨润土,并将瓦楞牛皮纸板用外皮纸封死,将膨润土牢固锁住。这种防水纸板多用于地下工程中,在地下施工时,要确保将其贴铺于地下建筑物的迎水面上,并采用搭接的方式固定。在加土回填后,牛皮纸板会被地下微生物分解而腐烂,填充在其中的膨润土吸附地下水发生水化作用,迅速膨胀至原体积的(10-20)倍,形成不透水层。膨润土做成的防水纸板具有高的膨胀性能,具有自动修补混凝土裂缝和挤密周围回填土的功能。美国的旧金山海湾快速线、加拿大的多伦多地铁车站、香港和新加坡等地的地铁车站以及大型建筑物地下室的底板都曾采用膨润土防水纸板,取得理想的防水效果。
2.1.2 膨润土防水板
膨润土防水板的发展已有十多年的历史,专门用于人工湖泊水景、垃圾填埋场和地下车库等的防水工程[13]。膨润土防水板可直接铺设在潮湿的基层上,刚拆模的混凝土表面也可以铺设。铺设基面不需十分平整,铺设施工对环境温、湿度也无特别要求。膨润土防水板具有较强的抗压能力,修补裂缝的宽度可大于8mm,使用寿命较长。膨润土防水毯(板)已在人工湖、园林绿化、房屋建筑、市政工程、水利工程和垃圾填埋场等领域得到广泛应用[14-16]。
2.1.3 膨润土防水膏和止水条
将膨润土与胶粘剂和有机溶剂等按一定比例混合均匀后,可制成胶泥状的防水膏。这种膨润土防水膏不仅具备一般沥青胶泥的性能,而且防水性能优良,可遇水膨胀,并产生一定的膨胀压力,因而使用性能优于其它接缝防水材料。但膨润土防水膏因其自持性小,不便于自由状态下进行垂直面以及异型接缝的施工。将膨润土与橡胶混炼可加工制成止水条,膨润土止水条除具有膨润土胶泥的优点外,其抗拉强度和延伸率也较佳,可在自由状态下使用,也可密贴在混凝土的预留缝中,受挤压状态下遇水膨胀而堵塞缝隙。膨润土止水条可与膨润土防水膏配合使用[17]。
2.2 墙体材料
用膨润土生产轻质墙体材料,可以在较低密度情况下保证一定的强度[18]。膨润土轻质墙体材料成型速度快,且无需蒸汽养护。更重要的是,可进行模具打墙,既可提高施工速度,保持轻质建材的完整性,还可充分发挥其保温和隔声性能。可利用品位较差的钙质膨润土的非膨胀性、吸水性、粘结性和高塑性,将其作为胶凝剂和固化剂使用,应用于新型墙体材料的生产。也可利用膨润土的强粘结性,将岩棉、高岭土、膨润土、石蜡乳液、硫酸铝、絮凝剂和羟甲基纤维素等按一定比例混合,制得强度高而成本低廉的绝热板材[19]。
2.3 涂料
2.3.1 无机增稠剂
由于蒙脱石层间带负电荷,当膨润土分散于水性涂料中时,涂料中有机分子的-OH、-COOH和-CH2CH2OH等极性基团可以被蒙脱石层间负电荷所吸引,而插入层间形成蒙脱石-有机复合物膨润土-有机复合物,这种蒙脱石-有机复合物呈网状立体结构。有机分子进入蒙脱石层间的同时,膨润土发生膨胀,可使涂料的稠度增加。因此,膨润土可作为一种价格低廉的涂料增稠剂使用。
2.3.2辅助粘结剂
膨润土具有较好的粘结性和遮盖力,加入建筑涂料中可以代替部分基料和其它填料,从而降低产品成本。将粉状SiO2、石墨、溶剂和膨润土等按一定比例混合均匀可制得用于金属表面热处理时作防护涂层的涂料[19]。膨润土在此起到增强涂层粘结性的作用,这种涂料可以循环利用。
2.3.3 悬浮防沉剂
膨润土易分散于水中成为极小的蒙脱石颗粒,并且在水中具有良好的悬浮性和分散性。加入适量的膨润土,可使涂料不易沉淀、分层,且颜色更加均匀,稳定性更好[20]。膨润土还有助于改善涂料的涂刷性能。
2.4 砂浆与混凝土
秦鸿根等[21]采用炉底渣作轻砂,普通水泥和Ⅱ级粉煤灰作胶凝材料,膨润土和复合外加剂作改性剂配制轻质保温砂浆。结果发现,在综合考虑保温砂浆的工作性、强度和导热系数等因素的情况下,膨润土的掺量对改善砂浆和易性,提高砂浆抗压强度等方面有较大作用。
建筑砂浆设计强度等级普遍较低,拌制而成的砂浆即使强度较易满足要求,但其和易性、保水性和施工性都相当差,涂抹后易开裂甚至剥落,为有利于商品砂浆的推广,必须研制商品砂浆外加剂,即通常所谓的增稠保水材料。膨润土还可作为砂浆增稠保水材料使用。鞠建英[22]对膨润土的工艺性能及其在混凝土和砂浆中的增稠机理进行了探讨。在高性能水泥砂浆和混凝土的配制中,除依靠高性能减水剂外,常掺加密实增稠保水组分。经对黏土矿物研究,最廉价和有效的密实增稠保水组分是经过处理的膨润土。樊益棠[23]研究了河南罗山产白色钠基膨润土粉对新拌砂浆和硬化砂浆的改性效果,得出膨润土可显著提高新拌砂浆保水性和工作性能,降低新硬化砂浆体积密度吸水率、抗压强度、抗折强度和弹性模量的结论。
2.5 新型功能材料
2.5.1 聚合物/黏土纳米复合材料
用插层聚合等工艺制备的纳米复合材料可形成特殊的“纳米马赛克”结构,具有一般塑料所不具备的优异性能,特别是气体阻隔性提高以及熔体黏度反常下降[24-26]。膨润土的有机改性作用一方面表现在有机阳离子进入片层之间,使膨润土内外表面由亲水性转变为亲油性,改善界面极性和化学微环境,使其层间的极性降低;另一方面表现在膨润土晶层间距的增大降低了片层表面的能量状态,有利于有机相变材料大分子链的进入。有机化膨润土能进一步与单体或聚合物熔体反应,在单体聚合或聚合物熔体混合的过程中原位生成纳米尺度的结构片层,均匀分散到聚合物基体中,从而形成纳米塑料。
2.5.2 纳米杂化室内调湿材料
利用膨润土矿物材料的高吸附性、离子交换性、高比表面积等特性,结合有机/无机纳米杂化技术与插层复合技术可研发新型智能型纳米杂化室内调湿材料,具有自动调节相对湿度的作用[27]。
3 结语与展望
目前,天然的钠基和钙基膨润土已广泛应用于建材行业,但其价值不应止步于仅改善建筑材料各项性能的应用。现阶段国内外对于膨润土的应用研究正朝着更高层次、更多功能以及环境友好方向发展。其中,膨润土在砂浆增稠保水材料和复合相变材料的应用中体现的功能型和环保型理念符合当今建筑行业发展的趋势,但其研究和发展的程度还有待于拓展与加深。此外,我国膨润土储量大,分布广,不同区域的矿藏质量差别较大,可根据实际需要加以深化研究和有效利用。膨润土改性和应用技术研究任重而道远。
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