内蒙古准格尔煤系高岭石煅烧结构分析

郭 炜，刘 锋

内蒙古准格尔煤系高岭石煅烧结构分析

郭 炜1，刘 锋2

(1.北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617；2.中国船级社质量认证公司，北京 100006)

运用扫描电镜SEM、透射电镜TEM、X-射线衍射XRD、组成分析、热分析(TG+DTA)和红外分析FT-IR等多种手段，对内蒙古准格尔旗某煤系高岭石煅烧前后的结构进行了分析表征，了解其微观结构变化，以指导煅烧工艺条件的选择。

煤系高岭石；煅烧；结构分析

Abstract: By using scanning electron microscope, transmission electron microscope, X-ray diffraction analysis, element analysis, differential thermal analysis-thermal gravity and Fourier transform infrared spectroscopy and etc, kaolinite minerals structure before and after calcinations from Inner Mongolia Zhungeer Qi were analyzed. Analysis results show that the micro-structure is different after calcined, which can guide the calcination technical conditions.

Key words: coal-series kaolinite; calcinations; research on structure

1 引言

内蒙古准格尔蕴含大型优质煤系高岭土矿床，其中不少矿床层位稳定、厚度大，矿石中高岭石含量在95%以上。虽然不同矿区的矿石性质有所差别，但都适于加工煅烧高岭土。煅烧高岭土由于比普通高岭土白度高、容重小、比表面积大、细油性好、光性特殊、绝缘性和热稳定性较高等，因而用途广泛，经济价值高[1-3]。特别是作为填料，在造纸、电缆工业中，高岭土具有独特的作用[4]。在造纸工业中，由于高岭土具有良好的不透明性及可印性，使它成为生产气刀级或刮刀级涂布铜版纸的重要原料[5]；在电缆工业中，高岭土凭籍其卓越的电绝缘性能，成为生产电缆用塑料、橡胶不可替代的填料[6]。在高岭土用作纸张、塑料、橡胶的填料时，需要对它进行特殊处理，而煅烧就是有效的处理方式之一。

通常，高岭土的煅烧，是指煅烧温度在1 000℃以内的热化学反应过程，也就是指除去高岭石矿物中大约14%的结构水的过程[7]。高岭土在不同温度下煅烧，产物的物理性能不同，因此，高岭土的煅烧温度取决于产品的用途。例如：在1 000℃下的煅烧产品，可获得良好的油吸收性能和大的比表面积，并具有良好的遮盖力和不透明性，因而可在油漆、造纸工业中用作涂料、填料及颜料；而生产电缆用的高岭土，其煅烧温度要求控制在800℃以下[8-9]。

由于我国质量较好的硬质高岭土通常与煤共生，煅烧处理时还需兼顾其内含有机质及固定碳的脱除。

本文利用多种分析手段对内蒙古准格尔旗的一种煤系高岭石煅烧前后的结构特征进行了表征，以全面了解其煅烧前后的微观结构变化。

2 分析表征

2.1 扫描电镜分析(SEM)

用Philips XL-30扫描电镜观察了煅烧前后高岭石的其表面形态，详见图1和图2。

从图1和图2中可以看出，未煅烧高岭石尺寸分布较为均一，颗粒的结构也呈现出一定的假六方体片层结构，但同时也存在着大量的其他结构。煅烧后颗粒尺寸分布不均匀，有较为严重的结团现象。

颗粒的结团现象是微观颗粒的表面能引起的，可以通过物理或化学表面改性的手段予以改善和消除。而颗粒晶体的结构则与高岭石原料以及其煅烧工艺密切相关，因此煅烧工艺对煤系煅烧高岭石产品的性质有着至关重要的影响。

2.2 透射电镜分析(TEM)

用JEOL 100CX-Ⅱ透射电子显微镜对高岭石样品进行了观察，颗粒晶体结构放大14 000倍，用乙醇进行分散，电镜分析结果分别见图3和图4。

从以上图中可以发现，高岭石样品在乙醇中分散度都较好，在放大14 000倍情况下观察煅烧前的高岭石，其颗粒晶体结构较为混乱和复杂，煅烧后晶体尺寸趋向均一。

2.3 X-射线衍射分析(XRD)

在分析高岭石样品表面形态的基础上，应用X-射线衍射分析(XRD)分析了煅烧前后样品的晶体结构，分别见图5和图6。

比较图5和图6，可以发现，煅烧后X-射线衍射图谱的衍射峰弱、宽，表明高岭石晶体结构已经遭到破坏，脱除结构水后，转化成偏高岭石和铝硅尖晶石结构。比较而言，未煅烧高岭石衍射图谱的衍射峰强、锐，在d(001)=7.10nm和d=3.57nm处有两个尖锐的强峰，这正是高岭石标样的典型特征峰。

2.4 组成分析

白度是高岭石产品一个重要的指标，而高岭石中Fe含量的多少是其中最为重要的影响因素。鉴于此，对未煅烧的高岭石样品进行了组成分析，其化学成分(%)为：Al2O337.92、SiO244.92、Fe2O30.30、TiO20.42。高岭石中Fe2O3的含量只有0.30%，基本可以满足大多数应用领域的要求。此外，应用扫描电镜能谱对未煅烧高岭石的表面物质组成进行了分析，其中Fe和Ti含量也都处于一个较低的水平。

2.5 热分析(TG+DTA)

高岭石在加热煅烧过程中，由于物理和化学变化而产生吸热或放热效应，同时还会失去水、有机质等而造成失重。为考察准格尔高岭石样品的热学性质，对其进行了热重TG和差热DTA综合分析，结果见图7。从差热分析曲线看，在100℃附近有脱除物理水过程，在544℃附近大量脱除结构水。在热失重曲线上则分别对应较明显的失重现象。在997℃附近有一个明显的放热峰出现，这是由于在此温度区间烧成Al-Si尖晶石等新相的放热效应产生的。高岭土用于油漆、造纸工业中用作涂料、填料及颜料时，其煅烧温度应低于发生晶相变化时的温度，对于此种准格尔旗煤系高岭石，其煅烧条件应选择在低于997℃下进行。

2.6 红外分析(FT-IR)

矿物在受到具有连续波长的红外光照射时，该物质的内部质点、基团和分子会因其固有的振动而吸收特定波长的光的能量。不同的矿物和物质由于其内部组成质点、基团和分子的种类不同以及它们相互键合的方式不同，而表现具有不同特征的红外光谱，即在谱带数目、位置、强度等方面不同的红外光谱。

对于层状硅酸盐的红外光谱来说，引起红外吸收的振动，主要是由于它的内部下列组成单元的振动：羟基(包括层间水)、硅酸盐阴离子、八面体阳离子、层间阳离子。

应用美国Nicolet 560傅立叶红外对煅烧前后的高岭石进行了分析，其红外图谱见图8和图9。

从红外谱图可以看出，未煅烧高岭石属于典型高岭石结构，在3 400～3 700cm-1范围内OH基团的伸缩振动峰明显，且600～900cm-1范围内所具有的一些红外吸收振动，则属于OH基团和八面体阳离子耦合的弯曲振动。而煅烧高岭石晶体结构经过脱除物理水和结构水后，转变成Al-Si尖晶石结构，其红外谱图则相应有了较大的区别。

3 结语

通过运用扫描电镜SEM、透射电镜TEM、X-射线衍射XRD、组成分析、热分析(TG+DTA)和红外分析FT-IR等多种手段从各个方面对准格尔煤系高岭石煅烧前后的结构进行了分析，可以看出其物质结构的差异。因为物质的宏观性质取决于其微观结构，因此要想深入、系统地了解和改善高岭石产品的宏观结构和性质，必须要在微观尺度上对其进行分析和把握。

利用以上这些分析手段，可以在微观尺度上对高岭石原矿物、煅烧后的高岭石在整个生产过程进行跟踪分析，以确定最优的煅烧工艺条件，尤其根据其热失重曲线，煅烧条件应选择在低于997℃下进行。实际生产煅烧温度控制在985℃左右，最终生产出优质高档的煤系煅烧高岭石产品，满足了市场的需求，同时获得较佳的经济效益。

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Research on Structure of Kaolinite and Calcined Kaolinite From Inner Mongolia Zhungeer Qi

GUO Wei1, LIU Feng2
(1.Beijing Institute of Petrochemical Technology, Department of Mechanical Engineering, Beijing 102617, China; 2.China Classification Society Certification Company, Beijing 100006, China)

P619.232;TD985

A

1007-9386(2012)03-0029-03

2012-02-09