一、 前言
纳米粘土目前在世界上是一个研究热点，这方面比较典型的是日本丰田中央研究所开发研制并已工业化的尼龙6/层状蒙脱土纳米复合材料。在我国中国科学院化学研究所、北京化工大学、四川大学等高校和科研院所许多研究人员从事这方面的研究[2]，并取得了显著成绩，但在我国尚未成功得到大规模工业化应用。
目前从国内外纳米粘土复合材料的研究和生产现状来看，大都以蒙脱石作为生产纳米粘土的原料，采用插层复合的方法，但该方法工艺复杂，生产成本高，从而使其推广应用受到限制。此外利用插层复合的方法，原料的选择性较小，并且主要在塑料领域研究的较多，而在橡胶等其他领域研究的较少。如若生产出纳米粘土粉体，能够方便地融入到传统的塑料或橡胶等聚合物生产工艺中，无疑将具有极大的市场应用潜力和强大的生命力。
由于高岭土具有比蒙脱石粘土高的白度、晶层表面具电荷中性（蒙脱石晶层具较高的负电荷）以及高岭土粘土矿床通常比蒙脱石粘土矿床含杂质少，因此利用前者生产纳米粘土比利用后者具有更大的优势，例如可以更好地用于白色或浅色橡胶和塑料、白色和浅色涂料，以及成本低廉等。
二、 纳米高岭土的主要性能
山东枣庄三兴高新材料有限公司目前是我国唯一生产纳米高岭土的企业，已达到规模化工业生产。其工业化产品的性能指标如表1和表2所示。可以看出，此种高岭土具有很高的纯度，几乎均由高岭石组成。高岭石片层的平均粒度为300-500nm，片层厚度小于100纳米。根据纳米材料的定义：至少有一维方向尺寸位于1-100nm的材料，即可称为纳米材料。该产品的高岭石片层厚度位于纳米量级，故为二维层状纳米材料。从表2还可以看出，此种产品具有较高的比表面积，优异的悬浮性和分散性能。其分散好的悬浮液，静止数月几乎不发生沉淀。
表1 纳米高岭土化学成分
元素 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | FeO | TiO2 | P2O5 | MnO |
含量 | 44.98 | 35.3 | 0.95 | 0.15 | 1.18 | 0.34 | 0.000 |
表2 纳米高岭土物理性能
<1μm 含量(The size less than 1μm) | >90% |
平均粒度(Average size) | 300-500nm |
层片厚度(Thickness of clay flakes) | <100nm |
平均层片厚度(Average thickness of flakes) | 20-50nm |
比表面积(Surface area) | 32m2/g |
白度(Brightness) | 70-85% |
PH值 | 6.5-8.0 |
吸油值(oil absorption) | 45±5g/100g |
遮盖力(hidden ability) | 0.925 |
水分(water content) | ≤1.0% |
沉降体积(sedimentation volume) | ≥9.0 mL/g |
325目筛余量(325 mesh residue) | ≤0.02% |
分散沉降物(settlement) | ≤0.02% |
三、纳米高岭土的主要应用领域（Applications of Nanokaolin）
1、橡胶中的应用（Application in Rubber）
该产品可用于各种橡胶制品，显著提高其机械物理性能，同时降低其生产成本。特别是在弹性、抗屈挠、阻隔性能和扯断伸长率方面具有优势。在顺丁橡胶、三元乙丙橡胶、天然橡胶和丁腈橡胶中优于白碳黑的补强性能，在丁苯橡胶中接近于白碳黑的补强性能。适合在轮胎胎侧胶、内胎、高尔夫球橡胶、胶丝、丁腈密封橡胶、鞋底橡胶、胶辊、胶棒、输送带橡胶等产品中应用。
表3 纳米高岭土在丁苯橡胶中的补强性能及对比
补强剂 Reinforcing agents
| 伸长率/%(ER) | 拉伸强度/Mpa(TS) | 300%定伸强度/Mpa(ES) | 500%定伸强度/Mpa(ES) | 撕裂强度/KN/m (TRS) | 裂口六级曲挠次数/万次 (RTY) | 弹性/%(El) |
纳米高岭土（NK） | 746.4 | 17.53 | 4.19 | 6.25 | 35.25 | 311 | 50 |
通化白碳黑(PS) | 740.0 | 17.62 | 4.23 | 8.45 | 46.87 | 340 | 41 |
碳黑(N330,CB) | 484.0 | 27.58 | 15.2 | - | 56.07 | 10.5 | 45 |
一般高岭土kaolin | 312 | 3.6 | 3.4 | - | 22.8 |
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|
表4 纳米高岭土与白碳黑在顺丁橡胶、三元乙丙和天然橡胶中补强性能比较
测试项目 Properties | 顺丁橡胶(BR) | 三元乙丙(EPDM) | 天然橡胶(NR) | |||
白碳黑 (PS) | 纳米高岭土(NK) | 白碳黑 (PS) | 纳米高岭土(NK) | 白碳黑 (PS) | 纳米高岭土(NK) | |
邵尔硬度(Hardness) | 77 | 42 | 86 | 64 | 78 | 56 |
扯断伸长率/%（ER） | 260.8 | 796 | 445.6 | 566.4 | 560.8 | 622.4 |
拉伸强度/Mpa(TS) | 5.75 | 7.48 | 13.34 | 17.19 | 16.78 | 26.85 |
300%定伸强度/Mpa(ES) | - | 1.45 | 8.80 | 4.87 | 6.31 | 7.07 |
500%定伸强度/Mpa(ES) | - | 2.04 | - | 11.32 | 13.72 | 17.74 |
撕裂强度/KN/m(TRS) | 36.14 | 19.31 | 58.95 | 34.61 | 35 | 42.85 |
弹性/%(El) | 48 | 58 | 52 | 49 | 46 | 57 |
2、塑料中的应用（Application in Plastics）
在橡塑复合材料中的应用：具有增强增韧功能。
青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室的顾圆春、邱桂学和包艳利用该公司生产的纳米高岭土为增强剂，以新型聚烯烃弹性体POE 为增韧剂, 将传统的弹性体增韧方法和新型的纳米粒子增韧增强手段相结合，采用合金化技术和填充复合工艺, 制得高性能的聚丙烯复合材料。研究结果表明, 纳米高岭土和弹性体POE 对PP 增韧具有协同作用, 呈现的并不是二者独立增韧作用的简单加和, 纳米无机粒子对复合体系PP/POE 还有增强作用并大大减缓了因POE 的加入而导致复合体系强度的降低。（见《塑料工业》，2004年，第32 卷，第10 期，15页-17页）
美国通用汽车公司和蒙特北美公司成功地利用纳米高岭土生产出聚烯烃热塑性弹性体复合材料，使其刚性和韧性提高。他们还将含有纳米高岭土的复合材料用于汽车其它零部件。
在工程塑料中的应用
表5 纳米高岭土在聚丙烯塑料中的测试结果（填充量15%）
样品 | 拉伸强度 σt1/Mpa | 断裂伸长率 εt2/% | 弯曲强度σbf/MPa | 弯曲模量Eb/MPa | IZOD冲击强度(J/M,RT) |
纯聚丙烯 | 38 | 43 | 54 | 1440 | 32 |
填充15%纳米高岭土的聚丙烯 | 39.6±.07 | 75±4.4 | 63.5±0.6 | 1750±40 | 41 |
纳米高岭土用于聚丙烯、聚乙烯、尼龙等工程塑料中，可赋予塑料良好耐热性和力学性能。可用作汽车零部件、储油罐、燃油管道系统、电子接插件、导管、电话机壳体、工具手柄、栏杆、调理器具手把、高润滑低流阻管道；由于其刚性高，可以做薄壁复杂结构制品，减少质量和成本。纳米高岭土还可赋予塑料制品良好的阻燃性能和阻隔性能。
在发泡聚苯乙烯中的应用
美国俄亥俄（Ohio）州立大学的研究人员发现，仅用1%~2%的纳米粘土就能提高发泡聚苯乙烯（EPS）的压缩模量25%。纳米粘土有两个作用，一是作为EPS的增强剂，另一个作用是作为成核剂。
在塑料薄膜中的应用
由于纳米高岭土具有良好的阻隔性能，因此可用于食品保鲜包装，延长食品保质期； 用于农用薄膜中，不仅增加薄膜力学性能、降低生产成本，而且还不影响其透明性，其优良的紫外线阻隔性能有利于提高棚内温度。用于包装印刷材料中，使其具有优异的力学性能和强度，并赋予良好的感官性能。
3、纸中的应用（Application in Paper Making）
作为纸张的涂层材料，可赋予印刷制品和包装纸品高光泽、高白度、高强度，有助于结构化的涂布设计，实现更为优质的视觉效果，光泽效果和印刷效果，可替代价格昂贵的二氧化钛。是高级纸张和特殊纸张的优质涂层材料。
4、在油墨中的应用(Application in print ink)
印刷油墨市场要求高性能的超细粉体作为功能性填料。纳米高岭土在油墨中表现出优异的分散性、极好的光泽和遮盖力、优异的油墨吸收性和干燥性。
5、在涂料中应用(Application in paint)
涂料工业中，纳米高岭土作为增白的体质颜料，具有优异的悬浮稳定性能，长期放置，也不易沉淀。其微细的颗粒可以提高涂料油漆的光泽、增强产品的光泽度、干燥性和遮盖力，同时还具有补强作用。用其取代价格较贵的钛白粉，可以达到相同的效果。
6、在胶粘剂中的应用(Application in stickness)
近年来，胶粘剂正向低粘度、高强度、耐冲击、阻燃等特殊用途方向发展，随着社会对水下胶粘剂更高性能的需求，在环氧树脂胶粘剂中加入纳米填料，以大大提高胶粘涂层的强度、耐磨、耐蚀和其他性能，并降低胶粘剂的成本。
7、在催化剂中的应用(Used as catalyst carrier)
纳米高岭土由于巨大的比表面积和吸附性能，因此可用作石油化工合成行业催化剂的载体，具有良好的稳定性。
8、用作农药载体(used as pesticide carrier)
由于纳米高岭土具有比表面积大、吸附力强、以及较强的离子交换能力、可塑性强等特点，使其可作为颗粒农药、粉剂农药和液体农药的载体。用他做农药载体不但可以使农药充分分散开，而且能够使农药长期缓慢地释放，使药期延长，同时还能改善土壤的结构，有利于植物的生长。
9、在纳米陶瓷中的应用(Application in ceramic glaze)
将纳米高岭土涂抹在普通陶瓷的釉面上，不仅使陶瓷釉面更加平滑，而且还增强釉面活性，使之易于清洁和具备一定的杀菌功能。
10、在高强度混凝土中的应用(Application in high quality cement)
在高强度混凝土中，加入微量（0.5-1.0%）的纳米高岭土，可使其早期强度、抗渗和抗折能力提高20-30%，同时还可作为减水剂，提高料浆的流动性
11、在化纤中的应用(Application in chemical fiber)
该公司开发的聚酯切片和尼龙切片高岭土，由于其微细的粒度，用于聚酯纤维、尼龙纤维或其他纤维中，具有不断丝、可纺性好等优点。同时可以作为功能性的陶瓷粉体，代替价格昂贵的纳米TiO2作为消光剂，同时还具有抗紫外线和远红外保温功能。纳米高岭土用于聚酯纤维中可提高显色性能，并改善其后期加工性能。纳米高岭土优异的悬浮性能和分散性能使其特别适合在湿纺工艺中应用。
四、 结论
纳米高岭土是我国新近开发出来的新产品，虽然问世不久，但已经显示出强大的生命力和广阔的应用前景。该产品在不同应用领域优异的应用性能主要归因于其微细的粒度；特殊的表面处理使其在有机聚合物中呈现良好的分散性；在水溶液种优异的悬浮性能。
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