高岭土

高岭土
高岭土
  高岭土是一种含铝的硅酸盐矿物,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。主要是作为造纸、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,同时用于代替钢铁制造切削刀具、车床钻头和内燃机外壳等方面应用。
  高岭土主要在地表之下,其质地和成分的不同可以直接影响到陶和瓷在窑中的变化,所以优质的高岭土可以制作出出色的器物,而往往多会在其周边建立起名窑。如中国江西省景德镇、福建省金门县等。 

简介

  地球上的矿产,主要分为能源矿产、金属矿产和非金属矿产三种类型。高岭土是一种重要的非金属矿产,与云母石英碳酸钙并称为四大非金属矿。
高岭土
高岭土
  高岭土主要由小于2个微米的微小片状、管状、叠片状等高岭石簇矿物(高岭石、地开石、珍珠石、埃洛石等)组成,理想的化学式为 AL2O3-2SiO2-2H2O,其主要矿物成分是高岭石和多水高岭石,除高岭石簇矿物外,还有蒙脱石伊利石、叶腊石、石英和长石等其它矿物伴生。高岭土的化学成分中含有大量的AL2O3、SiO2和少量的Fe2O3、TiO2以及微量的K2O、Na2O、CaOMgO等。
  中国是世界上最早发现和利用高岭土的国家。远在3000年前的商代所出现的刻纹白陶,就是以高岭土制成。江西景德镇生产的瓷器名扬中外,历来有“白如玉、明如镜、薄如纸、声如罄”的美誉。现在国际上通用的高岭土学名--Kaolin,就是来源于景德镇东郊的高岭村边的高岭山。
  据史料记载,法国传教士昂特柯莱,在1712年一份著名的书简中向欧洲专门介绍过高岭山上瓷土的特点,该文对全世界的瓷器制造业产生过深远的影响,于是高岭土在欧洲逐渐得名,并成为该类瓷土在国际上的通用名词。 

粒度分布

  高岭土粒度分布是指天然高岭土中的颗粒,在给定的连续的不同粒级(以毫米或微米筛孔的网目表示)范围内所占的比例(以百分含量表示)。高岭土的粒度分布特征对矿石的可选性及工艺应用具有重要意义,其颗粒大小,对其可塑性、泥浆粘度、离子交换量、成型性能、干燥性能、烧成性能均有很大影响。高岭土矿都需要进行技术加工处理,是否易于加工到工艺所要求的细度,已成为评价矿石质量的标准之一。各工业部门对不同用途的高岭土都有具体的粒度和细度要求。如美国对用作涂料的高岭土要求小于2μm的含量占90-95%,造纸填料小于2μm的占78-80%。  

白度和亮度

  白度是高岭土工艺性能的主要参数之一,纯度高的高岭土为白色。高岭土白度分自然白度和煅烧后的白度。对陶瓷原料来说,煅烧后的白度更为重要,煅烧白度越高则质量越好。陶瓷工艺规定烘干105℃为自然白度的分级标准,煅烧1300℃为煅烧白度的分级标准。白度可用白度计测定。白度计是测量对3800- 7000Å(即埃,1埃=0.1纳米)波长光的反射率的装置。在白度计中,将待测样与标准样(如BaSO4、MgO等)的反射率进行对比,即白度值(如白度90即表示相当于标准样反射率的90%)。
  亮度是与白度类似的工艺性质,相当于4570Å(埃)波长光照射下的白度。
  高岭土的颜色主要与其所含的金属氧化物或有机质有关。一般含Fe2O3呈玫瑰红、褐黄色;含Fe2+呈淡蓝、淡绿色;含MnO2呈淡褐色;含有机质则呈淡黄、灰、青、黑等色。这些杂质存在,降低了高岭土的自然白度,其中铁、钛矿物还会影响煅烧白度,使瓷器出现色斑或熔疤。  

特性  

·可塑性

  高岭土与水结合形成的泥料,在外力作用下能够变形,外力除去后,仍能保持这种形变的性质即为可塑性。可塑性是高岭土在陶瓷坯体中成型工艺的基础,也是主要的工艺技术指标。通常用可塑性指数和可塑性指标来表示可塑性的大小。可塑性指数是指高岭土泥料的液限含水率减去塑限含水率,以百分数表示,即W塑性指数=100(W液性限度-W塑性限度)。可塑性指标代表高岭土泥料的成型性能,用可塑仪直接测定泥球受压破碎时的荷重及变形大小可得,以kg·cm表示,往往可塑性指标越高,其成型性能越好。高岭土的可塑性可分为四级。
  可塑性强度可塑性指数可塑性指标
  强可塑性>153.6  中可塑性7—152.5—3.6  弱可塑性1—7<2.5  非可塑性<1  

·干燥性

  干燥性指高岭土泥料在干燥过程中的性能。包括干燥收缩、干燥强度和干燥灵敏度等。
  干燥收缩指高岭土泥料在失水干燥后产生的收缩。高岭土泥料一般在40—60℃至多不超过 110℃温度下就发生脱水而干燥,因水分排出,颗粒距离缩短,试样的长度和体积就要发生收缩。干燥收缩分线收缩和体收缩,以高岭土泥料干燥至恒重后长度及体积变化的百分数表示。高岭土的干燥线收缩一般在3—10%。粒度越细,比表面积越大,可塑性越好,干燥收缩越大。同一类型的高岭土,因掺合水的不同,其收缩也不同,多者,收缩大。在陶瓷工艺中,干燥收缩过大,坯体容易发生变形或开裂。
  干燥强度指泥为干燥至恒重后的抗折强度。
  干燥灵敏度指坯体干燥时,可能产生变形和开裂倾向的难易程度。灵敏度大,在干燥过程中容易变形和开裂。一般干燥灵敏度高的高岭土(干燥灵敏度系数K>2)容易形成缺陷;低者(干燥灵敏度系数K<1)在干燥中比较安全。  

·悬浮性和分散性

  悬浮性和分散性指高岭土分散于水中难于沉淀的性能。又称反絮凝性。一般粒度越细小,悬浮性就越好。用于搪瓷工业的高岭土要求有良好的悬浮性。一般据分散于水中的样品经一定时间的沉降速度来确定其悬浮性能的好坏。  

·离子吸附性及交换性

  高岭土具有从周围介质中吸附各种离子及杂质的性能,并且在溶液中具较弱的离子交换性质。这些性能的优劣主要取决于高岭土的主要矿物成分。  

·化学稳定性

  高岭土具有强的耐酸性能,但其耐碱性能差。利用这一性质可用它合成分子筛。  

·电绝缘性

  优质高岭土具有良好的电绝缘性,利用这一性质可用之制作高频瓷、无线电瓷。电绝缘性能的高低可以用它的抗电击穿能力来衡量。  
高岭土
高岭土

·结合性

  结合性指高岭土与非塑性原料相结合形成可塑性泥团并具有一定干燥强度的性能。结合能力的测定,是在高岭土中加入标准石英砂(其质量组成0.25—0.15粒级占70%,0.15—0.09mm粒级占30%)。以其仍能保持可塑泥团时的最高含砂量及干燥后的抗折强度来判断其高低,掺入的砂越多,则说明这种高岭土结合能力就越强。通常凡可塑性强的高岭土结合能力也强。  

·粘性和触变性

  粘性是指流体内部由于内摩擦作用而阻碍其相对流动的一种特征,以粘度来表示其大小(作用于1单位面积的内摩擦力),单位是Pa·s。粘度的测定,一般采用旋转粘度计,以在含70%固含量的高岭土泥浆中的转速来衡量。在生产工艺中,粘度具有重要意义,它不仅是陶瓷工业的重要参数,对造纸工业影响也很大。据资料表明,国外用高岭土作涂料,在低速涂布时要求粘度约0.5Pa·s,高速涂布时要求小于1.5Pa·s。
  触变性指已经稠化成凝胶状不再流动的泥浆受力后变为流体,静止后又逐渐稠化成原状的特性。以厚化系数表示其大小,采用流出粘度计和毛细管粘度计测定。
  粘性和触变性与泥浆中矿物成分,粒度及阳离子类型有关,一般,蒙脱石含量多的,颗粒细的,交换性阳离子以钠为主的,其粘度和厚化系数高。因此工艺上常用添加可塑性强的粘土、提高细度等方法提高其粘性和触变性,用增加稀释电解质和水分等方法降低之。  

·烧结性

  烧结性是指将成型的固体粉状高岭土坯体加热至接近其熔点(一般超过1000℃)时,物质自发地充填粒间隙而致密化的性能。气孔率下降到最低值,密度达到最大值的状态,称为烧结状态,相应的温度称为烧结温度。继续加热时,试样中的液相不断增加,试样开始变形,此时温度即称转化温度。烧结温度与转化温度的间隔称烧结范围。烧结温度和烧结范围在陶瓷工业中是决定坯料配方、选择窑炉类型的重要参数。试料以烧结温度低、烧结范围宽(100-150℃)为宜,工艺上可以用掺配助熔原料及将不同类型的高岭土按比例掺配的方法控制烧结温度及烧结范围。  

·烧成收缩性

  烧成收缩性是指已干燥的高岭土坯料在烧成过程中,发生一系列物理化学变化(脱水作用、分解作用、生成莫来石,易熔杂质熔化生成玻璃相充填于质点间的空隙等),而导致制品收缩的性能,也分为线收缩和体收缩两种。同干燥收缩一样,烧成收缩太大,容易导致坯体开裂。另外,焙烧时,坯料中若混有大量的石英,它将发生晶型转化(三方→六方),使其体积膨胀,也会产生反收缩。 

·耐火性

  耐火性是指高岭土抵抗高温不致熔化的能力。在高温作业下发生软化并开始熔融时温度称耐火度。其可采用标准测温锥或高温显微直接测定,也可用M.A.别兹别洛道夫经验公式进行计算。 耐火度t(℃)=[360+Al2O3-R2O]/0.228 式中:Al2O3为SiO2和Al2O3分析结果之和为100时其中Al2O3所占的质量百分比;R2O为SiO2和Al2O3分析结果之和为100时其它氧化物所占的质量百分比。耐火度与高岭土的化学组成有关,纯的高岭土的耐火度一般在1700℃左右,当水云母、长石含量多,钾、钠、铁含量高时,耐火度降低,高岭土的耐火度最低不小于1500℃。工业部门规定耐火材料的R2O含量小于1.5-2%,Fe2O3小于3%。
  悬浮性和分散性指高岭土分散于水中难于沉淀的性能。又称反絮凝性。一般粒度越细小,悬浮性就越好。用于搪瓷工业的高岭土要求有良好的悬浮性。一般据分散于水中的样品经一定时间的沉降速度来确定其悬浮性能的好坏。 

用途

  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。有报道称,日本还有将高岭土用于代替钢铁制造切削刀具、车床钻头和内燃机外壳等方面应用。特别是最近几年,现代科学技术飞速发展,使得高岭土的应用领域更加广泛,一些高新技术领域开始大量运用高岭土作为新材料,甚至原子反应堆、航天飞机和宇宙飞船的耐高温瓷器部件,也用高岭土制成。
  目前,全球高岭土总产量约为4000万吨(该数据属于简单的国与国产量的相加,其中没有统计原矿的贸易量,包含较多的重复计算),其中精制土约为2350万吨。造纸工业是精制高岭土最大的消费部门,约占高岭土总消费量的60%。据加拿大Temanex咨询公司提供的数据,2000年全球纸和纸板总产量约为31900万吨,全球造纸涂料用高岭土总用量为约1360万吨。
  高岭土在造纸工业的应用十分广泛。主要有两个领域,一个是在造纸(或称抄纸)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。对于一般文化纸,填料量占纸重量的10-20%。对于涂布纸和纸板(主要包括轻量涂布纸、铜版纸和涂布纸板),除了需要填料外,还需要颜料,填、颜料用的高岭土所占比重为纸重的20-35%。高岭土应用于造纸,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。  

分类

  自然产出的高岭土矿石,根据其质量、可塑性和砂质(石英、长石、云母等矿物粒径>50微米)的含量,可划分为煤系高岭土、软质高岭土和砂质高岭土三种类型。
  不同的资源秉性,基本决定了该资源可适合发展的产业方向。一般来说,国内的煤系高岭土(硬质高岭土),比较适合开发为煅烧高岭土,主要应用于各种用途的填料方面。煅烧高岭土由于白度较高,在造纸方面也有应用,且多为生产高档铜版纸,价格昂贵(4000元/吨左右)。但由于煅烧土主要是增加白度,一般不单独使用,在造纸中用量较水洗土为少。非含煤高岭土(软质高岭土和沙质高岭土),主要应用于造纸涂料和陶瓷行业方面。非煤系高岭土的晶体结构上主要分为单片状(径厚比为8:1)、管状和叠片状。
  其中:以茂名盆地为代表的单片状结构高岭土(石)经简单工艺处理即可直接应用于造纸涂料,加工成本相对稍低,附加值较高;以福建龙岩为代表的管状结构高岭土(石)可应用于陶瓷材料、耐火材料;以广西合浦、湛江廉江为代表的叠片状高岭土(石)属风化不完全(形象而言即十月怀胎不足,早产儿),先天不足,但经剥片处理,也可用于造纸,成本相对茂名土稍高。而且,据专家分析,天然品质的局限性,使得合浦土的粘浓度较低,在目前技术条件下,还无法加工后用于高档造纸涂料。  

我国高岭土资源情况

  目前我国高岭土矿点有700多处,对200处矿点探明储量为30亿吨,矿点较为分散。其中煤系高岭土16.7亿吨,主要分布在我国北方的东北、西北的石炭一二叠纪煤系中,以煤层中夹矸、顶底板或单独矿层形式存在。
大型高岭土矿场
大型高岭土矿场
  我国是产煤大国,基本上大型煤矿都伴生有煤系高岭土,因而煤系高岭土储量十分丰富。非煤系高岭土1996年探明工业储量14.32亿吨。
  与其它非金属资源相比,高岭土不属于我国的优势资源,如按人均算则更为短缺。而且我国高岭土资源的分布比较分散,品位不高,大多数为煤系高岭土(国外很少),需要经过煅烧或改性,用于造纸涂布有天然的局限性。
  而且煤系高岭土由于属于煤的伴生矿,难以大规模开采利用。在我国,非煤系高岭土与煤系高岭土储量相当,但绝大多数为管状高岭土,粘度大,不能用于造纸涂布。
  据目前所了解资料,只有广东、广西、河北沙河的高岭土资源可以开发用于造纸涂料,因此资源十分宝贵。河北沙河在90年代中后期曾在国内造纸涂料市场与茂名高岭土有过激烈竞争,但目前已经由于资源不足,逐渐萎缩。  

市场价格

  高岭土市场价格随着国际市场的走高而逐步增涨中。1999-2005年,国内纸及纸制品业销售收入复合增长率达到22%,2006年1-8月份销售收入增长率高达27%。2005年国内机制纸及纸板产量达到6205万吨,较上年增长15%。以2005年数据计算,国内纸及纸板产量已经占到全球总产量的16%左右。按照这一比例估算,国内造纸用矿物原料年需求量达到480万吨;若按照与全球一致的比例使用高岭土,则国内造纸行业2005年填料和涂料用精制高岭土潜在需求量达到180万吨。
  2005年世界高岭土产量约为4450万吨,其中精制高岭土产量约为2500万吨,占世界高岭土产量的60%,而未经加工的原土占总产量的40%。在精制高岭土中,造纸级高岭土产量约为1100万吨,占世界高岭土产量的四分之一。目前在世界造纸工业中,印刷与书写用纸是造纸级高岭土的主要消费领域,其中填料和涂料使用的比例为60%和40%。高岭土使用量约占纸张重量的10.15%,重钙约占10.45%,轻钙约占4.48%。在印刷与书写用纸中,铜版纸对高岭土和碳酸钙的使用量占59%,其他纸类占41%全球造纸工业2003年使用3000万吨矿物原料,其中2700万吨用于印刷和书写纸。
  高岭土市场价格在造纸市场上总体处于平衡态势,但供应还是稍显过剩。但过去几个月,位于乔治亚州的几处高岭土生产装置进行了合理化调配,使市场变得更加平衡。由于巴西出产的高岭土不断获取市场份额,所以北美的增长情况基本持平。今年1月1日,Imerys宣布纸用高岭土和碳酸盐产品涨价3~8%,具体上涨幅度视产品级别而定。公司产品经理指出,提价是为了抵消采矿及高岭土加工成本上升带来的影响,因此得到普遍认同,合同价格也得以提高。这是在高岭土连续降价10年后,主要生产商连续第四年宣布提价。虽然Imerys公司1995年成功完成了节约成本和改善生产效率的计划,但并未完全消除这一期间内成本上升所造成的影响。能源成本上升主要是由天然气价格增长造成的,是乔治亚州所有高岭土生产商及用户面临的严重问题,并有加重的风险。Huber工程材料公司最近一次对造纸用高岭土的提价是在2003年中期。据称,公司去年也曾因为能源价格上涨而提价,但提价遇到多方阻力。公司约2/3的高岭土以年度合同销售,另外1/3以2年制合同销售。  

传说

  做瓷器用的瓷土,现在世界上都把它叫做“高岭土”,这高岭土就出产在景德镇的高岭村呢!
  高岭村的瓷土是怎样被发现的?
  那是在很久很久以前,高岭村有一家姓盛的穷苦夫妻,他们佃了大地主张剥皮的几亩薄田,一年到头,风里来,雨里去,好不容易打下一点儿粮食,可张剥皮的阎王账一翻,算盘珠一响,就会给刮去了。他们靠着红薯、萝卜和野菜当餐,日子苦得就像黄连一样。
  盛家夫妻日子过得虽然清苦,但心地却特别善良。听到谁家揭不开锅,他们就宁愿自己挨饿,也要省出点口粮送去。因此,村里人都称他们是“好心的盛家”。
  有一年冬天,天气特别寒冷,北风吹过来,就像刀子刮人一样。这一天清早,大风凛冽,雪花纷飞,盛家男人正抱着一捆柴禾,准备送到前村的一个孤苦伶仃的高老太婆家去。她打开屋门,只见屋檐下躺着个白发苍苍的老公公,这老公公衣衫破烂,满脸焦黄,冻得在瑟瑟发抖,嘴里还不停地发出痛苦地唤叫。
  盛家男人见了,急忙放下柴禾,走上前把老公公扶进屋里。他一边脱下自己的破棉袄,披在老公公身上,一边忙喊妻子倒碗热水来。
  盛家男人问:“老公公,你是哪个村的?这大冷的天,出门来做什么?”
  那老公公深深地叹了口气,答道:“我家住在很远的地方,因为给地主老财逼得没办法,只好出外投亲,没想到病倒在这里。”男人一听,忙安慰说:“老公公,你莫急,病了,现在就在我家养病,等好了,开了春再走吧!”
  那老公公感动地点点头。这时,盛家妻子端来了一碗热开水,送到那老公公跟前,请他喝下暖暖身子。老公公摇摇头说:“我实在饿得吃不消了,想喝碗热粥,不知有没有?”
  这对夫妻听了,感到很为难,因为他们家的米缸,早就空了,拿什么熬粥呢?盛家妻子正想对老公公直说,但她男人看到老公公饥饿痛苦的样子,心中实在不忍,就暗把妻子一拉,走进厨房,悄悄地说:“你去张剥皮家里借一升米来,熬粥给老公公喝吧。”妻子一听要她去张剥皮家借米,吓了一跳!提起这张剥皮,高岭村方圆几十里,谁不知他是个吸血的蚂蟥,叮人是越叮越深,不吸饱血是死不松口的。谁也不敢上他家去借东西。
  盛家男人见妻子犹豫,又推了她一把,要她快去。
  妻子借来米,男人生火熬粥,一会儿工夫,一大碗香喷喷,热腾腾的米粥端到了老公公的面前。老公公见了,也不客气,一口气就把粥喝了下去。
  说也奇怪,老公公把这碗粥一喝下去,原来焦黄的脸,顿时红润起来,精神也好了,病也好像烟消云散了。这时,老公公站了起来,把破棉袄还给盛家男人,说:“你们真是名不虚传的:好心的盛家。我没有什么好报答你们,我走后,你们可到村后东南面的松山顶上一口气挖它个九九八十一锄,那时,就有办法偿还张剥皮的一升米了。”老公公说罢,抬脚走了。
  盛家夫妻听了,感到十分奇怪,他们型:老公公躺在屋里,怎么会知道他们上张剥皮嫁借了米?莫非他是神仙不成?待夫妻俩出屋再看,那老公公早已不见踪影。
  回到屋里,盛家夫妻真的扛起了把锄头,上了村后东南面的松山顶,奋力举锄挖了起来。一锄,二锄……三十、四十……挖到那九九八十一锄时,奇迹出现了:那黑沉沉的泥土,一下变成了白花花的,胜家男人用手捧起来,一捏,哈,软乎乎得就像糯米粉一样,在捧到鼻子尖闻闻,竟是香喷喷的,捏一点放进嘴里尝尝,又是甜滋滋的,跟真的糯米粉一模一样。
  这下可乐坏了盛家夫妻俩。他们想到村里穷苦人家正在受苦挨饿,就兴冲冲地跑回村去,把穷苦人都叫了来,挑起大筐、小桶熙熙攘攘地来到了松山顶,大伙动手,锄呀、挖呀、装呀、挑呀,挖去一层,立刻又长出一层……这时候,穷人们哪个欢乐劲就不用说了啦!
  穷人们兴高采烈地将“糯米粉”各自挑回家去,有时做汤团,有时做糍粑,真像过年一样。
  这事被张剥皮知道了。他急急忙忙爬上松山顶一看,瞧得眼也红了,嘴也馋了。他把一帮狗腿家丁叫来,团团围住了松山顶,把穷人们赶下山去,并且在四周钉上“张府”的木牌,说这松山是他家祖传的宝山,谁要再到松山来挖糯米粉,就要送官究办。穷人们听了,无不气恨。
  再说,张剥皮叫人挖了一大筐,抬回家去做汤团,汤团做好了,张剥皮把全家都叫到大厅前,手捻着他那几根胡须,得意洋洋地说:“今天我请客,大家尽量地吃,吃完了,我们还可以上山去挖。哈哈!这下我可发大财了,”说着,张剥皮带头吃起来。
  张剥皮囫囵一口就吞下了一只汤团,汤圆刚落肚,就双手捧住肚子,妈呀!妈的倒在地上打起滚来。家里人走前一看,哪里有什么汤团,碗里的汤圆全变成了石头,张剥皮肚子里有块石头,痛得他呼天叫地,一直闹到天亮,便活活地疼死了。
  张剥皮一死,高岭村的男女老少可高兴了。盛家夫妻又领着穷人们上了松山顶,到了山顶一看,发现原先挖出来的“糯米粉”全部变成了石头。这时,大家就更恨张剥皮了。
  这天晚上,盛家夫妻在梦里,只见老公公又来到跟前,说:“松山顶上的石头,可以拿来做瓷器,做成的瓷器能跟玉器一样的值钱哩!”第二天清早,盛家夫妻就和全村的穷人们来到了松山顶,只见满山全都是银光闪闪的土石,盛家夫妻按照那老公公嘱咐的话,将挖起的土石做成一个个碗和杯的坯子来,放进窑里一烧,果然个个晶莹洁白,真象玉器一样。
  高岭村的穷人们把这些玉器般的瓷碗、瓷杯挑到镇上去卖,百姓们看了,都是喜爱万分,一忽儿就被抢购一空。
  从此,高岭村的穷人们在盛家夫妻的带领下,改行挖土建窑烧瓷器了。松山因地处高岭,就改名叫高岭山,山上的瓷土,就叫做高岭土了。