几种常用高岭土的组成和结构比较

包镇红，江伟辉，苗立锋，魏红兵，吴 倩

（景德镇陶瓷学院国家日用及建筑陶瓷工程技术研究中心，江西 景德镇 333001）

几种常用高岭土的组成和结构比较

包镇红，江伟辉，苗立锋，魏红兵，吴 倩

（景德镇陶瓷学院国家日用及建筑陶瓷工程技术研究中心，江西 景德镇 333001）

采用XRD、DTA-TG、FE-SEM等测试手段对龙岩、临沧和星子这三个产地高岭土的矿物组成和微观结构进行了系统的研究。结果表明：三种高岭土中均含有一定量的多水高岭石，其中临沧高岭土中的多水高岭石含量最多。龙岩高岭土由多水高岭石、高岭石和伊利石组成，临沧高岭土以多水高岭石为主，星子高岭土以高岭石为主。三种高岭土中以星子高岭土的结晶度最高，龙岩高岭土和临沧高岭土的结晶程度较差。龙岩高岭土为片状和管状的混合结构；临沧高岭土中则大多呈卷曲的短管状；星子高岭土大部分为叠片状结构，且颗粒较大。

高岭土；多水高岭石；结晶度；管状

0 引 言

高岭土是一种非常重要的非金属矿产资源，由于具有良好的物理化学性能，用途十分广泛，已成为造纸、陶瓷橡胶、化工、涂料、医药、国防等几十个行业所必需的非金属矿物原料。我国高岭土资源丰富，主要分布在粤、桂、赣、闽、苏等地[1]。由于地质形成原因不同，不同产地的高岭土其组成、结构也有所差异。虽然研究高岭土的文章不少，但多是对高岭土的开发、应用及某一方面的结构和性能的研究报道[2-5]。龙岩、临沧和星子这三个产地的高岭土储量多，产量大，但探讨这三个产地高岭土的组成和微观结构的研究尚不多见，对这三个产地高岭土进行系统的对比研究还未见报道，所以本文选取龙岩高岭土、临沧高岭土和星子高岭土进行对比研究，对工业上科学选取高岭土提供理论指导的依据。

1 实验部分

1.1 实验原料

本试验使用的原料分别来自我国三个高岭土产区：福建龙岩市、云南临沧市和江西星子县。其中龙岩高岭土呈灰白球状，临沧高岭土为白色粉末颗粒，江西星子高岭土呈土黄色块状。这三种高岭土的化学组成见表1。

表1 不同产地高岭土原料的化学组成（wt.%）Tab.1 Chemical compositions of kaolins from different regions

1.2 性能表征

用D8 Advance型X 射线粉晶衍射仪（XRD，德国BRUKER/AXS 公司）鉴定高岭土的物相组成；用综合热分析仪(DTA/TG，德国耐弛有限公司，型号STA409TC)进行高岭土的差热及失重分析；采用日本电子公司JSM-6700F型场发射扫描电镜（FE-SEM）对高岭土进行显微结构分析。

2 结果分析与讨论

2.1 不同产地高岭土的物相分析

图1为三种高岭土的X射线衍射图。由图1可知，龙岩高岭土主要由多水高岭石（也叫埃洛石）、高岭石和伊利石组成，临沧高岭土主要由多水高岭石组成，含有少量的高岭石，星子高岭土主要由高岭石组成，并含有少量的伊利石和多水高岭石。由表1化学组成可知，龙岩高岭土和星子高岭土中均含有较多的K2O，其中K2O含量分别为2.47 wt.%和1.09 wt.%；而临沧高岭土中的K2O含量仅有0.15 wt.%。由于伊利石与高岭石相比较，伊利石含K2O多，而含水较少。因此龙岩高岭土和星子高岭土中均含有一定量的伊利石，而临沧高岭土不含伊利石。

图1 不同高岭土的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of different kaolins（a：Longyan kaolin； b：Lingchang kaolin；c：Xingzi kaolin）

三种高岭土以星子高岭土中高岭石晶相的衍射峰强度最高，说明星子高岭土的结晶度最高。其余两种高岭土的衍射峰强度相对较弱，结晶程度也较差。

2.2 不同产地高岭土的差热-失重分析

图2 不同高岭土的差热和失重曲线Fig.2 DTA-TG curves of different kaolins(a)Longyan kaolin; (b)Lingchang kaolin; (c)Xingzi kaolin

图2为三种高岭土样品的差热和失重分析曲线。根据图2得到的3种高岭土的放热峰值和热失重数据见表2。从图2三幅DTA-TG曲线上可以看出，(1)三种高岭土均在100 ℃附近有一V型的吸热谷，并伴随微量的失重，表明三种高岭土中均含有一定量的多水高岭石，多水高岭石于100 ℃左右放出层间水，形成一个明显的吸热谷。有研究表明，100 ℃附近低温吸热谷的出现与矿物中层间水的存在有密切关系[6]。因为纯高岭石的差热曲线低温时没有热效应或只是形成一微小的吸热谷[6-8]。由于纯高岭石不含层间水，只是含有少量吸附水，因此低温的热效应很小。(2)在520 ℃附近出现一强的深V型吸热谷，并伴随11～13%的失重，这是由于高岭石发生脱羟基反应转变为偏高岭石，失去结构水所导致，之后残余结构水继续排除，直至800 ℃；(3)在1000 ℃附近产生一尖锐的放热峰，对应没有失重，这是由偏高岭石经硅铝尖晶石转变为莫来石和方石英所致[7]。由于硅铝尖晶石结构中空位较多不稳定，继续加热会转化为热力学稳定的莫来石而分离出方石英。

与龙岩高岭土和星子高岭土不同的是，在差热曲线上除100 ℃低温吸热谷外，临沧高岭土还在277℃出现了一个小的吸热谷，而其余两种高岭土仅出现了100 ℃的低温吸热谷。这说明临沧高岭土中含有的层间水最多，多水高岭石含量最多。因为粘土矿物400 ℃之前主要是脱除吸附水和层间水，临沧高岭土由于存在大量的层间水，因层间水的继续逸出致使277 ℃出现一个小的吸热谷。

500～600 ℃中温吸热谷与矿物结晶度、粒度和加温速度等条件有明显关系[6]。星子高岭土的两个吸热谷值均比前两者高10 ℃左右，这说明星子高岭土的结晶度最好。这是因为弱结晶的高岭石排除结构水比结晶完整的高岭石要容易得多，结构发生变化的温度也较低，吸热焓也较低。所以这种温度的变化是高岭石由于结晶程度不同而引起的。中温吸热谷有时也受颗粒大小的影响，据S.斯皮尔等研究，随着高岭石粒度减小，中温吸热峰的温度逐渐降低[9]，所以可推测星子高岭土的粒度比前两者更大一些，后面的电镜照片也证实了这一点。

从失重曲线可看出，星子高岭土由于结晶度最好，其脱水曲线在400 ℃以前是一弱的较平直的曲线，400 ℃以后随着加热温度的升高，晶格羟基的脱失，重量突然减少而形成一个陡直的坡状曲线，见图2(c)。龙岩高岭土的结晶度较差，矿物组成中也含有一定量的多水高岭石，由于多水高岭石比高岭石含稍微多一些的层间水，因而100 ℃以前为一稍陡的斜线，100～400 ℃失重曲线稍平缓，见图2(a)。临沧高岭土因多水高岭石含量最多，其矿物组成主要是多水高岭石，由于大量层间水的存在，其脱水曲线加温开始以后就迅速的失重，从室温到400 ℃一直都是较陡的斜线，见图2(b)。

表2 三种不同产地高岭土放热峰值和热失重数据Tab.2 The exothermic peak and thermal weight loss data of different kaolins

图3 不同高岭土样品的SEM照片Fig.3 SEM images of different kaolins

此外临沧高岭土在300 ℃以下的失重量也最多，达到3.6%，而龙岩高岭土为1.73%，星子高岭土仅有1.03%。这进一步证实临沧高岭土中的多水高岭石含量最多，龙岩高岭土其次，而星子高岭土中所含的多水高岭石最少。因而龙岩高岭土中含有一定量的多水高岭石，且高岭石结晶度差；临沧高岭土以多水高岭石为主，星子高岭土以结晶良好的高岭石为主。这和XRD的分析结果相一致。

2.3 不同产地高岭土的显微结构分析

高岭土的形貌观察是高岭土结构研究的重要部分，本文对这三种高岭土进行扫描电镜观察，结果见图3。

图3(a)、3(b)和3(c)分别是龙岩高岭土、临沧高岭土和星子高岭土的SEM照片。从图3可以看出，龙岩高岭土为片状和管状的混合结构，其中片状为高岭石和伊利石，管状为多水高岭石。片状晶形为假六边形，有的晶角已变钝，呈不规则形状，结晶度较差。临沧高岭土主要以卷曲的短管状或颗粒状的多水高岭石为主，此种颗粒状的多水高岭石可能是由管状体卷曲形成的颗粒，颗粒细小，几乎看不到片状的高岭石，这也说明了临沧高岭土中含有的多水高岭石最多。而星子高岭土多由规则的叠片状（层状）高岭石矿物组成，含极少量的管状多水高岭石和不规则的小的板条状伊利石。层状高岭石的厚度相差不大，边缘具有一定的规则，颗粒之间堆积非常紧密，近于平行紧密的排列在一起，结晶程度高，颗粒尺寸较大，这与XRD和DTA-TG分析结果相一致。

3 结 论

（1）龙岩高岭土由多水高岭石、高岭石和伊利石组成，临沧高岭土的矿物组成以多水高岭石为主，星子高岭土的矿物组成以高岭石为主，且三种高岭土中均含有一定量的多水高岭石，其中临沧高岭土中的多水高岭石含量最多，龙岩高岭土其次，而星子高岭土中所含的多水高岭石最少。

（2）三种高岭土中以星子高岭土的结晶度最高，龙岩高岭土和临沧高岭土的结晶程度较差。

（3）龙岩高岭土为片状和管状的混合结构；临沧高岭土则大多呈卷曲的短管状；星子高岭土大部分为叠片状结构，且颗粒较大。

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Composition and Structure Comparison of Several Common Kaolins

BAO Zhenhong, JIANG Weihui, MIAO Lifeng, Wei Hongbin, Wu Qian
(National Engineering Research Center for Domestic and Building Ceramics, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China)

The mineral composition and microstructure of kaolins from Longyan, Lincang and Xingzi were studied by XRD, DTA-TG and FE-SEM. The results show that all the three kaolins contain a certain amount of halloysite. The halloysite content of Lincang kaolin is higher than that those of others. Longyan kaolin is constituted of halloysite, kaolinite and illite. The main mineral component of Lincang kaolin is halloysite. Xingzi kaolin is mainly composed of kaolinite. Xingzi kaolin has the highest crystallinity of the three. Longyan and Lincang kaolins have poor crystallinity. Longyan kaolin has the mixed structure of sheets and tubes. Lincang kaolin has the structure of short curly tubes. Xingzi kaolin is mainly of sheets in structure, and its crystal grain size is large.

kaolin; halloysite; crystallinity; tubular

TQ174.4

A

1000-2278(2014)01-0053-04

2013-10-10。

2013-10-21。

包镇红(1982-),女，硕士，讲师。

江伟辉(1965-)，男，博士，教授。

Received date:2013-10-10. Revised date:2013-10-21.

Correspondent author:JIANG Weihui(1965-),male,Ph.D.,Professor.

E-mail:jwhjiang@163.com