雷东升1 王学群1 袁继祖2 余永富2
（1.国家非金属矿深加工工程技术研究中心，江苏苏州 215004；2.武汉理工大学，湖北武汉 430070）
摘要 对我国两种不同成因的高岭土的黏度特性进行了较为系统的试验研究，采用复合分散剂和矿物表面修复技术来降低高岭土的黏度，提高黏浓度，取得了良好的效果，并对其作用机理进行了初步探讨［1～3］。
关键词 高岭土；造纸涂料；降低黏度；复合分散剂；高岭土表面修复。
第一作者简介：雷东升（1968—），男，博士，武汉理工大学硕士研究生导师，高级工程师。联系电话：0512-66723682，013962523918；E-mail：leidongsheng@yahoo.com.cn。
一、前言
随着我国造纸工业的迅速发展，造纸工业的技术和装备水平不断进步，高速涂布机获得广泛的应用。高速涂布要求涂布颜料必须具备固含量高、黏度低、流变性好的特性，而我国造纸涂布用的高岭土资源，由于晶体结构和表面形态较差，黏度普遍较高，黏浓度一般为50%～65%，不能满足造纸工业技术进步的要求。本试验选用国内具有代表性的两种高岭土精矿产品（苏州高岭土、茂名高岭土）为原料，通过对黏度特性的研究，采用复合分散剂和矿物表面修复技术来降低高岭土的黏度，改善了其流变特性，最终使苏州高岭土、茂名高岭土的黏浓度分别达到69.14%、70.32%，从而满足我国造纸工业对涂布颜料的要求。
二、试样的性质
（一） X光衍射分析
通过对试样的X光衍射图谱分析，两种高岭土试样中高岭石含量均在95%以上，石英含量5%左右，其他矿物含量很少。
（二）化学成分分析
两种高岭土试样的化学成分分析结果见表1。
表1 化学成分分析（wB/%）
（三）粒度分析
试样的粒度组成见表2。
表2 粒度组成分析（%）
根据涂布造纸的要求，涂料中-2.0μm的含量应在85%以上，且有一定的粒度级配。对两种高岭土的粒度分析可知，试验样品粒度大部分集中于2.0～0.4μm，其他粒级含量较少。其中茂名土粒度则大部分集中在2.0～0.4μm，而且这部分粒级分布较均匀。
（四）透射电镜分析
两种高岭土试样的透射电镜照片见图1、图2。
图1 苏州高岭土透射电镜照片（3×104倍）
图2 茂名高岭土透射电镜照片（3×104倍）
由图1看出，苏州土试样中含有部分管状的多水高岭石，片状结构体解离不够充分，大多呈聚集状态；而图2则显示，茂名土试样为结晶好的六角或近似六角片状结构，解离也较为完全。
三、试验及结果
采用无机分散剂（药剂1和药剂6）、有机分散剂（药剂2、药剂3、药剂4和药剂5）和无机与有机复配的复合分散剂，分别对两种试样进行了黏度特性系列试验和黏度浓度测试［1］。
对两种试样分别按照确定的最佳分散剂方案加入分散剂，充分分散后加入机械挤压机进行表面修复，泥料经烘干、磨粉后测定黏浓度。
（一）分散剂影响试验
在固含量为63%和68%时进行了各种分散剂对苏州高岭土黏度特性影响的试验，结果见图3、图4。
从图3可以看出，在矿浆浓度较低时，上述几种药剂均能使矿浆的黏度降到500MPa·s以下。无机药剂中，药剂1作用比较好；有机药剂中，药剂4和药剂5对苏州高岭土的黏度特性影响比较明显。
从图4可以看出，当矿浆浓度增大时，无机药剂（药剂1和药剂6）的效果就不太明显，而且用量迅速加大；相对而言，有机药剂用量增加不大，其中药剂5的作用比较明显。
在固含量为63%和68%时进行了各种分散剂对茂名高岭土黏度特性影响的试验，结果见图5、图6。
从图5可以看出，在矿浆浓度较低时，上述几种药剂均能使矿浆的黏度降到500MPa·s以下。无机药剂中，药剂1作用比较好；有机药剂中，药剂4和药剂5对茂名高岭土的黏度特性影响明显。
从图6可以看出，当矿浆浓度增大时，无机药剂（药剂1和药剂6）的效果就不太明显，而且用量迅速加大；而有机药剂用量增加不大，其中药剂5的作用比较明显。
图3 苏州土黏度特性曲线（固含量63%）
图4 苏州土黏度特性曲线（固含量68%）
图5 茂名土黏度特性曲线（固含量63%）
图6 茂名高岭土黏度特性曲线（固含量68%）
考虑到有机药剂成本比较高，而且到一定的用量后改善效果就没有明显的增加；而无机药剂价格则相对便宜了很多。所以，选用无机和有机药剂复配试验，以期找出符合现场工艺和成本要求的最佳分散剂组合。
（二）复合分散剂试验
经过许多不同组合搭配试验，确定了对两种高岭土采用药剂1和药剂5的复合分散剂组合。通过不同用量的药剂复配试验（矿浆浓度为68%），最后确定了对苏州高岭土和茂名高岭土，复合分散剂（药剂1用量为4 kg/t；药剂5用量为3 kg/t）为最佳分散剂，其降低黏度的效果最佳。试验结果见表3和表4。
从表3和表4可以看出，采用复合分散剂不仅可以使高岭土矿浆的黏度降到500MPa·s以下（浓度为68%），而且有机药剂5的用量较小，大大节约了药剂成本。因此采用复合分散剂来改善高岭土的黏度特性，是一种较为可行和有效的方法。
从两种高岭土试样中抽取部分小样，经缩分、烘干后，按照GB/T 14563—93规定的高岭土黏度测定方法进行黏浓度测定，结果见表5；再取部分小样，经缩分、烘干后分别加入确定的最佳分散剂，再经充分搅拌分散均匀，然后烘干矿浆、磨碎、过60目筛、缩分、烘干，最后进行黏浓度测定，结果见表5。
表3 不同用量的药剂搭配结果（苏州高岭土，68%）
表4 不同用量的药剂搭配结果（茂名高岭土，68%）
由表5可以看出：加复合分散剂前，两种高岭土黏浓度仅为61.42%和64.03%，加入复合分散剂后，其黏浓度分别提高为68.33%和69.56%。
表5 两种高岭土加复合分散剂前后的黏浓度
表6 两种高岭土加复合分散剂后经表面修复的试验结果
（三）矿物表面修复试验
分别称取一定量的两种高岭土烘干样，按照确定的最佳分散剂方案加入分散剂，充分分散后加入机械挤压机进行表面修复，泥浆经烘干、磨粉后测定黏浓度，试验结果见表6。
由表6可以看出：加复合分散剂后，两种高岭土黏浓度分别为68.33%和69.56%，经表面修复后，其黏浓度分别提高为69.14%和70.32%。
四、作用机理探讨
（一）高岭石的结构
高岭石晶体结构为1∶1型片状硅酸盐，沿001层面解理。在加工过程中会产生两个性质不同的表面，即底面（001面）和侧面（010或110面），这两个面具有不同的双电层结构［2］。根据范奥尔根［3］的理论，高岭石底面电荷是由其晶格中阳离子被低价位的阳离子类质同象替换所引起的，因而带恒定的负电荷；而侧面电荷为断裂的硅氧键和铝氧键形成的羟基化合物的两性解离而产生的，在酸性介质中带正电荷，碱性介质中带负电荷。当介质pH值不变时，高岭石侧面的表面电位也保持不变，为恒电位体系。
正是这种不对称的双电层结构导致了高岭土颗粒在矿浆中极易形成大量的底面-侧面相连接的“T”型絮凝结构［4］，并向空间发展。这种结构的形成不仅阻止了高岭土颗粒在矿浆中分散，而且会使矿浆中相当一部分水被包裹于结构体中，使矿浆的浓度难以提高。只有改变高岭土颗粒表面的电荷性质，使其侧面带大量的负电荷，颗粒之间产生排斥，阻止或破坏“T”型絮凝体的形成，才能使矿浆分散，提高矿浆的黏浓度。
（二）分散剂的作用机理
向矿浆中加入碱性物质，改变矿浆的pH值，使高岭土侧面的负电荷增加（ζ电位负性增大），有利于高岭土矿浆中部分“T”型结构凝聚体的解体，提高矿浆的分散度。但仅靠改变矿浆的pH值还不足以破坏矿浆中“T”型结构凝聚体，还需要加入分散剂，才能在其侧面产生足够的ζ负电位，破坏“T”型结构凝聚体，高岭土颗粒在矿浆中能充分分散。
良好的分散剂应该能提供足以抵消高岭土颗粒之间吸引的两种斥力：一是增加分散体系中颗粒表面的电荷，使颗粒间产生静电排斥作用，即提供静电稳定作用；二是分散体系的颗粒吸附大分子物质，在其表面吸附的大分子链（层）会产生空间位阻，即提供空间位阻稳定作用。因此，为达到最好的分散效果，在碱性环境中（高岭石侧面零点电为6.8左右，矿浆的pH值应在7.0～8.0之间）加入的分散剂或分散剂组合最好能同时产生上述两种作用力。常用的无机阴离子分散剂能产生大量的阴离子，使高岭土颗粒侧面带大量负电荷，ζ电位负性增大，颗粒间产生排斥力，阻止“T”型絮凝体的形成，颗粒处于较为稳定的分散状态；加入高分子聚合物分散剂则能通过其特有的大分子链，一端在颗粒表面强烈吸附，另一端伸向分散介质，使颗粒之间产生较强的空间位阻效应而互相排斥，“T”型絮凝体难以形成，从而在矿浆中处于高度分散状态，使矿浆的黏浓度得到了提高。
（三）表面修复的作用机理
高岭土泥料在机械挤压机的挤压腔内受到挤压、剪切、混合等复杂的作用，并且由于此过程中会升压升温，物料颗粒间的相互作用比较强烈，颗粒会较多地选择以片状定向排列在腔体内运动，以抵制这种强烈的相互作用力，这样高岭土颗粒间的絮凝结构被破坏，颗粒间形成的包裹水被释放出来，并且这种结构遭到强力破坏后很难重新形成；对于未能充分解离的片状高岭土颗粒，在这种高强度挤压、剪切和升温升压的作用下会再次发生更为充分的剥离，并且颗粒的表面之间也会互相摩擦和挤压，使其表面凹凸部分变得平整，断裂处被更小的片状颗粒覆盖，从而在配置料桨时颗粒间的吸引力大大减少，再次形成“T”型结构凝聚体的几率也大大减少，体系的流变特性由塑性变为假塑性，呈现出“剪切变稀”的特点，使矿浆的黏浓度得到提高。
五、结论
1）本试验对国内具有代表性的苏州高岭土精矿、茂名高岭土精矿的黏度特性进行了较为系统的试验研究，找到了一种复合分散剂，并确定了最佳复合分散剂的用量，可使两种高岭土的黏浓度分别提高到68.33%和69.56%。
2）按照确定的最佳分散剂方案加入分散剂，经表面修复后，两种高岭土的黏浓度分别提高到69.14%和70.32%。
参考文献
［1］GB/T14563—93.高岭土.北京：中国标准出版社，1993
［2］张锡秋，等.高岭土.北京：轻工业出版社，1988
［3］杨小生，陈荩.选矿流变学及其应用.长沙：中南工业大学出版社，1994
An Experimental Study on Reducing the Viscosity of Paper Coating Kaolin
Lei Dongsheng1，Wang Xuequn1，Yuan Jizu2，Yu Yongfu2
（1.National Engineering Research Center for Further-processing of Non-metallic Minerals，Suzhou 215004，Jiangsu，China；2.Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China）
Abstract：In this paper the viscosity properties of kaolin of two kinds of origin in China are studied systemically.By adding compound dispersants and repairing the surface of kaolin particles，its viscosity concentration is improved.The mechanisms of the process are also studied preliminarily.
Key words：kaolin，paper coating，viscosity reduction，compound dispersant，the surface repair of kaolin.
目前我 水洗高岭土国高岭土矿点有700多处，对200处矿点探明储量为30亿吨，矿点较为分散。其中煤系高岭土16.7亿吨，主要分布在中国北方的东北、西北的石炭一二叠纪煤系中，以煤层中夹矸、顶底板或单独矿层形式存在。中国是产煤大国，基本上大型煤矿都伴生有煤系高岭土，因而煤系高岭土储量十分丰富。非煤系高岭土1996年探明工业储量14.32亿吨。
与其它非金属资源相比，高岭土不属于中国的优势资源，如按人均算则更为短缺。而且中国高岭土资源的分布比较分散，品位不高，大多数为煤系高岭土（国外很少），需要经过煅烧或改性，用于造纸涂布有天然的局限性。
而且煤系高岭土由于属于煤的伴生矿，难以大规模开采利用。在中国，非煤系高岭土与煤系高岭土储量相当，但绝大多数为管状高岭土，粘度大，不能用于造纸涂布。
据目前所了解资料，只有广东、广西、安徽`河北沙河的高岭土资源可以开发用于造纸涂料，因此资源十分宝贵。河北沙河在90年代中后期曾在国内造纸涂料市场与茂名高岭土有过激烈竞争，但目前已经由于资源不足，逐渐萎缩。
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