煤系高岭土的改性试验研究(续)

梁志宝

（中国建筑材料工业地质勘查中心内蒙古总队，内蒙古 呼和浩特 010010）

（上接2013年第5期）

3.2.3 比表面积与孔径分布分析

(1)煤系高岭土原土与改性后的参数比较。

煤系高岭土原土与不同pH值条件下改性后土的参数比较，如表3所示。

由以上表格中的数据显示可知道，煤系高岭土经过改性之后比表面积增大，平均增大34倍；并且总孔体积也在增大，平均增大10倍；而平均孔径却减小，但是改性后的孔径分布比较窄，主要集中在2.8nm左右。

(2)孔径分布分析。

图6为煤系高岭土原土和改性后煤系高岭土在不同pH值条件下的孔径分布曲线。

从图6(上)中可以看出煤系高岭土原土的孔径分布范围很广，多孔物质分布在10～100nm之间，孔径分布不集中；而从图6(下)中可以看出改性后的介孔材料不管pH值为9、10、11、12孔径分布都比原煤系高岭土集中。改性后的煤系高岭土都可以合成介孔材料，且孔径分布都不是很宽，而在pH值为9时合成的介孔材料的孔径分布的范围相对较好，孔径集中在2.8nm左右。

3.3 FI-IR的测试与分析

FI-IR测试是采用KBr压片法，为了得到高质量的压片，要求压片不吸附或尽量少吸附空气中的水、透明度好、厚度均匀、平整光洁，以KBr作为背景峰，测试范围为400～4000cm-1，分辨率为4cm-1，测试温度为室温。

仪器主要由以下几部分构成[8]：红外辐射光源、放置样品的样品室、色散红外辐射的单色器、接受辐射的检测器、电子放大及数据处理系统。

图7为煤系高岭土原土和pH值为9时改性后煤系高岭土的FI-IR图。从图7(上)中可以看出煤系高岭土原土在3692.54、3614.70、1042.16、917.62、796.97、544.00cm-1等处出现特征峰，在3692.54、3614.70cm-1处的强吸收峰为煤系高岭土原土中-OH的伸缩振动峰的特征谱带[4]，1042.16cm-1是高岭土中Si-O伸缩振动峰的特征谱带，917.62cm-1是高岭土结构中Al-O-H振动峰，796.97cm-1为Al-OSi的振动峰，544.00cm-1处的峰为Al-O振动峰、423.35cm-1是Si-O弯曲振动的峰[4]。

从图7(下)中我们看到经过碱改性煅烧后的高岭土在3474.59、1641.51、1089.97、800.86、454.49cm-1等处有特征峰出现；3474.59cm-1和1641.51cm-1是吸水的特征谱带，1089.97cm-1还是高岭土中Si-O伸缩振动峰的特征谱带，800.86cm-1是表征Al-O-Si振动的，454.49cm-1是Si-O弯曲振动的峰带。

图7 煤系高岭土原土(上)和改性后煤系高岭土(下)的FI-IR图

比较煤系高岭土原土和改性后的高岭土的FI-IR图可以看出，改性后的高岭土图谱上没有917.62、544.00cm-1等吸收带，而917.62cm-1是高岭土结构中Al-O-H振动峰，544.00cm-1处的峰为Al-O振动峰。以上分析说明改性后的高岭土中的原有结构被破坏，而其他的特征峰都在，只是Si-O的缩振动峰由原来的1042.16cm-1变为1089.97cm-1，Al-O-Si的振动峰从796.97cm-1变为800.86cm-1，Si-O弯曲振动的峰也从423.35cm-1变为454.49cm-1[9]。

3.4 SEM的测试与分析

SEM测试是在日立公司的S-3400N型号扫描电子显微镜上进行的，主要是观察煤系高岭土原土与改性后的煤系高岭土在表面形貌上的不同之处。

试验用的煤系高岭土原土和在pH值为9的条件下改性后的SEM图如图8所示。

由图8(a)可以看出原土的形貌中颗粒杂乱无章、大小不一，并没有明显的孔结构；由图8(b)可见，改性后的高岭土具有介孔材料表面及内部存在交错排列的孔道结构，分布比较规则,这其中既有连通孔道，也有非连通孔道，丰富的连通与非连通孔道结构是改性后高岭土具有介孔材料拥有巨大的比表面积的主要原因。

3.5 TEM的测试与分析

图8 煤系高岭土原土(a)和改性后(b)高岭土的SEM图

TEM测试是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所产生的物像，投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。试验所用的测试仪器是日本电子株式会社型号为JEM-2010的高分辨透射电子显微镜，主要观察没有改性的煤系高岭土与改性后的煤系高岭土的结构上有什么区别。

图9是煤系高岭土原土和在pH值为9时改性后煤系高岭土的TEM图。

图9 煤系高岭土原土(a)和改性后(b)高岭土的TEM图

从图中可以看出改性前后煤系高岭土在结构上有一定的差别。从图9(a)中可以看出煤系高岭土原土的结构是规整的六方晶石，没有看见明显的介孔孔道。从图9(b)中可以看见清晰的介孔孔道，孔分布均匀且致密，同N2吸附的孔径分布结果一致，改性后高岭土具有的介孔材料孔径主要集中在2.8nm左右。

改性后的煤系高岭土材料为颗粒状的，和没有改性时的颗粒形貌相同，改性是依靠结构中的活性SiO2和Al2O3同摸板剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)在碱性(NaOH水溶液)环境中的作用形成介孔结构，转变成介孔材料的。但是经过碱改性焙烧后的煤系高岭土在色泽上与原土有一定差别，白度和亮度都比原土好。

4 结论

内蒙古蒙西的煤系高岭土中硅和铝的有效组成含量较高，硅铝比非常接近理论值1∶1，杂质含量不高，这为煤系高岭土改性成为介孔材料提供了基础。

煤系高岭土原土经过焙烧之后白度和亮度都显著增加；在537℃以上焙烧，高岭土原来的结构被打乱，其结构由有序变为无序；从600℃开始到形成偏高岭土的升温过程中，高岭土处于无定形态，铝离子活性很高。焙烧温度在992.5℃以上，有新晶相生成，开始转化成硅铝尖晶石新晶相，此时铝活性开始降低，硅活性开始升高。

试验将煤系高岭土原土通过水热合成的方法进行改性，将改性后的材料通过表征得出：煤系高岭土经改性后合成了无定形有序的介孔材料。通过对不同pH值下合成材料的表征得出：在其他条件不变，水热反应温度100℃、水热反应时间2d时，合成这种介孔材料的最佳pH值为9，且在最佳pH值条件下合成的介孔材料孔径分布均匀，主要集中在2.8nm左右，比表面积比原煤系高岭土平均增大34倍，总孔体积平均增大10倍。

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(续完)