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1、第 3 2 章矿物材料加工 刘新海 郭珍旭 冯安生(中国 地质科学院郑州矿产综合利用研究所)矿物材料(m i n e r a l m a t e r i a l s)是2 0 世纪8 0 年代初由地质学工作者提出的一个新概念，是矿物学、岩石学、材料科学等多学科综合、交叉、渗透的结果。随着社会进步，高新技术产业的发展和需求已逐渐形成一门新的学科。一般认为:矿物材料是在工农业生产和日常生活中具有应用价值的天然矿物、岩石及其制品和仿制品。其含义包括四 个方面:能被直接利用或稍经加工处理(如破碎、选矿、切害 J、改性等)即可利用的天然矿物或岩石;以天然的非金属矿物、岩石为主要原料，通过物理化学反应(如
2、焙烧、熔融、烧结、胶结等)制成的成品或半成品材料;人工合成的矿物或岩石;这些材料的直接利用目 标主要是其自 身具有的物理或化学性质，而不局限于其中的个别化学元素或化合物E l l。显然，矿物材料属于无机非金属材料范畴，涉及范围非常广泛，研究方向十分活跃。本评述主要对近5 年(2 0 0 0-2 0 0 4)矿物材料研究的一些重要发展方向及其应用前景进行了总结。3 2.1 纳米矿物材料 纳米材料由于具有量子效应、小尺寸效应及表面效应，呈现出 许多特有的物理、化学性质，已 成为物理、化学、材料等诸多学科研究的前沿领域。自1 9 9。年在美国 召开“第一届纳米科学和技术讨论会”以 来，各国 科学家积
3、极参与纳米材料的研究，不断发现纳米材料的特殊性质，使纳米材料的开发、制备技术和实际应用得到了 迅速发展 2-5 1 0 纳米技术的开发和应用己风靡全球，在今后相当长的一个时期里，仍将是材料领域的研究热点和前沿课题。纳米科学在矿物材料领域的应用起步较晚，但天然矿物中的各种纳米级别结构早己引起人们的重视。许多 天然矿物(如沸石类、勃土类矿物及其改性化合物)具有纳米级孔道结构以及离子交换、吸附 性能;绝大部分天然矿物具有纳米尺度的参杂结构，层状结构的矿物的层间结构可被扩充或压缩;纤维状结构的矿物可以被剥离为径向呈纳米级的单纤维。可以预料，纳米科学和纳米技术的 研究成果将在矿物材料研究领域产生更为广泛
4、的影响，矿物纳米结构的研究，纳米级矿物材料的合成、制备、改造、性能研究及应用将成为矿物材料重点研究的方向之一。其中，纳米级的矿物粉体的制备、矿物纳米介孔结构的改造及其应用将得到优先发展。矿物材料在纳米科技中的应用意义主 要体现在两个方面 s 7:一方面是某些矿物如高岭石、蒙脱石等由于 其具有层状结构特征，可以 通过层间插层和层离技术得到纳米矿物材料。这不仅为矿物材料在高新技术领域的应用开辟新的途径，而且与传统的纳米材料制备技术如物理的蒸发冷凝法、离子溅射法、机械研磨法、低温等离子体法、氢脆法、电 火花和爆炸法，化学的液相反应法、气相反应法和固 相反应法相比，具有原料丰富、工艺简单、成本低廉等特
5、点，应用前景十分广泛。另一方面纳米介孔矿物材料和生物矿物材料为纳米材料的合成提供第3 2 章矿物材料加工.5 0 7.了新的模板和自 组装思路，为纳米科技的发展提供新的生长点。3 2.1.1 稀土纳米材料 稀土纳米材料集稀土特性和纳米特性于一体，具有其他材料所不具备的优良特性，应用前景广阔。稀土元素外层电子结构基本相同，而内层电子结构4 f 电子能级相近。但是其内层4 f 轨道未成对电子多、原子磁矩高;电 子能级极其丰富，比 周期表中 所有其他元素电子能级跃迁的数目多1-3 个数量级;另外稀土金属活泼，几乎可与所有元素发生作用，容易失去电子形成多种价态、多配位数(从3 到1 2)的化合物，因此
6、稀土在激光、发光、信息、永磁、超导、能源、催化、医 药、生物等领域有广泛的应用前景 2 1。稀土纳米化(1.1 0 0 n m)后，表现出 许多特 性7 1，如 小尺寸效应，高比 表面效应，量子效应，极强的 光、电、磁性质，超导性，高化学活性等。在光学材料、发光材料、晶体材料、磁性材料、电池材料、电子陶瓷、工程陶瓷、催化剂等高科技领域，将发挥重要的作用，因此研究稀土的性质和性能在2 1 世纪具有重大的科学意义。稀土纳米材料作为一种新型的功能材料，是近年来发展起来的一门全新的科学技术，它将成为新世纪最重要的高新技术，将越来越受到世界各国科学家的关注。稀土纳米材料的研究与发展必将引起材料工业的发展
7、与变革，以及引起材料学理论上的发展乃至建立新理论体系，以适应纳米尺度的研究需要，使稀土纳米材料具有更佳的性能，使新的性能、功能的出现成为可能。人们期待着稀土纳米材料在各行各业乃至日常生活中得到更广泛的 应用$1。从人类未来发展的 角度看，可持续发展将是人类社会进步的唯一选择。稀土纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化，将极大节约资源和能源，减少人类对其过分的依赖，并促进生态环境的改善。3 2.1.2 金属纳米材料 金属纳米材料自 诞生以来对各个领域的影响令人瞩目，这主要是因为纳米材料往往“身怀绝技”，有特殊的用途。现列出一些金属纳米材料在实际中的主要用途:钻(c o)高密度磁记录 材
8、料。利用纳米钻粉记录密度高、矫顽力高(可达1 1 9.4 k A/m),信噪比 高和抗氧化性好等优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘的 性能 9-1 0 7 0 金属纳米粉体对电磁波有特殊的吸收作用。可作为吸波材料，具有频带宽、兼容性好、质量小、厚度薄等优点。美国 新近开发的含“超黑粉”的纳米复合材料，吸波率达9 9 0 0。法国研究者采用真空沉积法把N i C o 合金及s i c 沉积在基体上形成超薄电磁吸收纳米结构，再粉碎成 微屑并制 成纳米材 料，吸波频率达5 0 M H z-5 0 G H z E 7。铁、钻、氧化锌粉末及碳包金属粉末可作为军事用高性能毫米波隐形材料、可见光一红外线
9、隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。另外，纳米铝、铜、钻、镍、铁粉体及其合金纳米粉体可用于表面涂层材料、高效催化剂、导电 浆料、磁流体、高效助燃剂和铝基纳米复合材料等方面 1 2 03 2.1.3 纳米矿物复合材料 聚合物一 赫土复合材料是典型纳米矿物复合材料，它是利用层状勃土矿物的吸附性、离子交换性和膨胀性的特点，将许多单体或聚合物嵌人到矿物的层间域而得到。这种复合纳米矿物材料具有独特的纳米晶体结构特征和表现出协同效应，从而使这种新型材料一方面表现出勃土矿物优良的强度、尺寸稳定性和热稳定性，另一方面又具有聚合物的韧性，可加工性和5 0 8 第三篇选矿专题评述介电性能。目 前，国内
10、 外有机 一 无机纳米复合材料的 制备方法一般分为三 种类型 13-2 6 1:一是纳米粒子直接分散法，该方法是制备纳米复合材料最直接的方法，适用于各种纳米粒子;并且这种方法在工业上实现最容易，它最接近目 前的工业生产方式。但是，由于纳米颗粒具有很高的表面自由能，很容易发生团聚，故采用这种方法时必须将纳米粒子很好的预分散，否则，纳米粒子将在高分子基体中以团聚体存在，影响复合材料的性能。通常通过表面改性对纳米粒子进行表面处理，减小无机纳米粒子和高分子聚合物的界面能差异，从而达到均匀分散，并使两相具有良 好的亲和性。这种方法还包括高分子溶液共混、熔融共混和机械共混等几种加工方法。其中 熔融共混就是
11、在高分子塑炼机械如开炼机等上将高分子聚合物熔融，然后加人纳米无机粒子，在机械力作用下塑炼成为复合材料。二是插层原位聚合法，该方法是将聚合物单体通过交换、插层的方法插人到层状无机物的片层之间，然后加人引发剂，进行单体聚合，合成高分子聚合物。由于高分子聚合将仅仅1 n m左右的无机物片层撑开，均匀分散在高分子中，这样就得到了纳米复合材料。根据无机物片层的撑开的程度，可以将这种方法合成的 纳米复合材料分为插层型和剥离型。三是熔胶一 凝胶(s o l-g e l)法，该方法是将烷氧基金属或金属盐等前驱物在一定条件下水解缩合成溶胶，然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶。余丽秀等人研究了 熔体挤出
12、法蒙脱石/尼龙6 纳米复合材料制备、性能、影响因 素及应用前景。将自 制的改性蒙脱石同尼龙6、稳定剂、硬脂酸等混合均匀后，用双螺杆挤出机挤出造粒，制备的蒙脱石/尼龙6 纳米复合材料拉伸强度8 4.4 1 M P a、抗弯强度1 1 5.4 0 M P a、热变形 温 度(0.4 5 M P a)1 8 9 0C 。林蔚等人研究应用熔融插层法成功地制备了聚苯乙烯 一 蒙脱石纳米复合材料，对蒙脱石的结构变化、复合材料的力学性能、耐热性、阻燃性及抗溶性进行了分析。以十六烷基三甲基嗅化馁改性钠基膨润土与聚苯乙烯熔融插层，制备了 无机一 有机纳米复合材料，蒙脱石层间距由于改性剂及插层剂的进人而逐次增大。
13、复合纳米材料由于纳米尺度效应和界面粘合性，使复合材料的耐热性、阻燃性、抗溶性提高，扩大了复合纳米材料的 应用范围。聚苯乙烯一 钠基膨润土复合材料与其他聚合物复合材料相比 具有较好的 力学能 2 8)0 王立新等人首先用有机胺对蒙脱石(N a-基膨润土)通过离子交换反应进行改性，然后将改性后的蒙脱石与双酚A型环氧树脂在搅拌下充分混合，热模浇铸，制备出环氧树脂一 蒙脱石纳米复合材料，讨论了 影响材料形成的各种因素。利用T G A,X R D,T E M,D M A等手段表征了材料的结构和性能;并对其形成机理进行了初步探讨。定量计算结果表明:形成纳米复合材料的推动力是环氧树脂在蒙脱石晶层间的固 化反
14、应热 2 9,3 0 1 0 李桂英等人进行了聚酞亚胺/蒙脱石纳米复合材料的制备、结构、性能及应用等方面的研究。利用聚合物大分子溶液插层法和单体溶液插层原位聚合法制得的聚酞亚胺/蒙脱石纳米复合材料比 传统复合材料有更优异的力学性能、热性能和气、液阻隔 性能，且掺人少量改性蒙脱石以后聚酞胺酸脱水环化的反应时间和反应温度都有所改进。对有机可溶性聚酞亚胺来说，少量蒙脱石的加人不仅未影响其溶解性，反而在含量低时其溶解性增强。由于纳米粒子尺寸小于可见光波长，材料仍然具有高的 光泽性和良 好的透明度。这些性能的提高都是因为蒙脱石在聚酞亚胺基体中的扩散达到了纳米水平，形成了二维稳定性，因此复合材料可适应于特
15、殊条件下工作的精密零件和微电子工业的各种要求，从而拓宽了聚酞 亚胺的 应用领域 3 1 0 范丽珍等人用离子交换法对蒙脱石进行有机及无机改性，制备了3 种改性蒙脱石。采用溶液浇铸法分别对3 种改性蒙脱石与聚氧乙烯、L i C l q进行复合制备了聚合物电解质膜。用X射线衍射对改性前后的蒙脱石及部分电解质膜进行了结构表征。采用交流阻抗法对复合型电 解质膜的离子电导率进行了测试。结果表明:一定量的改性蒙脱石可以使(P E O)第 3 2 章矿物材料加工.5 0 9.1 6 L i C 1 0 4 的 离子电导率 提高几倍到几十倍。改性蒙脱石对基体离子电导率提高程度的不同取决 于 改 性 蒙 脱 石
16、 的 含 量 和 结 构 3 2 7 0 顾圆春等人以新型聚烯烃弹性体P O E为增韧剂，以纳米高岭土为增强剂，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P O E对P P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P P/P O E还有增强作用并大大减缓了因P O E的 加人而导致复合体系强度的降低 3 3 7 徐曼等人为了提高 橡胶电缆的使用寿命，通过在橡胶电缆料中加人不同种类、粒径的纳米 S i q、Z n O、A 1 2 q和经过不同方法进行表面
17、处理的无机纳米粒子，改善了对橡胶基体机械、硫化、介电等性能。结果表明:不同的纳米粒子及添加量对橡胶性能的影响不同。总体上看，纳米粒子的加人能够对橡胶起到改善强度、韧性等机械性能、缩短硫化时间等作用，同 时不 使橡胶 原有的 优良 介电 性能恶化，并且在 某些方面还有一 定的 提高 3 4 7 0 随着纳米矿物材料的发展，纳米矿物材料的超细和提纯还需要进一步研究;由于纳米矿物晶体研究刚起步，许多参数的测定需要技术上支持;纳米矿物空间结构的几何构型、空间电荷构型、物理化学性质及其内外表面的过渡部位都需要深人研究。3 2.2 能源矿物材料 随着我国石油、天然气的开发和固井技术的进步，非金属矿物在油气
18、钻井中得到广泛应用。特别是西部大开发 对石油、天然气等重点工程的建设，如连接s 省市投资1 2 0 0 亿元的“西气东输”工程，于2 0 0 1 年开始进行千线管道施工，2 0 0 3 年开始输气，这项工程要把天山以南天然气用4 2 0 0 多公里的管道输人华东地区，其规模不亚于三峡工程。石油和天然气的开发，也 为 非 金 属 矿 物 提 供了 商 机 3 5 7 03 2.2.1 重晶石 重晶石是以硫酸钡(B a S O 4)为主要成分的非金属矿物产品，具有密度大、化学性质稳定的特点，主要的工业用途是作石油和天然气钻井泥浆加重剂。在一些油、气井钻探时，由于地下油气压力太大，而私土泥浆重量不够
19、，不能与油、气压力平衡，会发生井喷事故。私土的比 重只有2.5 左右，而重晶石比 重几乎比它大一倍。为增加砧土泥浆的比重，最常用而且有效的方法是加人重晶石粉体。作钻井泥浆加重剂的重晶石，质量要求是比重和细度两方面。重晶石比 重越大，效率就越高，加人量就越少。这样，在较少地改变钻井泥浆勃度等性质的条件下，就可以获得高比重的泥浆。为了在加人重晶石后，泥浆其他性质不至于发生太大变化，重晶石的加人量要控制在一定范围之内，这样就要求重晶石具有较高的比重。重晶石的细度要求是在泥浆中 能均匀分散而不致发生沉降，以保持泥浆稳定。钻井泥浆用重晶石一般细度要达到一3 2 5 目，比 重大于4.2,B a S O
20、4 含量不低于9 5%，可溶性盐类小于1 0 0。石油工业比 较发达的国 家，重晶石产量的5 0%以上用于石油和天然气工业的钻探工程。据统计，钻井每钻进3 0 米就要消耗1 吨重晶石粉，因此重晶石消耗量较大。3 2.2.2 膨润土膨润土是一种以蒙脱石为主要组分的勃土类矿物，具有强烈的吸水性，能吸收相当于本.5 1 0.第三篇选矿专题评述身体积8 倍的水，体积膨胀1 0-3 0 倍，在水溶液中 呈悬浮和胶凝状 态。在进 行油、气钻井等项工作时，要使用泥浆来冷却钻头、清除碎屑、保护井壁及平衡地压。膨润土分散性好、出浆量大，因此是制造钻井泥浆的理想材料。用作钻井泥浆的膨润土，最重要的技术要求是悬浮性
21、质、湿筛分析和水分含量。悬浮性质试验包括制备悬浮液，即 在3 5 0 m 1 的蒸馏水中加入2 2.5 g 的膨润土。悬浮液停放一段时间 后，测定S度和屈服点。屈服点是根据9度计在3 0 0 r/m i n 和6 0 0 r/m i n 条件下的读数计算出 来的。悬浮液的 另一重要要求是滤液试验。在压滤机上对制备好的悬浮液进行试验，测量出 悬浮液的损水体积。根据上述规范，作为钻井泥浆用的膨润土的钻度计刻度盘读数(在6 0 0 r/m i n 时)起码为3 0，屈服点最大值(磅/l o o f t 2)为塑性豁度的3 倍，滤液容积最大为1 3.5。膨润土产率的规范是表示用I t 膨润土制成 1
22、5 厘泊赫度的 钻井泥浆桶数，产率要求为9 0 桶/t。湿式筛分分析规定的 试验是将l o g 膨润土放人含有0.2 g 分散剂的3 5 0 m 1 的 水中 混 合、搅拌、老化、再搅拌，而 后在带 有特定喷 水系统的 筛上冲洗(美国 筛系2 0 0目)，以 后又将筛上物干燥、称重，测出占 原始膨润土的百分数。符合钻井泥浆要求的膨润土的筛余量不应大于2.5 0 0。加工厂发货时膨润土的最大水分含量为1 0 0 0。3 2.2.3 硅藻土 硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩非金属矿物，化学式为S i q n H 2 O，用作油气井减轻剂，是近几年刚刚开发出来的新产品。我国西部的塔北地区塔河油田和大
23、庆油田采用它作固井试验，效果良 好。在石油钻井过程甲，常用的固井材料是水泥。由于水泥制浆密度较大，很容易压裂地层，造成水泥浆大量漏失，影响固井质量，而且极易堵塞油气孔道，污染地层，降低产率。减轻剂硅藻土加人到水泥中制浆，不仅增加造浆量，节约水泥，而且水泥浆流变性变好，析水降低，提高固井体系沉降稳定性，不仅流动度高，早期强度和静胶凝强度发展快，而且有利于防气窜、防水窜，因而提高了固井质量。硅藻土减轻剂经在塔北5 4 0 9.5 2 m的 钻井中 使用，优质率 达到5 0 o，合格率 达9 2 0 0，与不使 用 硅藻土 减轻剂的 钻井相比，固井质量显著提高。3 2.2.4 海泡石/凹凸棒石 海泡
24、石/凹凸棒石是一种富镁的纤维状勃土矿物。它不仅热稳定性能高(在3 5 0 时晶体构造无变化)，而且又是一种适应性强的触变增勃剂。海泡石/凹凸棒石是地热钻井、超深钻井和海上钻井最理想的钻井泥浆原料，用它配制的钻井泥浆在高温下不发生絮凝，在盐水中不受带电荷离子的影响。自1 9 7 7 年至1 9 7 9 年，美国有 8 9口 钻井，加拿大有3口钻井均使用海泡石制备的泥浆。从这9 0 多口 钻井进行调查的结果表明:用海泡石制备的泥浆无毒，不会引起水质污染;作为深井的触变增勃剂，能获得最佳的钻井速度和经济效果;在地热石油钻井中，具有高的抗盐性能和热稳定性能。如美国加利福尼亚州南部英佩里尔谷一带进行地热
25、钻探时，在1 0 口 钻井中 利用了 海泡石作主要 增勃剂，使泥浆成本降 低5 0 0 1 0 0 0。美国 落基山北部，采用由海泡石和经加工的多糖聚合物及氢氧化钙制备的一种新的盐水泥浆系统，使钻探费用降低1 5 0 0 2 5 0 0，该地区已有4 0 多口 钻井使用了这种泥 浆系统。北达科他州邓恩县钻探中 使用海泡石泥浆使钻探成本降低3 0 0 0，并节省钻井时间。第 3 2 章矿物材料加工.5 1 1.3 2.2.5 球粒石英砂 球粒石英砂是油田 防止井喷所用的一种型砂，年用量1 万多吨，过去主要从美国贝克休斯顿公司进口，每吨价格折合人民币6 0 0 0 元。每年用外汇6 0 0 0 多
26、万元。球粒石英砂是一种球粒状无色透明的石英砂，很稀少。目 前在国内仅发现两处:一是河北省行唐县;二是甘肃省兰州市的安宁堡。这两处都已建厂。河北行唐的球粒石英砂，是以球粒石英砂岩为原料，加工成球粒石英砂。年生产规模为5 0 0 0 t，成本1 4 0 0 元/t，售价2 6 0 0 多元/t，比进口价低5 7%。行唐产的球粒石英砂，与美国 产品相比，一是颜色为无色透明，美国的产品为暗黄色;二是主要指标破碎率、酸溶解度均比美国产品低，综合对比，优于美国产品。兰州安宁堡的型砂，均呈圆形颗粒，品质优良。产品不仅销往全国各大油田，还出口 埃塞俄比亚、土库曼斯坦、美国 等国家。近 几年出口 量逐年增加，1
27、 9 9 8 年出口3 万t,1 9 9 9 年出口4.3 万t,2 0 0 0年出口 达到5 万多吨。3 2.2.6 云母粉 石油、天然气钻井行业是云母粉应用的一个传统市场，用粗目 数云母粉(8-2 0目)作钻井工程中 的泥浆填加剂，可增加泥浆在孔壁的着附力，有利于固壁扩壁和减少循环水的渗透损失，对于提高工作效率，防止塌陷事故有着极好的作用。尽管将更多地使用云母代用品，但在短期内，云母在油、气钻井行业中的应用量还会略有增加。石油、天然气是我国大力发展的行业，开发伴随其发展的有关非金属矿物产品，市场前景广阔。3 2.3 环境矿物材料 鲁安怀指出环境矿物材料基本性能包括:矿物表面吸附、孔道过滤、
28、结构调整、离子交换、化学活性、物理效应、纳米效应及与生物交互作用等，旨在发掘、凝炼并新提出继物理方法和化学方法之后，与有机界生物同效的无机界矿物天然自 净化功能的基础理论与应用方法，以发展和完善无机矿物与有机生物所共同构筑的自 然界中存在的天然自净化系统，并就目 前在黄铁矿、锰钾矿、金红石、蛙石、蒙脱石、黄钾铁矾等天然矿物方面已经完成和正在开展的 一系 列环境矿 物材料研究工作进行评述 3 8 0 我国虽拥有丰富的电气石资源，但电气石长期以来是被作为宝石矿物加以利用的，而大量非宝石级电气石矿产资源一直未得到资源化应用，而且非宝石级电气石资源占有相当的比重，对其工业开发应用比 宝石级电气石有着更
29、大的价值和更重要意义。张志湘等人对电 气石具有永久性自 发极化效应，其极化值不受外界电场影响进行了研究。已经证实电 气石颗粒周围存在静电场，而且电气石颗粒能够释放负离子和发射远红外线。利用电气石的这些性质，可将电气石应用于环境与健康领域，如水处理、环保涂料及健康衣料等。因 此，电 气石是一种很有前景的 天然绿色环保材料 3 7 .刘峰等人选用内蒙古赤峰地区天然电气石为原料，加工成电气石超细粉体，用于对Z n 2+离子的吸附试验，分析总结了电气石对重金属的吸附机理。电气石吸附锌的最佳实验条件是，吸附时间为3 0 m i n，电 气石用量为2 0 g/L,p H值等于6.8，吸附温度为3 5 时，
30、对锌的去除率最高;电 气石超细粉体可提高Z n 2+溶液的p H值，其表面具有轻基化作用，主要原因是对Z n 2+有极好的吸附 效果 3 8 3 9 。魏健等人通过对山东鲁西地区电 气石在水处理、电子和声电材5 1 2 第三篇选矿专题评述料、医疗保健中专属性研究及在其他领域中的相关性研究，全面阐 述电气石矿物的物化特性与应用之间的专属性关系。利用选矿分离、精细提纯、超细加工、表面改性、锻烧工艺等技术手段，对矿物进行处理，从而对电气石进行全面技术评价，指出重点应用领域和应用方向。杨胜科等人对海泡石除铅离子的条件及机理进行了实验研究。结果表明，海泡石对去除水中的 铅离子 具有较好的 作用。可以将含
31、P b 1 0 m g/L的 水净化至0.0 5 m g/L以下，去除率达到了9 9%以 上，海泡石与含P b +溶液的 作用时间、海泡石用量、水中P b 2+浓度以 及酸度等 因 素 都 会 影 响P b +的 去 除 效 果 4 1 0 王琼等人对蒙脱石的提纯、人工钠化、有机改性及改性蒙脱石在污水处理中的应用进行了 研究。通过实验证明了 改性蒙脱石对垃圾渗沥液的色度去除率可以达到9 6 0 o，对C O D的去除率可以达到8 4 0 0，且处理方法简单有效，成本低廉。他们指出蒙脱石经过人工钠化改型，用有机阳 离子表面活动剂改性后，其比表面积疏水性能力都得到很大提高，充分利用改性蒙脱石诸多性
32、能进一步研究其在环境化学，特别是在污水处理方面的应用及在处理环境土壤中 有机污染物，如苯酚、苯胺，有机农药的 残留 量等方面都有重要意义 4 2 1.商平等人选用环境矿物材料与超声波相结合的方法处理校园生活污水，分析了温度、流速、珍珠岩与蛙石的粒径、质量及超声波作用时间对污水C O D去除率的影响，确定了最佳试验条件，测试珍珠岩、蛙石在最佳试验条件下的吸附时间和对污水C O D的去除率，污水处理结 果 达 到 国 家 二 级 排 放 标 准 4 3 0 泡沫陶瓷是多孔陶瓷的重要组成部分，具三维空间网架结构，形如钢化的泡沫塑料或瓷化的海绵体，具高气孔率、低容重、耐高温、耐化学腐蚀、抗热震等特点，
33、特别是材料内部存在大量的连通气孔和高比表面能的毛细孔，因而在低流体阻力损失下保持良 好的过滤吸附性能，被广泛地应用于冶金、化工、环保、能源、生物等各个部门，如用作金属熔体过滤、高温烟气净化、催化剂载体和化工精过滤材料等。李金洪等人以聚氨脂泡沫塑料为前驱体，以高岭土、铝土矿和滑石为原料，经配方和工艺设计，制备了以荃青石为主晶相的泡沫陶瓷，制成品 密度为0.3 1 0 -0.4 4 7 g/c m ，气孔率为8 1.7 0 0 -8 7.6%，孔径为0.2.0.5 m m，平均抗压强度为。.9 8 M P a。探讨了 烧成温度对材料气孔率、抗压强度和吸 水率等性能的 影响 4 4 0 另外，天然矿
34、物是一类资源丰富、价格低廉、能源消耗最少、污染少、与环境协调性最佳的材料。一些天然矿物还具有净化环境和修复环境的功能，是理想的环境材料，如沸石、硅藻土、海泡石、坡缕石、蒙脱石、麦饭石、膨胀珍珠岩等许多具有选择性吸附、过滤性能的矿物材料已被广泛应用于工农业生产和环境污染治理。以蒙脱石、沸石等层状、多孔状矿物研制的抗菌材料已用于日 用消费品。铁的硫化物矿物可用于处理重金属污染物。今后一个时期，具有纳米或微米级尺度的多孔结构的矿物材料和用于载体、催化、过滤媒介的矿物材料以及对已有材料的“绿色化”改造，将是环境矿物材料研制、开发的重点。废气、废水治理、工业用水净化、居室净化等领域将是环境矿物材料研究和
35、应用的主要领域。3 2.4 功能矿物材料 矿物材料最广泛的应用领域就是高分子聚合物行业，聚合物工业为矿物材料工业提供了生产高附加值和高性能产品的市场。由于聚合物市场是如此的种类繁多，因此难以将其简单地进行定义和归类划分。而矿物材料产品的价值也是随着最终产品的用途而变化。可是聚合物市场代表了高性能矿物材料产品的未来发展，没有任何其他的市场能这样既需要矿物材料的高性能，又需要它的大数量使用。聚合物工业具有很大的能动性，并且又是以技术为动因而发展的工业，因此它也带动了矿物材料工业以相同的特征向前发展。在过去的十几年里，第3 2 章矿物材料加工5 1 3 工业矿物材料行业有了令人振奋的大发展，可以预见
36、，今后将会有更加令人鼓舞的大发展。毫无疑问，高附加值高性能的矿物材料产品的未来是与聚合物工业的未来发展紧密联系在一起的。刘新海等人对硅灰石功能粉体材料的制备和应用进行了深人研究，实现了超细粉碎一 表面改性一体化，同时保持了针状硅灰石晶体形貌。采用多种方法对改性针状硅灰石进行表征，其活性指数H大于9 5 0 0。产品 应用于绝缘材料中 具有很好的 物理机械性能和优异的电气绝缘性能;产品复配玻纤增强尼龙6 材料具有明显的增强改性效果，其物理机械性能技术指标分别为:缺口冲 击强度为1 4.1 0 k J/m 2、拉伸强度为1 6 0.1 0 M P a、断裂伸长率为1.7 0%0、压缩强度为2 2
37、2.0 0 M P a、弯曲强度为2 5 6.2 0 M P a、热变形温度(1.8 2 M P a)2 0 8.9 0 C 4 5 -4 9 。另外，对珍珠岩、高岭土、伊利石、绢云母等矿物的超细粉碎、表面改性及其在P V C、乙丙绝缘胶、氯丁电 缆护套胶和天然胶等聚合物中的应用及其机理进行了研究，结果表明功能性非金属矿物材料填充补强聚 合物制品 不仅降低生产成本，而且改善了 制品物理机械性能 5 0-5 9 1.高岭土特 别是沉 积型 高岭土 是中国 特有的重要非金属矿资源，被广泛应用于国民 经济各个领域，高岭土在聚合物工业的应用一直是非金属矿物材料研究和企业生产的热点之一。熊传溪等人用硅烷
38、类偶联剂(K H-5 7 0)和高分子偶联剂处理高岭土，研究了高岭土疏水值的变化;制备了高岭土/H D P E复合材料，研究了材料的力学性能。结果表明:在H D P E中填充用偶联剂处理的高岭土，可起到增韧增强作用，其中K H-5 7 0 的最佳用量为2 0 o，高分子偶联剂的 最佳用量为1%;在相同 用量时，高分子偶联剂处理的高岭土比K H-5 7 0 处理的高岭土 具有更好的 增韧增强效果 s o)0 郭蓉、乌 肠 润德等人利用力学测试及扫描电 镜分析等方法，研究了 改 性高 岭土 对P V C 性能的 影响，并与未改性高岭土填充P V C 体系 进行了比 较。结果表明:改性高岭土粒度在1
39、 2 5 0 目、填充量为3 0%时，断裂伸长率较未添加高岭土体系有所提高;改性高岭土较未改性高岭土的分散性与P V C体系的相容性，以及P V C填充体系的力学性能都有一定提高。1 5 0 0 -2 0%的活性媛烧超细高岭土填充P V C 软质电 缆料中，其电性能指标可以 达到或超过国 标J R-7 0 之要求，而且其物理强度指标均超过国标要求 6 1-6 3 1。另外，林海等人对超细煤系锻烧高岭土颗粒表面包覆二氧化钦膜的工艺进行了研究。结果表明，改性温度和改性时间、改性药剂用量、基体悬浮液浓度和搅拌速度是影响包覆效果的关键因素。运用S E M,T E M对最终包膜产品进行了测试分析，表明超
40、细煤系缎烧高岭土颗粒表面包覆了 厚度为1 5 0 n m、均匀 且致密的 二氧化钦薄膜 5 4.6 5 0 重质碳酸钙粉体是一种用途广泛的无机非金属矿物材料，在塑料、橡胶、涂料、胶粘剂等高分子及复合材料领域中有很重要的地位。重质碳酸钙粉填料不仅可以降低材料的成本，还能提高材料的刚性、硬度、尺寸稳定性等物理性能。近年来，在重质碳酸钙粉体制备工艺、表面改性及应用研究非常活跃。如，毋伟等人对苯乙烯接枝聚合改性的重质碳酸钙表面特征分析及形成机理进行研究，认为改性后在重质碳酸钙表面与苯乙烯聚合生成的聚苯乙烯之间形成C 一 一 O 一 一 C键 6 6 1。邓丽等人研究结果表明:某些阴离子、非离子表面活性
41、剂可有效地抑制C a C O 3 晶 粒的团聚，使制得的 碳酸 钙粉体的 粒度小于1 P.m，且分布变窄。另外，在重质碳酸钙粉体干法和湿法制备技术、粉体表面改性技术、晶体形态及粒度控制技术以及应用技术领域都进行了广泛深人的研究 5 7 1.3 2.5 矿物材料发展趋势 非金属矿物材料与高技术和新材料产业、传统产业升级以及环境保护等密切相关，其应用领域涉及几乎所有工业部门和人民的衣、食、住、行等各个方面。未来非金属矿物材料加工技术将重点发展与高技术新材料产业、环境保护、新型建材、特种涂料、生物医学材料等.5 1 4 第三篇选矿专题评述相关的功能性非金属矿物材料或制品的加工技术和设备。综上所述，非
42、金属矿物材料应用范围广泛，市场前景看好。但是，非金属矿物材料的研究开发涉及众多的学科，需要各学科的交叉和协同。由于产业关联及体制等方面的原因，我国非金属矿物材料工业还相对落后，平均技术含量还较低，品种规格也不多，还难以满足相关应用领域的需要。今后应整合材料性能、材料加工以及应用领域的研究人员重点加强应用研究，尤其是非金属矿物新材料的应用研究，以促进我国非金属矿物材料产品品种和产业规模的扩大以及技术水平的提高。切实转变经济增长方式，走科技创新型工业化道路，以矿产资源的可持续开发利用促进和保证经济社会的可持续发展。参考文献1 沈上越，李珍.岩矿材料工艺学【M .武汉:中国地质大学(武汉)出版社，1
43、 9 9 92 张立德，牟季美.纳米材料和纳米结构【M .北京:科学出版社，2 0 0 1,1 -6 03 江龙.量子化尺寸纳米颗粒及其在生物体系中的应用 J .无机化学学报，2 0 0 0,1 6(2):1 8 5-1 9 44 李明怡.纳米材料应用现状及发展趋势 C J .世界有色金属，2 0 0 0,(7):2 0-2 45 李景新.纳米材料及其技术研究进展 C J .材料导报，2 0 0 1,(1):4 66 王林江，吴大清.矿物材料在纳米科技中的应用 J .矿物学报，2 0 0 1,(9):2 5 17 王佛松.展望2 1 世纪的化学 M .北京:化学工业出版社，2 0 0 08 钟
44、金魁，董文魁，丁玉洁等.稀土纳米材料的市场发展研究 月.甘肃科技，2 0 0 4,(4):8 6 -8 79 都有为.纳米磁性材料及应用 J .材料导报，2 0 0 1,(7):6-81 0 T o k u r a Y,T o m io k a Y.Ma g n e t i s m B e y o n d 2 0 0 0 E d i t e d b y F r e e m a n A J,B a d e r S K,N o r t h-H o l l a n d.1 9 9 9 2 0 0 11 1 张恒，张立.纳米复合材料实用化技术前景 J .材料导报，2 0 0 1,(8):2 0 2 2
45、1 2 张代东，王钦清.金属纳米材料的发展动态研究 J .科技情报开发与经济，2 0 0 2,(5):9 01 3 H e r b i e t R N e w M e t a l H 州r o x i d e s w it h I m p r o v e d P e r f o r m a n c e f o r F l a m e R e t a r d a n c y i n P l a s t ic s.P o l y m e r s&P o l y m e r C o m p o s i t e s,2 0 0 0,(8):5 5 1 -5 5 51 4 T h o m a s N L
46、,H a r v e y R J.F o r m u l a t i n g R ig id P V C t o O p t im is e F l a m e R e t a r d n c y a n d S m o k e S u p p r e s s io n,P o l y m e r&-P o l y m e r C o m p o s i t e s,2 0 0 0,(7):5 4 5 -5 5 31 5 E l l s w o rt h M W,G in D L,e t a l.R e c e n t A d v a n c e s i n t h e D e s i g n
47、 a n d S y n t h e s i s o f P o l y m e r-I n o r g a n i c N a n o c o m p o s i t e s,P o l y m e r N e w s,1 9 9 9,(2 4):3 3 1 3 4 11 6 C a r o t e n u t o G.P r e p a r a t io n o f N a n o s i z e d F i l l e r s f o r P o l y m e r-B a s e d N a n o c o m p o s it e s:A n a l y s i s o f t h
48、e P a rt ic l e G r o w t h Me c h a n is m,P o l y m e r N e w s,2 0 0 1,(2 6):1 1 9 -1 2 31 7 Wa n g Z h e n g z h o u,Q u B a o j u n,e t a l.C o m b u s t i o n C h a r a c t e r i s t i c s o f H a lo g e n-F r e e F la m e-R e t a r d e d P o l y e t h y l e n e C o n t a i-n i n g M a g n e s
49、 i u m H 州r o x id e a n d S o m e S y n e r g i s t s,J o u rna l o f A p p l ie d P o l y m e r S c i e n c e,8 1:2 0 6 -2 1 41 8 P o l y m e r ic Ma t e r ia l s a n d F 1 a m e R e t a r d a n t s f o r Wi r e a n d C a b l e,P o l y m e r N e w s,1 9 9 9 2 4:1 6 4 -1 6 51 9 G u l y a s J,R o s
50、e n b e r g e r S,e t a l.C h e m i c a l Mo d i f i c a t i o n a n d A d h e s i o n in C a r b o n F i b e r/E p o x y Mi c r o-C o m p o s i t e s:C o u p l i n g a n d S u r f a c e C o v e r a g e,P o l y m e r C o m p o s i t e s,2 0 0 0,2 1:3 8 7.3 9 52 0 H u a n g J u n c h a o,Z h u Z i k