中国矿业大学学报 Journal of Ch ina U n iversity of M in ing & T echno logy

第32卷第3期 2003年5月

V o l. 32 N o. 3 M ay 2003

文章 编号 : 100021964 (2003) 0320332204

煅烧温度对高岭石结构及电绝缘性能的影响

许红亮1, 2 , 刘钦甫3 , 丁述理3

(1. 同济大学材料科学与工程学院, 上海 200092; 2. 郑州大学材料工程学院, 河南郑州 450002;

3. 中国矿业大学资源与安全工程学院, 北京 100083)

摘要 : 对大同矿区太原组8号煤层底板的高岭土进行了煅烧实验, 并做了 X 射线衍射 (XRD )、红 外光谱 ( IR) 测试. 结果表明: 煅烧温度对高岭土中高岭石的结构及性能影响很大. 500℃前煅烧 时高岭石晶体结构未受破坏或影响较小, 600℃时高岭石脱除大量羟基而解体为 Si- O 四面体片 和A l- O 八面体片, 且随煅烧温度的升高, 高岭石晶体结构解体加剧. 950℃时生成无定形 SiO 2 和 Χ2Al2O 3 , 以及少量的A l- Si 尖晶石相及其过渡相. 煅烧高岭土的理化性能随煅烧温度而异, 用500℃煅烧高岭土填充电缆绝缘橡胶时, 击穿电压等指标最高, 电绝缘性能最好. 关键词 : 煤系高岭土; 煅烧温度; 结构; 电绝缘性能 中 图 分 类号 : TD 985 文 献标识码 : A

煤系高岭岩 (土) 是我国具有特色的矿产资源. 由于其中的高岭石含量可高达95%～ 98% , 且铁、 钛等杂质含量非常低, 因此目前被广泛开采, 并被 用于许多领域. 煤系高岭岩通常赋存于煤层的顶底 板或以夹矸形式存在, 以前在很长时期内作为煤矸 石而弃置不用, 造成极大的资源浪费. 近年来随着 人们环保意识的不断增强, 以及矿产资源综合利用 的需要, 开发利用煤系高岭岩资源逐渐受到了人们 的重视.

结构方面探讨煅烧温度对高岭石电绝缘性能的影 响, 为煤系高岭岩的深加工利用提供科学依据.

煤系高岭岩由于普遍含有有机碳而呈黑色或 灰黑色, 通常的加工利用方法是将其粉碎、煅烧, 生 产出煅烧高岭土. 在高岭石受热过程中, 其结构将 发生一系列变化, 从而使其具有一些特殊的应用物 理化学性能. 例如高岭石煅烧以后, 由于失去羟基, 具有优良的电绝缘性能, 因而在电缆和电绝缘橡胶 行业被广泛地用作填料. 尽管有许多人以前对高岭 石加热过程中的结构及物相转变进行了研究[ 1～ 8 ] , 但对其电绝缘性能随煅烧温度变化规律的研究报 道不多. 本文以山西大同矿区煤系高岭岩为原料, 利用 X 射线衍射和红外光谱测试分析技术, 探讨 煤系高岭岩煅烧过程中高岭石结构的变化. 试图从

1 实验 方法

1. 1 样 品制 备

实验样品采自山西大同矿区太原组8号煤层 底板的粗晶高岭岩. 将其粉碎至10Λm , 再置入 马弗炉内, 升温至预定的温度, 分别为300, 500, 600, 700,

800, 950, 保温一定时间, 然后炉冷至室温, 得到

1. 2 样 品 测试

采用X 射线衍射分析(XRD)、红外光谱分析 (IR)测试样品, 揭示煤系高岭土煅烧过程中高岭石 的变化.XRD 分析采用粉末压片法在日本产Dƒ m ax2RA 型 X 射线衍射仪上完成, 实验条件: Cu 钯、40kV,100mA, 阶梯步宽0. 02°,狭缝系统: ΗDS= ΗSS= 1°, l RS = 0.3mm , 单色器. 红外光谱分析采用粉末 固体 KBr 压片法.

不同温度的煅烧高岭土.

将不同煅烧温度的高岭土, 送到北京市朝阳 区电缆厂实验室, 作电缆橡胶填充实验, 并测 试其一些绝缘和机械物理性能.

2 结 果 与讨论

2. 1 X 射 线 衍射分析 ( XRD )

图1为 X 射线衍射分析结果.

收稿日期 : 2002 0 5 2 0 基金 项 目 : 国家自然科学基金项目(40072018) ; 高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划项目 作者 简 介 : 许红亮(19682) , 男, 河南省长葛市人, 郑州大学讲师, 同济大学在读博士, 从事材料学及矿物学研究1

许红亮等: 煅烧温度对高岭石结构及电绝缘性能的影响

第3期

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图1 不同温度煅烧高岭土 X 射线衍射图谱 F ig. 1 XRD pattern s of kao lincalcined at differen t tem peratures (PC00 为未煅烧高岭土; PC01, PC02, PC03, PC04, PC05, PC06分别在300℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 950℃煅烧的高岭土)

从图1可以看出, 未煅烧时, 煤系高岭土中高岭 石的 (001) 衍射峰及 (002) 衍射峰尖锐、对称, 二者 之间的五个衍射峰分裂清楚、对称、尖锐, 基面反射 和非基面反射均强而对称、分解良好. 300, 500℃煅 烧样品的 X 射线衍射图谱与原矿基本相同. 600℃ 煅烧样品的衍射峰全部消失, 是高岭石结构羟基大 量脱除、晶体结构受到破坏而形成非晶质相的结 果. 700, 800℃的 X 射线衍射图谱与600℃基本相 同. 950℃的图谱形态有所变化, 可能是因为A l- Si 尖晶石及其过渡相生成. 因此, 为保持煅烧高岭土

的活性, 不使其向尖晶石和莫来石转化, 需要把煅 烧温度控制在950℃以下.

3620～ 3697cm - 1 区域是高岭石的羟基振动吸 收带. 一般认为3694, 3620cm - 1 吸收峰分别由有序 高岭石的外羟基、内羟基振动形成, 500℃以下煅烧 时, 其形态基本不变; 600℃时合并为一低矮的宽 峰, 之后其峰形及吸收强度基本稳定, 说明600℃煅 烧时羟基大量脱除, 晶体结构发生崩塌, 形成无序 化的非晶质相. 914cm - 1处的羟基摆动吸收峰也在 600℃时消失. 而 3634cm - 1 吸收峰的存在说明 950℃煅烧高岭土中仍然有少量羟基残留.

1099, 1035, 1012cm - 1 为高岭石的 Si—O —Si 振 动吸收峰. 300, 500℃煅烧时, 3个峰仍存在, 但峰形 明显宽化、强度逐渐减小. 600℃煅烧时合并为一个 宽而强的1078cm - 1 峰, 是高岭石脱羟基后晶体结 构受到破坏、分解为 Si—O , A l—O 四面体片和 A l—O 八面体片的结果. 刘长龄、刘钦甫等 (2001) 证明了600℃煅烧高岭石中四面体[M O 4 ] (M = Si, A l) 和八面体[A lO6 ] 结构单元以及残余高岭石晶 体的存在[ 7, 8 ].700, 800℃煅烧时, 峰形未变, 峰位分 别为1087cm - 1 , 1093cm - 1; 950℃煅烧时因生成较 多的无定形 SiO 2而出现较强的1097cm - 1峰.

F ig. 2 IR spectra of of kao lin ite calcined at differen t tem peratures

2. 2 红 外光 谱 分析 ( IR)

红外光谱分析如图2所示.

图2 不同煅烧温度下煅烧高岭石的红外光谱图

793～ 431cm - 1之间为高岭石 Si- O - A l、SiO - Si 或A l- O 的一系列振动吸收峰. 500℃前, 峰 形、峰位基本不变, 但强度显著变低. 600℃后, 该 区 间峰形发生明显变化, 合并为810cm - 1 和 452cm - 1 两个宽峰, 分别为A l- O 和 Si- O 的振动 吸收峰, 强度随煅烧温度升高逐渐增大, 进一步 证实600℃ 煅烧使高岭石的晶体结构崩塌、分 解为 Si- O、Al

以, 煤系高岭土950℃煅烧后已有无定形 SiO 2、Χ2 A l2O 3 及A l- Si 尖晶石生成.

2. 3 烧 失量和白度分析

表1显示, 煤系高岭土的烧失量、白度随煅烧温 度逐渐提高. 300℃煅烧的烧失量主要由吸附水脱 除引起; 300～ 500℃间烧失量的变化由各种有机碳 燃烧产生; 500～ 600℃间的变化由高岭石结构破 坏、大量羟基脱除形成; 此后, 随着少量残余羟基及 表 1 煤系 煅烧 高 岭 土白度和 烧 失量 测试结 果

• O 四面体片和 A l- O 八面体片, 此趋势随煅烧 温度升高而加剧. 950℃煅烧后出现了583cm - 1 吸 收峰, 故不能排除 Χ2Al2O 3 的生成; 1097, 470cm - 1 两个峰也可归结为 A l- Si 尖晶石的特征谱带. 所

Table 1 W h iteness degree and loss on ignit ion

of ca lc ined kaolin

_t_ƒ℃	300	500	600	700	800	950
w (烧失物) ƒ%	3. 33	6. 33	13. 00	15. 00	15. 67	16. 00
白度ƒ%	40	63	70	76	82	87