凹凸棒土的由来及分布

凹凸棒土简称凹凸土(Attapulgite)，又名坡缕石(Palygroskite)。1862年俄罗斯学者萨夫科夫(Tsavtchenkov)最早在乌拉尔的坡缕缟斯克(Palygorsk)矿区的热液蚀变带中发现了该矿物，于是据产地命名将它命名为坡缕石。1913年费尔斯曼(AE.Fersman)将该矿物正式命名为Palygorskite，中译名为坡缕缟石、坡缕石。1935年，法国学者拉帕伦特(J.D.Lapparent)在美国奥特堡(Attapulgus)等多处的沉积岩的漂白土中发现一种新型粘土，并命名为Attapulgite。后来Huggins证明两种物质具有相同的结构，是同一种矿物。1982年，世界粘土矿物命名委员会认为坡缕缟石(Palygorskite)与凹凸棒石(Attapulgite)两者晶体结构一致、化学成分相同，应属同一矿物种，按照命名优先原则，规定统一命名为坡缕缟石。1976年中国学者许冀泉等在中国江苏省六合县竹镇小盘山发现该矿，许冀泉根据奥特堡之音同时兼顾该矿的晶体结构特征，译成凹凸棒石，近年来在国内传用。 有关该矿物名称还有许多，如镁山软木，山软木、山柔皮 (Mountain Leather)，山皮(Mountain Skin)，山石棉、石棉 (Mountain Cork)，山石棉状聚集物，绿坡缕缟石，打白石，漂白土 (Fuller's Earth)， 活性蛋白、蛋白石、白土(White Earth)。据统计，该矿物名称使用几率最多的依次为:坡缕缟石、凹凸棒石、漂白土或白土。

凹凸棒石矿物几乎遍及世界各地，但具有工业意义的矿床所占比例不大，仅限于美国、中国、西班牙、法国、土耳其、塞内加尔、南非、澳大利亚、巴西、以色列、沙特阿拉伯、瑞士、英国、俄罗斯 (Irkutsk,伊尔库茨克)、吉尔吉斯斯坦、哈萨克斯坦、乌克兰、亚美尼亚、阿塞拜疆、白俄罗斯、尼日尔等国，据不完全统计，世界探明储量约115亿吨。

国内于1970年代首次发现凹凸棒土 ,主要分布在江苏盱眙、六合和安徽嘉山矿床。70年代末又先后在四川、山东、甘肃等地发现了一批矿点 ,尤其是在甘肃中 、西部发现大型含碘凹凸棒石矿,属世界首次发现含碘矿属, 远景储量达1Gt，使我国成为世界上拥有凹凸棒石矿土资源的大国。

美国早在20世纪 40年代就已经开采应用凹凸棒土，我国对凹凸棒土的研究起步比较晚 ,与发达国家还有相当大的差距 ,且资源利用率低 ,使用范围小 ,产品开发的多样化、系列化程度不够。我国生产的粘土产品主要应用于无机化工、建材工业、农业食用油加工等比较低端的领域,初级加工产品和低附加值产品比例较高 ,造成优质原料往往不能用于生产或无法大量生产高档产品。

凹凸棒土的组成及结构

凹凸棒土是一种具纤维纹理层链状过渡结构的含水富镁硅酸盐为主的粘土矿，在矿物学上属于海泡石族，其化学式为：Mg₅(H₂O)₄[Si₄O₁₀]₂(OH)₂·4H₂O。理论化学成分为SiO₂ 56.96%；(Mg, Al, Fe)O 23.83%；H₂O 19.21%。

其晶体结构呈长宽比很高的纤维状或窄带状,其结构属2:1型粘土矿物。在每个2:1单位结构层中,四面体晶片角顶隔一定距离方向颠倒,形成层链状。在四面体条带间形成与链平行的通道,通道横断面约3.7×6.3埃。通道中充填沸石水和结晶水,见凹凸棒石粘土晶体结构图1。

图1 凹凸棒石粘土晶体结构图( [ 001 ]面投影)

凹凸棒石的基本构造单元是由平行于C轴的硅氧四面体双链组成, 各个链间通过氧原子连结(图1 - B) ,硅氧四面体的自由氧原子的指向(即硅氧四面体的角顶)每四个一组,上下交替地排列。这样排列的结果,四面体片在链间被连续地连结,构成链层状硅酸盐。然而,由于四面体的自由氧原子的指向不是同一个方向,八面体片是不连续的,形成很多孔道。从垂直C 轴的截面上看,两个四面体片夹一个八面体片构成一个链层单元,链层单元和孔道相间排列(图1 - A) , 孔道截面大约为3.8埃×6.3埃。因而,凹凸棒石的孔道从截面上看是蜂窝状的,不是象有些读者误解那样凹凸棒石是针状、棒状形态,管状孔道[2 ] ,而是无数平行管状孔道的组合。

3 凹凸棒土的分类

常见凹凸棒土的矿型有以下几种: (1)凹凸棒土型; (2)蒙脱石型; (3)凹凸棒土- 蒙脱石型; (4)白云石- 凹凸棒土型; (5)白云石+凹凸棒土- 蒙脱石型; (6)蛋白石- 凹凸棒土- 白云石型。要得到理想的凹凸棒土纯样,只有选择凹凸棒土型矿石才可达目的。该矿石分布在凹凸棒土矿床矿层的中部,凹凸棒土含量大于80%,含有少量的石英、白云石、非晶蛋白石,几乎不含蒙脱石[11 ]。

4. 凹凸棒土的吸附性能

由于凹凸棒石具有大量的微孔道,因而也就具有很大的比表面积。吸附本身是物质的一种表面现象,物体的吸附能力和物体的比表面积成正比。从这个意义上说,凹凸棒石具有很大吸附能力是凹凸棒石具有特殊的晶体结构所决定的。但同时,凹凸棒石吸附性质受到其晶体结构的制约。这主要表现为,作为能被凹凸棒石内表面吸附的物质(称吸附质)其分子直径必须小于凹凸棒石的孔道直径,否则的话,吸附质无法进入凹凸棒石的孔道,也就不可能被凹凸棒石孔道内表面吸附。凹凸棒石的孔道只允许小分子进入,而较大的分子不可能被凹凸棒石内表面吸附,只能被外表面吸附。

一般认为,诸如水、甲醇和乙醇之类的极性分子,可以进入晶体的内部孔道,而像氮气、氧气之类的非极性分子则不能进入其内部孔道。凹凸棒石粘土在吸附时具有较强的选择性,在不同介质中其吸附力有明显的差异,依次为:水>醇> 酸> 醛> 酮> 正烯烃> 中性酯> 芳香烃> 环烷烃> 烷烃, 直链的烃比支链的烃更易被吸附。当凹凸棒石粘土被煅烧超过880 ℃时,这种选择性消失。

5， 凹凸棒土的悬浮作用机理

凹凸棒土具有良好的吸水膨胀性能，分散于水中即形成具有一定粘度的胶体溶液。同时，在水中分散时凹凸棒土颗粒会离解成细小晶束直至针状或棒状晶体，这种高度分散的晶束或棒晶便在水中分散形成立体的网架结构，将大量的自由水包围在其中，使其失去流动性，体系变稠，具有屈服值，对骨料颗粒起固定、支撑作用，托举着骨料颗粒，不致下沉。宏观上表现为具有触变性的絮凝体，使涂料具有良好的沉降稳定性。

6， 凹凸棒土在铸造涂料上的应用

凹凸棒土是一种性能良好的铸造涂料悬浮剂，在水基涂料和醇基涂料中均具有良好的悬浮性能。在合适的加入量时，体系具有剪切稀释性和触变性，可以不仅使耐火骨料较好地悬浮在载液中，也具有良好的工艺性能。

凹凸棒土使用要点：

与钠基膨润土不同，凹凸棒土在水中的吸水膨胀性能并不高，分散性较低，因此需要用较大的剪切力才能使颗粒分散。

为了更好地发挥凹凸棒土的悬浮性能，可以将凹凸棒土预先制成高粘度的土浆，然后将土浆折合成干粉的重量按照比例加入到载液中。

凹凸棒土优先吸附水分子，并依靠水分子的作用而分散并形成网架结构。将凹凸棒土加入到不含水的载液中（甲醇或异丙醇），其分散和增稠作用很有限，而向这个体系中加入少量水，会促使体系极速增稠。因此，如果所用载液不含水，则需要额外添加水，添加量一般为凹凸棒土质量的1-1.5倍。如果使用工业乙醇做载液，由于乙醇中含有5%左右的水，则加水量可以降到凹凸棒土质量的1倍左右。

剪切作用对凹凸棒土的分散有决定性作用。加大搅拌机转速、延长搅拌时间对于提高涂料的粘度（波美度）和悬浮性都有利。 但过度搅拌（转速过快、搅拌时间过长）则加速溶剂散失，还可能造成涂料波美度“虚高”且影响涂料的使用性能。

为了充分发挥凹凸棒土作为悬浮剂的作用，涂料的生产工艺（尤其是搅拌程序）至关重要。福士科公司和中福公司在涂料生产工艺方面积累了丰富的经验，诸如加料顺序、各工序的搅拌速度、搅拌时长等加工参数，都以物理学、胶体化学理论为基础而设计，以最大化发挥悬浮剂的效能。^? 因涉及核心技术，恕不细述，还请理解与谅解。