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黑滑石的特性及在改性塑料中的應(yīng)用
????????我國黑滑石資源豐富，在白滑石資源日益緊缺的時代，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，滑石原礦為灰色或黑色。
????????滑石是重要的工業(yè)原料，我國是世界上滑石資源大國，也是消費(fèi)和出口大國。白滑石因其外觀感覺好、滑石純度高、片狀結(jié)構(gòu)完善，首先被開發(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。由于長期高強(qiáng)度、過度開采，優(yōu)等滑石的資源已相對緊缺，價格不斷上漲。遼寧海城的優(yōu)等滑石原礦(白色滑石礦)價格已達(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?；郦?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)加工制造帶來可行性，而且迄今除價格更高的云母外，還沒有性價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，對于色澤外觀要求高的塑料制品這種態(tài)勢無可奈何，但對于不要求色澤或?qū)ζ湟蟛桓叩乃芰现破?，如汽車保險杠、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)得到性價比低的改性原料，而且是對原來不被重視甚至是被遺棄的有色滑石資源最好的利用，對社會做出的巨大貢獻(xiàn)!
????????2 黑滑石的基本特性
????????我國主要黑滑石儲區(qū)及黑滑石以氧化物計的礦物組成見表1。
????????表1 我國主要黑滑石儲區(qū)及黑滑石礦物組成(以氧化物計)(%)
| 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 |
????????我國黑滑石已探明的儲量為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)見表2。
????????表2 四種白滑石產(chǎn)地及礦物組成(以氧化物計)
| 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。
????????在中國塑協(xié)改性塑料專業(yè)委員會的安排和組織下，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比不能過高的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(見表3)
????????表3 不同種類滑石粉的特性
| 代號 | 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、性能測試
?????????對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材料性能測試樣條制作及性能測試
?????????3.1 試驗(yàn)結(jié)果(見表4、表5)
????????表4 滑石粉填充HDPE雙壁波紋管的性能
| 管材 編號 |
添加母料 | 熔體流動速率 （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 | 母料種類 | 填充HDPE材料物理力學(xué)性能 | |||||
| 拉伸強(qiáng)度 （MPa） |
斷裂伸長率 （%） |
彎曲模量 （MPa） |
沖擊強(qiáng)度 （kJ/m2） |
維卡軟化溫度 （℃） |
|||
| 無缺口 | 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)，片狀結(jié)構(gòu)顯著，因此對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，其加工流動性更好。
????????(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，這恰恰說明滑石粉的片狀結(jié)構(gòu)對HDPE的剛性提高是有利的。同時也應(yīng)看到其它幾種礦粉填充的HDPE材料性能相對H01 是差一些，但總體上看性能也不錯，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，說明如果對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)對比，填充材料力學(xué)性能測試結(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，且加工流動性良好。由于其價格相對低廉，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!
