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黑滑石的特性及在改性塑料中的應(yīng)用
????????我國(guó)黑滑石資源豐富，在白滑石資源日益緊缺的時(shí)代，研究探討黑滑石的特性及在改性塑料中的應(yīng)用十分必要。初步試用結(jié)果表明在不要求白度的領(lǐng)域，黑滑石的增剛作用顯著，應(yīng)用前景良好。
????????1 我國(guó)黑滑石的資源情況、特性及在改性塑料中應(yīng)用的必要性
????????滑石原礦有白、綠、粉紅、灰和黑等色澤之分，顏色主要取決于與滑石共生的其它成份的種類。當(dāng)含有一定量的有機(jī)質(zhì)時(shí)，滑石原礦為灰色或黑色。
????????滑石是重要的工業(yè)原料，我國(guó)是世界上滑石資源大國(guó)，也是消費(fèi)和出口大國(guó)。白滑石因其外觀感覺(jué)好、滑石純度高、片狀結(jié)構(gòu)完善，首先被開(kāi)發(fā)并得到廣泛應(yīng)用。遼寧海城、山東棲霞、廣西龍勝等地的滑石尤為名聲顯赫，遠(yuǎn)銷歐、美、日本等國(guó)。由于長(zhǎng)期高強(qiáng)度、過(guò)度開(kāi)采，優(yōu)等滑石的資源已相對(duì)緊缺，價(jià)格不斷上漲。遼寧海城的優(yōu)等滑石原礦(白色滑石礦)價(jià)格已達(dá)到千元/噸以上，磨成的粉也已達(dá)幾千元/噸。
?黑滑石
????????滑石粉是重要的改性塑料重要的原料之一。滑石粉獨(dú)特片狀(層狀)結(jié)構(gòu)使其填充的塑料剛性顯著提高，即彎曲強(qiáng)度和模量等顯著高于未填充的基料，隨之而來(lái)的是填充改性塑料的熱變形溫度明顯提高，從而為要求高剛性的塑料材料及制品(如汽車保險(xiǎn)杠、洗衣機(jī)殼體等工業(yè)零部件以及環(huán)剛度要求高的塑料管材)加工制造帶來(lái)可行性，而且迄今除價(jià)格更高的云母外，還沒(méi)有性價(jià)比更佳的其它礦物材料可以替代。
????????色澤好、純度高的白滑石的價(jià)格日益上漲的最大影響是造成改性塑料原材料成本的增加，對(duì)于色澤外觀要求高的塑料制品這種態(tài)勢(shì)無(wú)可奈何，但對(duì)于不要求色澤或?qū)ζ湟蟛桓叩乃芰现破罚缙嚤ｋU(xiǎn)杠、雙壁波紋管等塑料制品，只要層狀結(jié)構(gòu)好、增剛效果顯著，其它顏色的滑石也是可以得到合理有效的應(yīng)用的。這不僅是使塑料加工行業(yè)得到性價(jià)比低的改性原料，而且是對(duì)原來(lái)不被重視甚至是被遺棄的有色滑石資源最好的利用，對(duì)社會(huì)做出的巨大貢獻(xiàn)!
????????2 黑滑石的基本特性
????????我國(guó)主要黑滑石儲(chǔ)區(qū)及黑滑石以氧化物計(jì)的礦物組成見(jiàn)表1。
????????表1 我國(guó)主要黑滑石儲(chǔ)區(qū)及黑滑石礦物組成(以氧化物計(jì))(%)
| 產(chǎn) 地 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | TiO2 | CaO | MgO | K2O | Na2O | LOI |
| 江西廣豐 | 55.84 | 0.34 | 0.13 | 4.34 | 27.86 | 11.14 | |||
| 湖南卡棚 | 61.59 | 2.88 | 1.57 | 0.10 | 1.83 | 23.37 | 0.28 | 0.12 | 7.37 |
| 江西九江 | 61.56 | 5.86 | 2.58 | 0.19 | 2.32 | 17.16 | 0.57 | 0.14 | 8.89 |
| 四川豐都 | 61.52 | 2.13 | 1.06 | 2.89 | 22.80 | 9.58 | |||
| 廣東平遠(yuǎn) | 53.10 | 0.49 | 0.48 | 0.07 | 7.18 | 27.17 | 0.02 | 0.12 | 10.92 |
| 廣西陸川 | 57.56 | 1.03 | 0.42 | 1.18 | 28.21 | 10.86 |
????????我國(guó)黑滑石已探明的儲(chǔ)量為6~8億噸，其主要組成的礦物為滑石、石英、方解石、海泡石等，各地黑滑石的礦物組成雖然有顯著差異，但從礦物組成看，它們都與白滑石相似，之所以顯現(xiàn)出黑色，主要是含有3~5%的碳，這在高溫煅燒時(shí)可被燒失。
????????傳統(tǒng)使用的幾種白滑石的產(chǎn)地和礦物組成(以氧化物計(jì))見(jiàn)表2。
????????表2 四種白滑石產(chǎn)地及礦物組成(以氧化物計(jì))
| 產(chǎn) 地 | SiO2 | MgO | TiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | Na2O | K2O | LOI |
| 山西1 | 57.90 | 32.95 | 0.03 | 0.96 | 0.18 | 1.18 | 0.25 | 0.01 | 6.84 |
| 山西2 | 52.92 | 32.59 | 0.11 | 0.44 | 0.26 | 0.11 | 0.78 | 0.72 | 11.48 |
| 山東 | 61.44 | 31.31 | / | 0.50 | 0.10 | 1.30 | 0.01 | 0.01 | 5.52 |
| 海城 | 61.37 | 31.0 | 0.03 | 0.17 | 0.06 | 0.22 | 0.04 | 0.09 | 5.44 |
????????黑滑石經(jīng)高溫煅燒可轉(zhuǎn)變?yōu)榘锥雀叩牡V石。江西廣豐的黑滑石煅燒溫度1250℃左右，在1200℃時(shí)原礦瞬間變白，其密度為2.7g/cm3左右，在強(qiáng)光下在表面上可看到許多發(fā)亮的晶體，主要是CaO的緣故。經(jīng)研磨后的白度可達(dá)93%以上。
????????3 黑滑石的應(yīng)用現(xiàn)狀及在塑料中應(yīng)用探討
????????目前黑滑石原礦主要用作一般陶瓷的坯體，煅燒后可用于高檔陶瓷如拋光磚、釉料。作為填充材料可用于油漆涂料、造紙、紡織等領(lǐng)域。在塑料中應(yīng)用由于傳統(tǒng)觀念以白色滑石為標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)煅燒后達(dá)到較高白度才考慮使用，而煅燒成本高昂，且工藝裝備復(fù)雜，其煅燒后經(jīng)研磨而成的滑石粉的性能及功效未能加以系統(tǒng)研究，因此在改性塑料中的應(yīng)用尚未得到應(yīng)有的關(guān)注和投入。
????????在中國(guó)塑協(xié)改性塑料專業(yè)委員會(huì)的安排和組織下，以山東玉塑管業(yè)公司為主進(jìn)行了黑滑石在增剛要求較迫切而性價(jià)比不能過(guò)高的HDPE雙壁波紋中應(yīng)用的試驗(yàn)，獲得喜人的研究成果。
????????3.1 滑石粉的種類及特性(見(jiàn)表3)
????????表3 不同種類滑石粉的特性
| 代號(hào) | 色澤 | 白度（%） | 粒度（μm） | 325目篩余（%） | LOI | 以氧化物讓礦物組成 | |||||
| D50 | D98 | SiO2 | MgO | CaO | Fe2O3 | Al2O3 | |||||
| H01 | 白色 | 71.59 | 8.47 | 32.77 | 0.07 | 7.13 | 53.93 | 26.72 | 1.22 | 0.97 | 2.13 |
| H02 | 泛綠 | 74.44 | 9.99 | 32.52 | 0.01 | 9.69 | 40.36 | 17.04 | 1.43 | 2.49 | 30.32 |
| H06 | 黑色 | 20.99 | 7.34 | 40.96 | 0.30 | 10.76 | 54.16 | 25.29 | 3.62 | 0.06 | 0.13 |
| H08 | 灰色 | 46.33 | 10.42 | 49.36 | 0.05 | 11.42 | 36.80 | 23.96 | 1.91 | 2.17 | 20.95 |
????????3.2 試驗(yàn)流程
????????3.2.1滑石粉母料及管材制作、性能測(cè)試
?????????對(duì)四種滑石粉使用的表面處理劑種類用量均相同，母粒的助劑用量略有不同，載體樹(shù)脂量均相同。母料制作及波紋管擠出裝備相同，工藝操作條件基本相同。
????????3.2.2滑石粉填充HDPE材料性能測(cè)試樣條制作及性能測(cè)試
?????????3.1 試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表4、表5)
????????表4 滑石粉填充HDPE雙壁波紋管的性能
| 管材 編號(hào) |
添加母料 | 熔體流動(dòng)速率 （g/10min） （190℃，5kg） |
管材米重 （kg/m） |
管材環(huán)剛度 （kN/m2） |
|
| 種類 | 密度（g/cm3） | ||||
| G01 | MH01 | 1.67 | 0.15 | 1.9 | 9.45 |
| G02 | MH02 | 1.62 | 21.1 | 1.9 | 8.67 |
| G06 | MH06 | 1.51 | 5.0 | 1.75 | 8.00 |
| G08 | MH08 | 1.50 | 3.0 | 1.7 | 8.00 |
????????四種滑石粉母料制作雙壁波紋管的管材基料為全新樹(shù)脂HDPE 2480，其與母料用量之比為2 : 1。
????????表5 滑石粉填充HDPE材料的物理力學(xué)性能
| 試樣編號(hào) | 母料種類 | 填充HDPE材料物理力學(xué)性能 | |||||
| 拉伸強(qiáng)度 （MPa） |
斷裂伸長(zhǎng)率 （%） |
彎曲模量 （MPa） |
沖擊強(qiáng)度 （kJ/m2） |
維卡軟化溫度 （℃） |
|||
| 無(wú)缺口 | 有缺口 | ||||||
| ZS01 | MH01 | 24.82 | 63.5 | 900 | 25.0 | 8.4 | 123 |
| ZS02 | MH02 | 22.71 | 72.1 | 750 | 25.0 | 8.3 | 117 |
| ZS06 | MH06 | 23.69 | 72.1 | 900 | 23.8 | 7.5 | 116 |
| ZS08 | MH08 | 22.44 | 59.4 | 600 | 24.2 | 7.5 | 121 |
????????3.2 討論
????????(1)H01 滑石粉是經(jīng)典意義上最好的滑石粉，滑石含量高(以SiO2計(jì))，片狀結(jié)構(gòu)顯著，因此對(duì)雙壁波紋管的增剛作用最為顯著，這也是在意料之中的。盡管使用這種滑石粉的管材米重較高，意味著壁厚，有利于環(huán)剛度提高，但較之G06和G08管材的環(huán)剛度高出18%，僅靠增加壁厚是不可能的。
????????(2)H06是典型的黑滑石，H08是因色深被滑石礦棄置不用的尾礦，不經(jīng)煅燒，將其研磨成粉，用其生產(chǎn)的雙壁波紋管材環(huán)剛度達(dá)到8kN/m2，也有明顯的增剛效果。
????????(3)使用有色滑石研磨成的粉(H06、H08)生產(chǎn)雙壁波紋管，較使用H01滑石粉時(shí)，其加工流動(dòng)性更好。
????????(4)從不同種類母料填充的HDPE材料物理力學(xué)性能上看，經(jīng)典意義上最好的滑石粉(H01)填充的HDPE材料力學(xué)性能最好，拉伸強(qiáng)度、彎曲模量、沖擊強(qiáng)度都是最高的，維卡軟化溫度也比較高，這恰恰說(shuō)明滑石粉的片狀結(jié)構(gòu)對(duì)HDPE的剛性提高是有利的。同時(shí)也應(yīng)看到其它幾種礦粉填充的HDPE材料性能相對(duì)H01 是差一些，但總體上看性能也不錯(cuò)，特別是黑滑石(H06)填充的HDPE材料其彎曲模量達(dá)到和H01同樣的效果，說(shuō)明如果對(duì)填充材料的外觀色澤要求不高，黑滑石的增剛效果還是顯著的。和表4的數(shù)據(jù)對(duì)比，填充材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果所表現(xiàn)出的改性效果是一致的。
????????4 展望
????????初步研究試驗(yàn)結(jié)果表明黑滑石不經(jīng)煅燒只是干燥后直接研磨成粉，具有顯著的增剛作用，且加工流動(dòng)性良好。由于其價(jià)格相對(duì)低廉，因?yàn)樵诓豢燎笊珴傻乃芰喜牧霞爸破肥褂弥芯哂辛己玫男阅軆r(jià)格比，其推廣應(yīng)用前景良好。如果因其游離碳的存在(3~5%)能在塑料耐老化方面有所貢獻(xiàn)(有待證實(shí))就更有用武之地了!
