我国纳米高岭土开发及应用进展
我国纳米高岭土开发及应用进展
韩秀山，许家亮
（浙江三鼎科技有限公司，浙江绍兴，312071）
概述了我国纳米高岭土的开发进展，阐述了纳米高岭土生产工艺、山东枣庄三兴高新材料有限公司纳米高岭土（Nano-Kaolin）产品和我国纳米高岭土开发进展。并对纳米高岭土在橡胶、塑料、涂料等领域的应用做了详细的介绍。
关键词：纳米高岭土；高岭土；橡胶：塑料：涂料：开发；进展
高岭土是由一层Si-O四面体片和一层A1-(O，OH)八面体片组成的1:1的层状结构，层间不含可交换性阳离子，层间由氢键联结，晶片表面呈电中性，具有低的粘度、良好的流动性和分散性。
根据纳米材料的定义：至少有一维方向尺寸位于1-100nm的材料，即可称为纳米材料。高岭土粉体由提纯、剥片、表面改性以及粉碎的工艺可制备成纳米高岭土（Nano-Kaolin），晶片平均厚度20-50nm，平均直径300nm，可广泛应用于橡胶、塑料、化纤、造纸、油漆、涂料、工业粘结剂、催化剂载体、医药载体等领域。纳米高岭土原料的化学成分比较接近高岭石的理论值，属环境友好材料，无毒性以及重金属含量均符合环保要求，其使用不会对环境造成负面影响。
1我国纳米高岭土开发进展
目前，纳米高岭土（Nano-Kaolin）的生产和研究单位据资料报道有厦门紫金科技股份有限公司和山东枣庄三兴高新材料有限公司，但工业化的只有山东枣庄三兴高新材料有限公司。国内的纳米高岭土一般所指就是山东枣庄三兴高新材料有限公司的产品。
1.1纳米高岭土生产工艺
高岭土主要矿物成分为微细的无序高岭石和石英，次要矿物和微量矿物有纤磷钙铝石、伊利石、伊／蒙间层矿物、绿泥石，硬水铝石、钛铁矿、锐钛矿、金红石等。高岭土原料经过粗碎、提纯、剥片、表面改性以及粉碎加工处理后，高岭石的含量达到97％以上，次要矿物可降低到2％以下，白度可提高到88％。获得的纳米级分散的高岭石小于0.5um颗粒可达90％以上，平均粒径为0.3um。在高倍扫描电镜下，高岭石呈单个的自形六方薄片状，径厚比在20：1和50：1之间，高岭石薄片的厚度在50-20nm之间，平均直径为300纳米。利用氮吸附法测得纳米高岭土的比表面积为32m2／g，而一般高岭土的比表面积在10-15 m2／g之间。比表面积与高岭石粒度密切相关，粒度越小，比表面积越大。高岭土原料的堆积密度为0.3g／cm3，而经过各种加工处理之后的纳米高岭土的堆积密度为0.06g／cm3-0.07g／cm3，仅为原料的1／5，体积明显增大，纳米高岭石具有更好的分散性。
目前，机械化学剥片法已用于工业化，是现代纳米插层技术和传统机械破碎方法的有效结合。主要特点有：①插层、剥离、膨化，工艺参数易于控制，插层剂可回收，无环境污染，产品一次性产出无需分级。
1.2山东枣庄三兴高新材料有限公司纳米高岭土（Nano-Kaolin）
山东枣庄三兴高新材料有限公司目前是世界上第一条纳米高岭土生产线，采用中国矿业大学（北京）的专利技术，已达到规模化工业生产，年产能力为1300吨/年，生产的产品被国际高岭土专家称为“世界上颗粒最细的高岭土之一”，最早用于橡胶的产品牌号有NK80（硅烷活化处理）、NK70（耦合剂活化处理）、NK85。NK80、NK70用于轮胎内胎、球胆、橡胶制品，具有良好加工性能、超高气密性、良好力学性能；NK85用于橡胶制品可代替国外高端产品N85。NK80、NK70 、NK85现改为K-770、 K-780、K-785。同时增加其它型号。山东枣庄三兴高新材料有限公司纳米高岭土型号见表1。
表1 山东枣庄三兴高新材料有限公司纳米高岭土（Nano-Kaolin）
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类型 |
型号 |
用途和特点 |
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强威粉
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T70
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1强威粉是由天然原矿经粉碎、水洗、研磨、化学分解、活化处理、烘干、分级、除杂等工艺精制而成的一种片状硅酸盐补强填料，它具有手感细腻、分散好、片层结构保持完好等特点； 2强威粉可用于各种橡胶制品，可以显著提高其机械物理性能，同时降低其生产成本。特别是在加工稳定性、弹性、抗屈挠、尺寸稳定性、阻隔性能、扯断伸长率、压缩变形等性能方面具有相当优势； 3强威粉由于经过表面硅烷改性，在NR、SBR、EPDM、BR、NBR、IIR、CIIR、BIIR等各种橡胶中具有良好的补强性能，在多种橡胶中其补强性能等同于或超过N550/660的补强水平。 在配方设计中，我们建议客户，可以结合在性能上的优势与碳黑并用，降低门尼、调节产品硬度，使综合加工性能和力学性能有所提高。 4强威粉由于自身的纳米片层结构，因此具有及其优异的阻隔性能（气密性），其中可以使IIR（BIIR、CIIR）的气密性提高3~5倍，NR的气密性提高1~2倍。 5经过特殊表面处理的强威粉，可以提高橡胶的黏合性能和保持优异的热老化性能、提高抗疲劳性能。 |
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T80
|
||
|
T85
|
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| 涂料级 |
Y-870 |
各类型涂料 耐候性、耐紫外线、耐刷 和良好力学机械性能 |
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Y-880 |
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Y-871 |
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Y-885 |
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橡胶级 |
K-770 |
橡胶制品，应用于代替国外高端产品（N85） |
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K-780 |
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K-785 |
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电缆级 |
L-170 |
各种类型电线电缆，橡胶电缆 EPDM、CPE等。 大幅度提高产品的综合力学性能、电性能、加功性能 纳米高岭土NanoKao L170是由天然粘土原矿经粉碎、水洗、研磨、化学分解、离子分离、插层活化处理、喷雾烘干等工艺精制而成的粉末状无机矿物原料，它具有球度高、手感细腻、分散好、吸油率低等特点。 |
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L-171 |
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L-180 |
||
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L-181 |
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L-185 |
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阻燃级 |
S-570 |
各类型聚合物高效协从阻燃剂，高效多功能化协从阻燃剂，降低阻燃剂用量，提高综合力学性能。 |
|
S-580 |
注1：强威粉T85拥有良好挤出加工性能，在橡胶制品中用于代替挤出橡胶制品所使用的进口特殊矿物材料，诸如德国N85等产品。独特的纳米二维片状结构，径厚比最高达30∶1；卓越气体阻隔性能，显著提高HIIR和NR气密性；保持相当气密性情况下，可调整NR与HIIR比例，提高NR所占比例，降低HIIR用量，降低成本；保持相同气密性情况下，可降低气密层厚度；优异补强性能，不亚于N550、N660炭黑；低厚度的气密层可缩短固化时间、降低能源消耗；高填充后，仍旧可保持低硬度；
注2：相对密度2.4-2.55g/cm3；压实堆积密度0.97 g/cm3；松散密度0.09 g/cm3；
注3：吸油值(oil absorption) 45±5g/100g
注4：遮盖力(hidden ability) 0.925
注5：沉降体积(sedimentation volume) ≥9.0 mL/g
注6：平均层片厚度(Average thickness of flakes) 20-50nm
注7：比表面积(Surface area) 32m2/g
注7：白度(Brightness) 70%-85%
1.3我国纳米高岭土开发进展
高岭土外观及化学组成高岭土主要是由高岭石矿物组成的纯净粘土 ，得名于我国江西省浮梁县高岭村[1]。高岭土由长石、云母等碱金属铝硅酸盐转化而成，主要有 2种生成类型 ，一种是地壳深处“中低温热液蚀变型”，另一种是地壳上层“风化型”。前者产于地壳深处 ，后者以各种形式产于地表或不太深的风化壳以下。根据开采方法分为露天开采与坑道开采 2种。
高岭石的理论化学组成为：SiO2 46.54%，Al2O3 39.5%，H2O 13.96%, SiO2/ Al2O3摩尔比值为2。
一般高岭土原矿天然粒度1μm以下的占80%以上，平均粒度0.6μm.经过简单的自然沉降和粒级分离，可获1μm以下占90%以上，平均直径为0.4μm,中位直径为0.2μm的产品。在高倍扫描电镜下，可观察到高岭石粒子的径厚比一般为1：20至1：50之间，因此可推断高岭石薄片的厚度在10-20nm之间。可以说高岭土是一种天然的纳米粘土材料，然而在自然状态下，高岭石颗粒之间相互吸附连接在一起，形成集合体或聚集体，直接应用不可能产生纳米效应，必须采用适当的方法使颗粒之间分离呈单个的纳米粒子，才能产生纳米突变效应。
纳米高岭土粉体的制备就是根据高岭石的晶体表面特性（例如其表面具中性电荷，比蒙脱石粘结性低等），采用特殊的化学处理方法，使高岭石晶片分离成高度分散的纳米级薄片，进而制得纳米高岭土。将高岭土制浆分散，沉降一定时间后进行粒度分离，然后用化学方法进行提纯处理，最后对纯化后的高岭土进行有机化处理，烘干打散后即得纳米高岭土粉体。
纳米高岭土粉体一般可通过松散密度和比表面积来表征。
松散密度（也称视密度）是指高岭土在自然堆积松散状态的无压实或敦实作用下单位体积粉体的质量，高岭土原矿经超细粉碎所得粉体的松散密度一般为0.2g/cm3，高岭土片层的平均厚度为20～70纳米、平均直径为200～500纳米的纳米高岭土松散密度一般为0.06～0.07g/ cm3，明显消除颗粒的团聚现象。
比表面积是指表面积与体积之比，与颗粒或片层之间存在团聚有关，与颗粒尺寸成反比。对于大于100nm的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于100nm时，表面原子百分数急剧增长，表面效应不容忽略。普通高岭土比表面积一般在10-15m2/g之间，高岭土片层的平均厚度为20～70纳米、平均直径为200～500纳米的纳米高岭土的比表面积一般会大于32m2/g，片层的表面性能得到了大大的改善，提高了分散性。
皮振邦[2]等发明了一种纳米高岭土的制作方法， 主要是在高岭土中混入能破坏或减弱高岭土层间库仑力的化学助剂，化学助剂可以是乙酸钾、二甲亚砜、硫脲、尿素、肼及其衍生物等，然后在加热、或(和)等离子体、或(和)超声波、或(和)微波条件下结合化学助剂的作用，强烈发生物理化学反应，导致高岭土的层间库仑力的破坏，最后依序经过研磨、水洗、干燥即得颗粒细度达到纳米级的纳米高岭土。该发明与已有技术相比，具有能将高岭土等陶瓷用原料粉碎至纳米级粉末的优点。
刘钦甫[3]发明了一种纳米高岭土粉体及其制备方法，其特征在于纳米高岭土的松散密度为0.03g/cm3～0.09g/cm3，纳米高岭土粘土片的平均厚度为20纳米～70纳米，平均直径为400纳米～800纳米；其制备方法是以天然的微细质点状高岭土为原料，根据高岭石晶体表面特性，利用高梯度磁选、化学还原的方法除去铁钛等影响高岭土白度和纯度的杂质，然后采用独特的表面处理技术，使高岭石晶体表面形成均匀的同性电荷或呈均匀的中性表面，消除了纳米粘土团聚的因素，从而生产出高度分散的纳米高岭土粉体。本产品可用于橡胶、塑料、造纸、油墨、陶瓷等生产领域，可使产品具有高的强度、光泽度、稳定性和分散性。
此外，关于纳米高岭土制备方法的研究有很多[4-6]。
2纳米高岭土的应用
2.1纳米高岭土在橡胶中的应用
纳米高岭土（Nano-Kaolin）应用于橡胶领域可以代替目前主流补强剂白碳黑，提供高力学性能以及自己独特性能，具有白度高、粒度细、分散性好以及与高分子化合物相容性好等特点，因成本低、易于操作已经被应用于丁苯、顺丁和天然橡胶中，结果表明可以赋予橡胶优良的力学性能、阻隔性能和热稳定性。特别是在 弹性、抗屈挠、尺寸稳定性、阻隔性能、扯断伸长率、压缩变形等性能方面具有相当优势。由纳米高岭土在丁苯橡胶和天然橡胶中分散性透射电子显微镜照片可看出高岭石在橡胶基体中分散良好，基本上成单个片状颗粒分散，很少有集合体或凝聚体的形式，片层厚度为20-50nm，其平均直径为300nm，这表明高岭石片状粒子在橡胶基质中达到了纳米级的分散和接触。同时，高岭石晶片在橡胶基质中基本上成定向性排列，这对改善纳米高岭土／橡胶复合材料的拉伸性能和阻隔性能有重要贡献。
由于纳米高岭土微粒的表面效应，高岭土与橡胶高分子之间的作用力得到极大的增强，复合物的结构更为致密，其总体性能比一般高岭土产品复合材料的性能会优异很多。但纳米颗粒具有较大的表面积，较高的活性，容易自身团聚，以及高岭土与橡胶的界面性质不同,，相容性较差，在橡胶中难以均匀分散，使纳米高岭土的优良性质不能够充分发挥。通过表面改性可以达到改善分散性,提高纳米高岭土与橡胶间的亲和力和相容性的目的。用不同的改性剂对纳米高岭土进行了表面处理，红外分析表明：颗粒表面确已联上了偶联剂分子;填充橡胶试验表明:复合改性纳米高岭土有很好的补强效果。采用表面改性工艺,用高岭土制备性能优良的橡胶补强填料、增加矿物的填充量、降低橡胶的生产成本是目前研究的热点之一[7]。
纳米高岭土可用于各种橡胶制品[7-13]，显著提高其机械物理性能，同时降低其生产成本。特别是在弹性、抗屈挠、阻隔性能和扯断伸长率方面具有优势。在顺丁橡胶、三元乙丙橡胶、天然橡胶和丁腈橡胶中优于白碳黑的补强性能，在丁苯橡胶中接近于白碳黑的补强性能。适合在轮胎胎侧胶、内胎、高尔夫球橡胶、胶丝、丁腈密封橡胶、鞋底橡胶、胶辊、胶棒、输送带橡胶等产品中应用。在力学性能方面，在橡套/绝缘电缆所用的三元乙丙橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶中能够与当前主流的补强材料白碳黑、碳黑接近。其电性能则远超其他材料，可以与煅烧高岭土相媲美。纳米高岭土应用于橡胶电线电缆，可以达到高力学性能和高电性能的结合。
2.1.1橡胶密封件和抗震件领域
在汽车/摩托车密封件、O型圈等产品中，可降低产品压缩变形、提高力学性能，可以完全或者取代大部分主流补强剂白碳黑。同时提高产品的尺寸稳定性。此领域，纳米高岭土的性能可超越白碳黑。
2.1.2鞋底领域
在各类型高级鞋底中，其性能不亚于白碳黑，从价格和性能优势可以代替白碳黑产品。此外可以高份数填充而不影响产品力学性能和硬度，弹性优越。
2.1.3轮胎领域
在提供优良力学性能的同时，也可以提供高阻隔性能，增强气密性能，力学性能优越。特别在天然胶内胎中，可显著提高其气密性。
天然橡胶是球胆、高性能内胎的重要原料，其综合性能优异但是气密性要远低于其他橡胶，尤其是IIR。气密性的不足大大限制了NR在高气密性领域的应用。
纳米高岭土在天然橡胶中，可以大大提高其气密性能，从而拓展天然橡胶的应用范围。尤其在轮胎行业，在NR的气密性方面有了跨越式样的突破。同时可赋予体系良好的力学性能，大大提高天然橡胶中的应用价值。当纳米高岭土，填加量为20phr，NR透气率已经稳步降低。纳米高岭土可使NR提高气密性2倍以上，而且填加量不影响NR体系力学性能，根据实验证明，在NR中，纳米高岭土的力学性能全面超越白碳黑。而阻隔性能则是其他主流补强剂所不具备的。
在球胆、内胎中可以单独使用纳米高岭土作为体系补强材料（可以提供超越白碳黑，接近碳黑的性能），加入40-60phr，可以使体系的力学性能、加工性能、气密性能达到最佳平衡。
在球胆、内胎中可以使纳米高岭土与碳黑、白碳黑共同使用（建议比例为纳米高岭土：碳黑/白碳黑为2-3：1），既可以降低碳黑/白碳黑使用量，也可以达到性能与气密性能的最佳平衡。
丁基橡胶是阻隔性能最为优越的橡胶，被广泛用于轮胎内胎、子午线轮胎气密层以及部分球胆领域。而丁基橡胶，纳米高岭土能够使其卓越的阻隔性能更进一步，使IIR的阻隔性能突破现有技术，使IIR气密性产品性能超越颠峰。IIR本身就具有十分优异阻隔性能。加入纳米高岭土，即使少量加入10phr，也能使IIR的气密性提高3倍以上； 纳米高岭土可以使IIR的气密性提高4-5倍。同时利用纳米高岭土的高补强性性能赋予体系良好的性能。
2.1.4纳米高岭土在与白碳黑的性能对比
纳米高岭土在常用橡胶电缆胶种中与白碳黑的性能对比见表2。
表2 纳米高岭土在常用橡胶电缆胶种中与白碳黑的性能对比
|
性能对比 |
天然橡胶 |
三元乙丙橡胶 |
丁苯橡胶 |
|||
|
指标 |
T |
NK |
T |
NK |
T |
NK |
|
邵尔硬度 |
86 |
64 |
78 |
56 |
76 |
54 |
|
扯断伸长率/% |
445.6 |
566.4 |
560.8 |
622.4 |
740 |
746.4 |
|
拉伸强度/MPa |
13.34 |
17.19 |
16.78 |
26.85 |
17.62 |
16.53 |
|
300%定伸强度/MPa |
8.8 |
4.87 |
6.31 |
7.07 |
4.23 |
3.86 |
|
500%定伸强度/MPa |
|
11.32 |
13.72 |
17.74 |
8.45 |
6.25 |
|
撕裂强度/KN/m |
58.95 |
34.61 |
35 |
42.85 |
46.87 |
39.25 |
|
弹性/% |
52 |
49 |
46 |
57 |
41 |
50 |
注：T代表白碳黑、NK代表纳米高岭土
纳米高岭土与白碳黑在顺丁橡胶、三元乙丙和天然橡胶中补强性能比较见表3。
表3 纳米高岭土与白碳黑在顺丁橡胶、三元乙丙和天然橡胶中补强性能比较
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测试项目 Properties |
顺丁橡胶(BR) |
三元乙丙(EPDM) |
天然橡胶(NR) |
|||
|
白碳黑 (PS) |
纳米高岭土(NK) |
白碳黑 (PS) |
纳米高岭土(NK) |
白碳黑 (PS) |
纳米高岭土(NK) |
|
|
邵尔硬度(Hardness) |
77 |
42 |
86 |
64 |
78 |
56 |
|
扯断伸长率/%（ER） |
260.8 |
796 |
445.6 |
566.4 |
560.8 |
622.4 |
|
拉伸强度/Mpa(TS) |
5.75 |
7.48 |
13.34 |
17.19 |
16.78 |
26.85 |
|
300%定伸强度/Mpa(ES) |
- |
1.45 |
8.80 |
4.87 |
6.31 |
7.07 |
|
500%定伸强度/Mpa(ES) |
- |
2.04 |
- |
11.32 |
13.72 |
17.74 |
|
撕裂强度/KN/m(TRS) |
36.14 |
19.31 |
58.95 |
34.61 |
35 |
42.85 |
|
弹性/%(El) |
48 |
58 |
52 |
49 |
46 |
57 |
纳米高岭土在丁苯橡胶中的补强性能及对比见表4。
表4 纳米高岭土在丁苯橡胶中的补强性能及对比
|
补强剂 Reinforcing agents
|
伸长率/%(ER) |
拉伸强度/Mpa(TS) |
300%定伸强度/Mpa(ES) |
500%定伸强度/Mpa(ES) |
撕裂强度/KN/m (TRS) |
裂口六级曲挠次数/万次 (RTY) |
弹性/%(El) |
|
纳米高岭土（NK） |
746.4 |
17.53 |
4.19 |
6.25 |
35.25 |
311 |
50 |
|
通化白碳黑(PS) |
740.0 |
17.62 |
4.23 |
8.45 |
46.87 |
340 |
41 |
|
碳黑(N330,CB) |
484.0 |
27.58 |
15.2 |
- |
56.07 |
10.5 |
45 |
|
一般高岭土kaolin |
312 |
3.6 |
3.4 |
- |
22.8 |
|
|
丁苯橡胶是非结晶型橡胶，其本身没有强度，必须依靠增强剂(通常为炭黑和白炭黑)增加其物理机械性能，因而利用丁苯橡胶可以很好地判断填料和补强剂效果的好坏。
纳米高岭土补强跟白炭黑的补强效果接近，但与炭黑相比还有一定的差距。纳米高岭土价格比白炭黑要低，况且颜色比较浅，接近白色，很适合用于一些浅色橡胶制品行业。纳米高岭土的定伸性能也基本接近白炭黑。
综上所述，纳米高岭土在丁苯橡胶中的应用性能与白炭黑基本接近，具有很好的补强效果。高岭土的片层结构，在橡胶中呈定向排列，可以起到优良的气体和液体阻隔和密闭性能，这是炭黑和白炭黑无法相比的，是纳米高岭土的另一个优势。纳米高岭土以后的市场应用和开发可着重于汽车和自行车内胎、密封件、松紧带和皮筋、鞋底橡胶以及轮胎的侧面胶等领域。
纳米高岭土与EPDM高压电缆料用煅烧高岭土的性能对比见表5。
表5 纳米高岭土与EPDM高压电缆料用煅烧高岭土的性能对比
|
纳米高岭土与煅烧高岭土对比配方 |
纳米高岭土与煅烧高岭土性能对比 |
||||||||
|
对比配方 |
1# |
2# |
3# |
4# |
力学性能对比 |
1# |
2# |
3# |
4# |
|
EPDM |
100 |
100 |
100 |
100 |
300%定伸强度/ Mpa |
1.89 |
4.37 |
2.95 |
4.95 |
|
ST-AC |
1 |
1 |
1 |
1 |
扯断强度/ Mpa |
2.75 |
6.4 |
3.78 |
7.64 |
|
白油 |
5 |
5 |
5 |
5 |
伸长率％ |
344 |
324 |
320 |
332 |
|
ZnO |
4 |
4 |
4 |
4 |
永久变形％ |
6 |
8 |
8 |
14 |
|
AO-50 |
1 |
1 |
1 |
1 |
撕裂强度KN／m |
22.5 |
36 |
27 |
45 |
|
OK-1900 |
1 |
1 |
1 |
1 |
邵尔硬度 |
63 |
60 |
71 |
66 |
|
纳米高岭土 |
|
80 |
|
120 |
弹性模量 |
6.58 |
10.7 |
11.68 |
11.59 |
|
煅烧高岭土 |
50 |
|
80 |
|
磨耗体积cm3 |
/ |
1.53 |
4.88 |
1.65 |
|
DCP-40C |
7 |
7 |
7 |
7 |
比重g/cm3 |
1.09 |
1.17 |
1.18 |
1.34 |
2.2纳米高岭土在塑料树脂中的应用
2.2.1纳米高岭土作PET成核助剂
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）具有优良的耐热性、电绝缘性、耐化学药品性等优良性能；并且拥有较低的生产成本和较高的性价比。因而PET广泛被应用于合成纤维、薄膜和工程塑料等领域。但是PET作为工程塑料使用时由于结晶速率慢、注塑时模具温度高和受热尺寸稳定性差等缺点限制了其在工程塑料上的应用。有鉴于此，世界上各大公司和科研院所都将工作重点集中在PET快速结晶成核剂和快速结晶促进剂上，以提高PET工程塑料的结晶速率、力学性能和尺寸稳定性。
利用熔融共混法可制备PET/纳米高岭土复合材料。纳米高岭土可以明显加速并且促进PET的结晶。添加1%纳米高岭土的GPET的结晶速率是纯PET的3倍，并且GPET的结晶符合典型的异相成核机理。
PET的结晶过程是典型的异相成核机理。GPET结晶时以纳米高岭土为中心吸附熔体中的PET链做有序排列，从而形成晶核，并且随后沿三维方向生长。纳米高岭土是PET一种很好的成核剂。纳米高岭土的加入可以较大程度的加快PET的结晶速率，具有快速结晶成核剂的作用。加入1％纳米高岭土对PET的结晶速率就有明显的作用。含1％纳米高岭土GPET的平均结晶速率是PET的3倍。这也从量上说明了纳米高岭土可以大大加速PET的结晶速率。
纳米高岭土是一种非常好的PET结晶成核剂。目前，利用纳米高岭土优良成核性能和高性价比，可以配合其他价格昂贵的成核剂使用，从而改善PET加工性能而开辟新的道路。
2.2.2纳米高岭土在其它塑料中的应用
美国俄亥俄（Ohio）州立大学的研究人员发现，仅用1%-2%的纳米高岭土就能提高发泡聚苯乙烯（EPS）的压缩模量25%。纳米高岭土有两个作用，一是作为EPS的增强剂，另一个作用是作为成核剂。
纳米高岭土用于聚丙烯、聚乙烯、尼龙等工程塑料中，可赋予塑料良好耐热性和力学性能。可用作汽车零部件、储油罐、燃油管道系统、电子接插件、导管、电话机壳体、工具手柄、栏杆、调理器具手把、高润滑低流阻管道；由于其刚性高，可以做薄壁复杂结构制品，减少质量和成本。纳米高岭土还可赋予塑料制品良好的阻燃性能和阻隔性能。
在塑料中的应用：具有增强增韧功能。
纳米高岭土在聚丙烯塑料增强增韧中作用的结果见表5。
表5 纳米高岭土在聚丙烯塑料增强增韧中作用
| 样品 |
拉伸强度 σt1/Mpa |
断裂伸长率
εt2/% |
弯曲强度 σbf/MPa |
弯曲模量Eb/MPa |
IZOD冲击强度(J/M,RT) |
|
纯聚丙烯 |
38 |
43 |
54 |
1440 |
32 |
|
填充15%纳米高岭土的聚丙烯 |
39.6±.07 |
75±4.4 |
63.5±0.6 |
1750±40 |
41 |
采用模压法制备石墨和纳米高岭土填充的聚四氟乙烯(PTFE)复合材料，在往复式滑动摩擦磨损试验机上测试了其的干滑动摩擦磨损性能，用扫描电镜观测和分析试样的磨损表面。结果表明：石墨和纳米高岭土共同填充的PTFE在改善其耐磨性的同时，又保持了低的摩擦因数，其中含10%高岭土和5%石墨的PTFE复合材料表现最佳，稳定阶段的摩擦因数保持在0.11左右，耐磨性比纯PTFE提高了大约90倍[14]。
采用纳米高岭土颗粒增强聚四氟乙烯（PTFE），通过熔融插层工艺制备了不同重量分数的纳米高岭土增强PTFE自润滑复合材料，摩擦磨损实验在往复式滑动摩擦实验机上进行。实验结果表明：在重载低速的条件下,这种新型的自润滑材料在稳定阶段的摩擦因数在0.07~0.19的范围，填充后的PTFE复合材料的耐磨性显著提高,其中含10%高岭土的PTFE复合材料的表现最佳，比纯PTFE提高了大约54倍[15] 。
近年来，高岭土／聚合物纳米复合物研究已经开始成为一个研究热点。 目前，国内外对聚合物／高岭土纳米复合材料的研究，基本上还只是停留在制备高岭土／有机插层复合物阶段，真正制备出来的高岭土／聚合物纳米复合物只有少数几种，还没有将其用于材料工业生产的报导[16-17] 。但美国通用汽车公司和蒙特北美公司成功地利用纳米高岭土生产出聚烯烃热塑性弹性体复合材料，使其刚性和韧性提高。他们还将含有纳米高岭土的复合材料用于汽车其它零部件。
顾圆春[18] 等以新型聚烯烃弹性体POE为增韧剂 ，以纳米高岭土为增强剂，将传统的弹性体增韧方法和新型的纳米粒子增韧增强手段相结合，采用合金化技术和填充复合工艺 制得高性能的聚丙烯复合材料。研究结果表明：纳米高岭土和弹性体POE对PP增韧具有协同作用 ,呈现的并不是二者独立增韧作用的简单加和，纳米无机粒子对复合体系PP/POE还有增强作用并大大减缓了因POE的加入而导致复合体系强度的降低。
张文阳[19]等公开了一种以改性纳米高岭土替代纳米蒙脱土作为阻燃增效填充剂的复合材料制造技术，保持了无卤、非磷阻燃复合材料的优点。它含有基体树脂、阻燃剂、阻燃增效剂、润滑剂和抗氧剂；所述基体树脂为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、热塑性弹性体和接枝化合物的共混物；所述阻燃剂含有三种类型阻燃剂；所述阻燃增效剂为改性纳米高岭土；各组分重量份数为：基体树脂100份、阻燃剂100～140份、阻燃增效剂10～30份、润滑剂1～5份和抗氧剂1～3份。本发明取材方便、原料成本低廉、成品白度高且生产工艺简单，复合材料抗拉强度提高10％以上，阻燃性能优异，可满足工业化大规模推广与应用所需，向社会提供高性价比的阻燃复合材料产品。
由于纳米高岭土具有良好的阻隔性能，因此可用于食品保鲜包装，延长食品保质期； 用于农用薄膜中，不仅增加薄膜力学性能、降低生产成本，而且还不影响其透明性，其优良的紫外线阻隔性能有利于提高棚内温度。用于包装印刷材料中，使其具有优异的力学性能和强度，并赋予良好的感官性能。
2.3造纸
作为纸张的涂层材料，可赋予印刷制品和包装纸品高光泽、高白度、高强度，有助于结构化的涂布设计，实现更为优质的视觉效果，光泽效果和印刷效果，可替代价格昂贵的二氧化钛。是高级纸张和特殊纸张的优质涂层材料。
2.4油墨
印刷油墨市场要求高性能的超细粉体作为功能性填料。纳米高岭土在油墨中表现出优异的分散性、极好的光泽和遮盖力、优异的油墨吸收性和干燥性。
2.5涂料
涂料工业中，纳米高岭土作为增白的体质颜料，具有优异的悬浮稳定性能，长期放置，也不易沉淀。其微细的颗粒可以提高涂料油漆的光泽、增强产品的光泽度、干燥性和遮盖力，同时还具有补强作用。用其取代价格较贵的钛白粉，可以达到相同的效果。
纳米高岭土表面经改性达到涂料制作要求，可用于生产纳米高岭土改性硅丙超耐候耐污外墙乳胶涂料，其中耐洗刷超过10000次（优等品国标为2000次以上），耐沾污性小于10%（（优等品国标为小于15%），耐人工老化试验达到标准。
2.6 其它
纳米高岭土可作锅炉用高效阻垢剂，阻垢效率高，耐高温，对碳酸钙的阻垢率大于95 ％。。所述的阻垢剂含纳米高岭土为5 ％-40 % ；苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚磷酸钠中的一种或2 -3 种为5 ％-40 % ；氧化镧、氧化铈、氧化锆、氧化锶、乙醇中的一种或2 -3 种为0.01 ％-1 % ；其余为NaOH 的水溶液。
将纳米高岭土添加到冰箱、饮水机材料中,具有抗菌消毒作用。
纳米高岭土对营养元素氮、磷、钾和有机碳有吸附及解吸特性，对氮、磷、钾和有机碳的吸附规律均可用Langmuir和Freundlich方程来拟合[20]。
近年来，胶粘剂正向低粘度、高强度、耐冲击、阻燃等特殊用途方向发展，随着社会对水下胶粘剂更高性能的需求，在环氧树脂胶粘剂中加入纳米高岭土，以大大提高胶粘涂层的强度、耐磨、耐蚀和其他性能，并降低胶粘剂的成本。
纳米高岭土由于巨大的比表面积和吸附性能，因此可用作石油化工合成行业催化剂的载体，具有良好的稳定性。
由于纳米高岭土具有比表面积大、吸附力强、以及较强的离子交换能力、可塑性强等特点，使其可作为颗粒农药、粉剂农药和液体农药的载体。用他做农药载体不但可以使农药充分分散开，而且能够使农药长期缓慢地释放，使药期延长，同时还能改善土壤的结构，有利于植物的生长。
将纳米高岭土涂抹在普通陶瓷的釉面上，不仅使陶瓷釉面更加平滑，而且还增强釉面活性，使之易于清洁和具备一定的杀菌功能。陶瓷中添加纳米高岭土可使其强度提高50倍左右，可以用来制造发动机零件。同时纳米高岭土可以作为功能性的陶瓷粉体，代替价格昂贵的纳米TiO2作为消光剂，同时还具有抗紫外线和远红外保温功能。
在高强度混凝土中，加入微量（0.5-1.0%）的纳米高岭土，可使其早期强度、抗渗和抗折能力提高20-30%，同时还可作为减水剂，提高料浆的流动性
纳米高岭土可用于聚酯切片和尼龙切片，由于其微细的粒度，具有不断丝、可纺性好等优点。纳米高岭土用于聚酯纤维中可提高显色性能，并改善其后期加工性能。纳米高岭土优异的悬浮性能和分散性能使其特别适合在湿纺工艺中应用。
3 结论
纳米高岭土是我国新近开发出来的新产品，虽然问世不久，但已经显示出强大的生命力和广阔的应用前景。该产品在不同应用领域优异的应用性能主要归因于其纳米的结构。
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作者简介：韩秀山，工学硕士，高级工程师，先后从事过高吸水性树脂、改性膨润土、异丁烯、聚异丁烯、叔丁苯、磷酸三辛酯、聚氨酯、PP、PVC、MTBE、乙丙橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、白炭黑、熔纺氨纶切片、纳米蒙脱石等项课题的研究及生产，获省级科技进步奖4项。通联方式：13221596738，hxs2000@sina.com
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