国内外滑石的应用研究进展

李萍 刘文磊 杨双春 崔爽 张维

 

滑石是一种机械性能良好、化学性质稳定、白度高同时兼具较好的润滑性、热稳定性、吸附性、悬浮性和流变性的镁质硅酸盐。世界滑石探明储量约8亿吨，远景储量为20亿吨以上。我国滑石探明储量为2.5亿吨，居世界第二位，年产量约为世界年产量的40%，是出口量最大的国家。其中以辽宁、山东、广西、江西和青海产量最高，占全国产量的90%左右。滑石因机械性能好、化学稳定性，已用于橡胶树脂及陶瓷制造等行业。近年来国内外学者对PP(聚丙烯)复合滑石材料、功能涂料、润滑改性剂、陶瓷强度改良剂等方面研究较多。本文综述了滑石粉在上述领域的相关应用研究进展情况。

 

2.1 pp-滑石复合材料的应用研究

 

滑石粉热稳定性及化学稳定性好，可填充于聚丙烯(PP)制得PP复合滑石材料，改善其机械性能缺陷，并提高其韧性、耐久性。有研究表明，滑石粉含量为20wt%时，PP材料的弯曲强度最强;当滑石粉含量提高到30wt%时，PP材料的冲击韧性和拉伸强度最大。Weon等研究发现PP-滑石复合材料要比PP具有更好的拉伸模量、阻尼特性和更高的结晶温度，但滑石含量过高将导致PP脆化，降低其机械强度。斯巴塔大学有研究人员考察了PP复合纳米滑石粉后的机械性能，研究发现，纳米滑石填充量为20wt%时复合材料机械强度最高，材料韧性和抗冲击强度也均有改良，且降低了PP的生产成本。Duquesne将滑石应用于聚丙烯复合材料中，提高了材料的高温稳定性，但阻燃性能有所下降。有学者研究了自然条件下PP和TPP(滑石复合材料)的形态和机械性能的变化，结果表明，在自然条件下TPP的表面裂纹少;断裂拉伸试验证明TPP机械性能变化小，机械性能比PP高。但作者未考察滑石粒径大小和滑石表面改性对材料的影响。国内外学者还对改性滑石复合PP材料进行了研究。研究表明，经钛酸盐处理后的滑石加入到PP/氯磺化聚乙烯中，可显著改良材料的机械性能，随着滑石含量的增加，其抗张强度、冲击强度和断裂应变降低，而拉伸模量反而增加。作者认为这可能是因为钛酸盐处理的滑石具有良好的润湿性，其分散在PP/氯磺化聚乙烯中能形成共聚混合物，从而改变了材料性能。

 

2.2 PLA(聚丙交酯)—滑石复合材料的应用研究

 

PLA因机械性能和物理性能良好，加工方便，易生物降解等优点被广泛应用。近年来，研究人员在进一步提高PLA材料的性能和降低PLA材料的生产成本方面进行了大量的研究。Shi等研究了滑石对PLA结晶温度的影响，通过DSC(差示扫描量热仪)分析表明，当滑石添加量为1wt%时PLA结晶温度提高10~15℃，作者认为滑石会作为结晶核促使PLA复合材料形成尺寸更小的晶体，增加晶体数量，提高晶体的堆砌密集度，从而有利于提高复合材料的结晶温度，但作者未对复合材料的力学特性及机械性能进行研究。Jain等研究了滑石对PLA的热学性质、机械性能和流变性行为的影响，研究表明，滑石含量为5wt%时，PLA复合材料的结晶度提高30.6%，拉伸模量增大85%，储能模量增加37%，拉伸强度也显著提升;作者采用SEM(扫描电镜)、毛细管流变测量法分析发现，滑石在PLA中有很好的分散性和方向性，且PLA/滑石复合材料的剪切粘度要比纯PLA大。国外对滑石复合PLA材料性能及机理的研究较为深入，而国内学者在滑石复合PLA材料应用方面研究较多。中国工程物理研究院学者对滑石添加量对PLA热学性质和机械强度的影响进行研究，结果表明，随着滑石添加量的增加PLA热降解和热扭曲的温度随之增加，同时其拉伸强度、弯曲强度和模量也随之递增;滑石添加量为18.1wt%时PLA材料韧性显著增强;当滑石添加量过高(>18.1%)时，复合材料将变得易碎、易断裂，导致机械性能降低。上述研究表明滑石粉复合PLA材料在对力学抗性要求较高的汽车制品(如车门、轮圈、车座、天棚材料的汽车部件)中有着广泛的应用前景。

 

2.3 滑石涂料改良剂的应用研究

 

滑石粉具有优异的流变性、黏稳性及悬浮性，这使其添加到涂料中可提高涂料的附着力、平滑度、柔软度及光泽度。有国外学者用硅烷与铈溶胶对锌/滑石复合涂料进行处理，制得功能涂料，结果表明，处理后锌/滑石复合涂料涂层均匀、平整，粗糙度降低;锌/滑石复合涂料经硅烷与铈溶胶处理后生成了硅烷防腐膜、氧化铈或氢氧化铈防腐膜，复合涂料的防腐性能提高。国内外学者已经进行了滑石涂料的相关基础研究，目前滑石在涂料中的具体应用研究也取得了一些进展。有通过添加滑石粉制得新型环境友好型聚合物水泥防水涂料的报告，这种新型材料兼具水泥的硬度及聚合物的弹性等优良特点。另有研究发现向固体有机硅树脂中添加15wt%的滑石粉可制备一种厚膜有机硅化合物涂层，该涂层表面光滑平整无坑洼，这种技术可用于制作各种装饰物、服装等防滑防水涂层。施利毅开发了一种UV固化高硬耐磨阻燃涂层材料，其中的功能填料为经有机改性的滑石粉，涂布了该材料的涂层有较高的硬度、耐磨性和阻燃性，可用于家具地板、塑料等表面。

 

2.4 滑石陶瓷强度改良剂的应用研究

 

滑石粉因具有结构牢固的单元层、机械强度高、质地细腻柔滑和光泽度良好等性质可作为陶瓷强度改良剂用于陶瓷工业中。研究发现，滑石粉在陶瓷坯体中的作用随其添加量不同而不同;当滑石粉添加量为1wt%~2wt%时，可降低烧结温度，提高制品的机械强度及热稳定性;滑石添加量提高到30wt%~40wt%时，粘土中的硅酸铝与滑石中的硅酸镁能反应生成热稳定性高、膨胀系数小的堇青石;当滑石添加量超过50wt%时，烧结后形成的斜顽辉石具有高机械强度及高绝缘性等优点。有学者研制了一种滑石添加量为5wt%～8wt%的多孔堇青石—莫来石复合陶瓷材料，此材料物相组成与体积可控、透气性好、节能环保且成本低廉。上述研究表明滑石对改良堇青石陶瓷的性能有着显著作用。近年来，研究人员对非堇青石陶瓷材料的改良也做了相关研究。Yu提出了一种改变Si3N4多孔陶瓷性能的方法：向Si3N4多孔陶瓷加入20wt%的滑石和粘土，在1700℃烧结2h，此方法下得到的陶瓷材料孔隙率为45.39%，密度为1.663g·cm-3，韦伯模数为16.20，扭曲强度增加到131.59MPa，研究表明，滑石对提高Si3N4多孔陶瓷的性能，降低Si3N4多孔陶瓷生产成本作用显著，但作者仅考察了扭曲度的改变，未考察刚度、拉伸强度、断裂韧性等基本机械性能指标，未能全面反映出材料的性能改变情况。李连喜等研制出一种滑石粉添加量为16wt%～19wt%的硬质日用细瓷，这种细瓷质硬、耐划且坯釉适应性强，可应用于洗碗机清洗的日用细瓷。

 

2.5 滑石润滑改良剂的应用研究

 

滑石具有特殊的层状结构，化学性质及热学性质稳定，且其莫氏硬度为1，这都为滑石作为润滑剂和润滑改性剂提供了有利条件。李保成以滑石粉为主要基体，通过添加氧化铜抗磨剂、三氧化二铝脱模剂和聚丙烯酰胺粘结剂等添加剂，获得了一种新型润滑剂，实验表明，新型润滑剂中滑石粉、Al2O3、CuO和聚丙烯酰胺的最佳质量配比为7∶1∶1∶1，同时发现新型润滑剂摩擦系数随着温度的升高而增大。近年来有研究发现，将滑石添加到润滑剂中可明显降低成本、改良润滑剂性能。Prasad等研究发现，含有5wt%滑石粉的润滑油比含有20wt%~40wt%石墨或石墨和滑石混合的润滑油能更好的降低铸铁设备的磨损率和磨损系数;但滑石含量过高会增加设备的磨损率，原因可能是滑石添加量过高使润滑油变得粘稠、干燥降低了润滑油的润滑性能。印度科研人员研究了滑石添加量对润滑油的润滑性能的影响，研究发现，随着滑石添加量的增加，润滑油的磨损率降低，摩擦产热减少，摩擦系数减小，外加负载性能降低;滑石添加量上升到3wt%～5wt%时将会导致润滑性能降低;当润滑油中滑石添加量过高时，会使磨损损失、摩擦产热、摩擦系数均大于润滑油本身的初值，导致润滑油润滑性能降低。

 

3 展望

 

滑石除了应用于上述PP复合滑石材料、功能涂料、润滑油改性等领域，在污水处理吸附、造纸、金属冶炼、建筑用材改性等领域中也有应用探索，滑石这一优质镁质硅酸盐的研发正处于低品质向精细化过渡的阶段。笔者建议今后滑石行业发展的重点主要集中在以下几方面，一增强滑石改性、复合过程的机理研究，以利于滑石功能材料的进一步开发;二研究有关改性、复合的新方法，提高滑石的应用价值，拓展滑石的应用范围;三开发高性能、低成本、环境友好的滑石复合产品(如滑石复合PLA、滑石复合PP、滑石复合陶瓷、滑石复合润滑剂等);四加强滑石在污水处理、润滑等新领域的基础研究工作，为滑石在这些行业中的应用提供理论支撑。