纳米分散板片及球形叶蜡石粉体的制备及表征*

严俊，陶金波，邓小琼，胡丹静，刘培钧，盛嘉伟

（1.浙江省质量检测科学研究院，浙江杭州 310013；2.浙江工业大学化学工程与材料学院）

研究与开发

纳米分散板片及球形叶蜡石粉体的制备及表征*

严俊1，2，陶金波1，邓小琼1，胡丹静1，刘培钧1，盛嘉伟2

（1.浙江省质量检测科学研究院，浙江杭州 310013；2.浙江工业大学化学工程与材料学院）

采用高能球磨、喷雾干燥联用工艺制备了干燥分散的板片与球形叶蜡石粉体，并对所制备的粉体进行了粉晶X射线衍射（XRD）与场发射扫描电镜（FE-SEM）测试。结果表明：叶蜡石粉体在初步研磨后，叶蜡石的晶型与层状结构特征未发生改变。经喷雾干燥可得到分散的单层叶蜡石纳米板片，板片厚度约为（8±2）nm，其在长轴方向上的粒径大小为0.2～1.2 μm。粉体在较长时间的研磨后，经喷雾干燥可获得均匀粒径的准球形叶蜡石聚集体，单个聚集体微粒直径约2.5 μm，且该聚集体由长径在纳米尺度上的叶蜡石板片团聚而成。此外，XRD测试结果表明喷雾干燥对叶蜡石粉体的晶型并没有明显的影响。

叶蜡石；高能球磨；喷雾干燥；扫描电镜；XRD

叶蜡石是含水层状硅酸盐粘土矿物，理论化学式为Al2（Si4O10）（OH）2，广泛应用于涂料﹑陶瓷﹑橡胶﹑传压介质及耐火材料等领域。就粘土矿物应用的广度与深度而言，其粉体颗粒的大小、形貌、晶型等是制约其应用与影响终端产品质量优劣的主要因素［1］。鉴于此，近年来，制备超微细或特定性状的矿物粉体的研究甚多，如碳酸钙［2］、蒙脱石［3-5］、滑石［6-9］、高岭土［10-12］等。相比之下，有关叶蜡石粉体的超细化或改型研究较少，且相关研究也较多集中于机械力研磨过程中叶蜡石相变的探讨［13］。笔者以高能球磨与喷雾干燥联用工艺，制备出了干燥分散的超细纳米板片和粒径大小较均一的球形叶蜡石粉体。

1 样品与实验

1.1 样品制备

样品取自浙江青田。高能球磨采用Fritsch Pulverisette 7型球磨仪：球磨在玛瑙罐体中进行，玛瑙球为球磨介质，玛瑙球直径为5 mm、质量为33.5 g，研磨粉体质量为10 g，球磨速度为600 r/min，球磨时间为0～180 min。喷雾干燥采用SD-06 AG型喷雾干燥仪：进口温度为（180±2）℃，出口温度为（95±1）℃，空气流速为4.3 m/s，循环泵流速为485 mL/h，喷雾干燥喷嘴直径为0.5 mm。

1.2 实验仪器

叶蜡石原粉的化学组成采用ARL ADVANT′X型X射线荧光光谱仪测定；采用D/Max-2500V型X射线衍射仪对叶蜡石原粉及研磨后粉体进行物相鉴定，Cu Kα射线，衍射速度为5（°）/min，工作电压为40 kV，电流为40 mA，接收狭缝间距为0.3 mm；采用FE-SEM S-4700型场发射扫描电镜对不同研磨条件下粉体进行形貌观察。

2 结果与讨论

2.1 叶蜡石原粉的化学组成

青田叶蜡石化学成分经X射线荧光光谱（XRF）分析，结果见表1。由表1可见，叶蜡石原矿混合物中SiO2与Al2O3的分子个数比为6.2，明显高于理想叶蜡石晶体中SiO2与Al2O3的分子个数比4.0。经X射线衍射结果表明，青田叶蜡石为典型的2-M型叶蜡石矿，其中伴生矿为石英［14］。

表1 叶蜡石物化性能

2.2 纳米分散叶蜡石板片粉体的制备

叶蜡石原矿粉体微结构特征为复合式的板片结构，见图1a。该复合板片中单层叶蜡石板片厚度约为（8±2）nm［14］。上述粉体经高能球磨30 min后，形貌特征见图1b。从图1b发现，高能球磨使得粉体粒径进一步细化，但叶蜡石聚集的板片结构特征并未彻底消失。与此同时，粉体在初步研磨后发生了较低程度的团聚，团聚后的粉体呈近球形，见图1b中的白色箭头所示。进一步对图1b中研磨后的粉体进行喷雾干燥处理，干燥后的粉体形貌特征见图1c与图1d所示。图1d是图1c中框线区域的放大图像，从中可清晰地看到叶蜡石聚集的复合板片结构特征已经基本消失，此时粉体呈分散的单层板片结构，但是板片的粒径大小不一，为0.2～1.2 μm。

图1 叶蜡石粉体SEM图

2.3 球形叶蜡石粉体的制备

进一步对叶蜡石粉体进行高能球磨，对研磨60、120、180 min后的粉体分别进行扫描电镜观察，其电镜照片分别见图2a、图2c与图2e。从中可以看出，随着机械力研磨的进行，叶蜡石的复合板片结构特征逐渐消失，单层叶蜡石板片的粒径大小亦在逐渐细化。与此同时，因粉体表面能的增大使得粉体团聚现象逐渐严重。对上述研磨60、120、180 min后的粉体分别进行喷雾干燥，所得相应粉体的形貌特征分别见图2b、图2d与图2f。对比不同研磨时间下的粉体图片可以发现，在研磨60 min后的粉体中细化的纳米板片并未完全团聚，团聚的大颗粒与细化的叶蜡石板片共存。进一步研磨至120min和180min，经喷雾干燥所得的粉体形貌基本呈分散的准球形结构，且单个球形团聚颗粒粒径大小约为2.5 μm。相比于只经球磨后的粉体而言，可以发现经喷雾干燥后的粉体粒径趋近一致。

图2 叶蜡石粉体SEM图

对上述高能球磨180 min后再经喷雾干燥的粉体进一步进行形貌的微区观察，如图3所示。由图3可见，研磨后的叶蜡石板片小颗粒的粒径可实现其长轴方向的纳米尺寸。但是因纳米粉体的团聚效应，进一步得到分散的三维尺度上的纳米叶蜡石粉体（单个叶蜡石板片表面积大小在104 nm2之内）仍有待进一步研究。

图3 高能球磨180 min后再喷雾干燥的粉体SEM图

2.4 研磨时间与喷雾干燥对叶蜡石晶型的影响

不同研磨时间后叶蜡石粉体的XRD谱图见图4。由图4可知，叶蜡石在高能球磨研磨至60min后，叶蜡石的晶体结构尚未发生改变；但研磨至120min后，叶蜡石的晶体结构已发生明显的变化，叶蜡石晶体结构的（006）﹑（004）与（002）晶面衍射峰已基本消失。笔者进一步就研磨60 min与180 min后的粉体及其相应喷雾干燥后的粉体进行XRD对比测试，结果见图4。比较喷雾干燥前后的粉体XRD谱图特点可知，粉晶衍射特征基本一致，因此表明喷雾干燥对叶蜡石晶体结构的改变并无明显的影响。

图4 不同研磨时间后叶蜡石粉体的XRD谱图

3 结语

叶蜡石粉体在短时间的高能球磨下，结合喷雾干燥工艺可以制备出分散的单层叶蜡石板片颗粒，且纳米板片在长轴方向上的粒径大小为0.2～1.2 μm，板片的厚度约为（8±2）nm。在较长时间的球磨后，因粉体表面能的增加，研磨后的粉体逐渐出现团聚，且团聚后的准球形颗粒粒径大小不一。上述较长研磨时间下的粉体再经喷雾干燥处理后，粉体的球状特征没有消失，但是其颗粒的大小却趋于均一化，且粒径约为2.5 μm。相关叶蜡石板片在其长径方向上实现纳米尺度的工作有待进一步研究。

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Preparation and characterization of nano-sized pyrophyllite powders with dispersed lamellar or spheroidal structure

Yan Jun1，2，Tao Jinbo1，Deng Xiaoqiong1，Hu Danjing1，Liu Peijun1，Sheng Jiawei2
（1.Zhejiang Institute of QualityInspection Science，Hangzhou 310013，China；2.College of Chemical Engineering and Materials Science，Zhejiang University of Technology）

Spray drying technique combining with high energy ball milling for the preparation of dry dispersed pyrophyllite powders with lamellar or spheroidal structure was studied，and the prepared powders were characterized by X-ray diffraction（XRD）and scanning electron microscope（FE-SEM）.Results showed that：when grounding for a short time and sprayed drying，dispersed pyrophyllite powders with single lamellar structure were got，at the same time，the lamellar structure and crystalline character are the same as original ones，and the length of single lamellar pyrophyllite at long axis direction was at 0.2～1.2 μm with（8±2）nm in thickness.As the increasing of grinding time，pyrophyllite aggregates with spheroidal structure were achieved through spray drying technique，and the single spheroidal aggregate was about 2.5 μm in diameter，which was composed of nano-sized pyrophyllite lamellars.Furthermore，the results of XRD indicated that the spray drying did not induce the crystal structure change.

pyrophyllite；high energy ball milling；spray drying；scanning electron microscope；X-ray diffraction

TQ127.2

A

1006-4990（2013）07-0009-03

2013-01-17

严俊（1981—），男，博士，研究方向为矿物功能材料，已发表论文20余篇。

浙江省科技厅重大主题专项（2007C111042）；浙江省科技厅公益技术研究社会发展项目（2011C33SAB80001）。

联系方式：yanj_zjut@163.com