凹凸棒石黏土(凹土)是以一种层链状过渡结构的含水富镁硅酸盐(凹凸棒石)为主的黏土矿产，高粘剂凹土以其优异的增稠性、悬浮性、悬挂性被广泛应用于发达国家的涂料、油漆行业中，具有非常高的使用价值，但由于凹土通常与白云石、方解石、石英、蛋白石等矿物质共生，因此降低了凹土粉末的纯度，直接影响其使用效果和使用范围^[1-3]。

目前，对凹土粉末进行提纯的工艺方法也有相关研究，郑志杰^[4]对安徽滁州的凹凸棒石黏土采用湿法球磨、离心分离的方法，加入一定量的分散剂，借助超声分散，对凹凸棒石黏土进行提纯，获得纯度达95.3%、直径达20~50 nm、长度50~600 nm的针棒状颗粒；左绪正^[5]在依据色质离子的物化特性，用草酸、连二亚硫酸钠应用络合还原技术将白度在45%~55%的红色凹凸棒石黏土除铁漂白后，产品白度提高到93.5%，凹凸棒石含量达到85%以上，美国专利No：6446601采用聚丙烯酸纳在溶液中对凹土粉末进行分散提纯的方法提高粉末的纯度，提高其使用效率，国内也有相关报道，金叶玲等(CN：1562865A)采用物理化学法进行除杂提纯制备高纯凹土的方法，以化学制剂配制成一定浓度的水溶液，在温度和机械力的作用下，与凹土充分分散和反应，提高凹土的纯度。但这些方法工艺较复杂，而且凹土在水溶液中难以充分悬浮，表面易发生聚合反应形成死凝结，影响提纯效果。

对于凹土制备涂料的流变性能，研究人员进行了大量的试验，盛晓波^[6]研究了复合改性剂对凹土进行改进处理制备出2 h悬浮性达到99%涂层致密光滑、粘结性能优异的铸造涂料，李登好等^[7]研究了凹凸棒石黏土水悬浮液的流变性，讨论了分散剂NH4PAA用量、离子强度等对凹凸棒石黏土水悬浮液流变性的影响，突出其流变性在工业上的应用。本文首先对凹土粉末进行提纯处理，通过表面吸附法在凹土修饰有机化合物，对其进行改性研究，通过XRD和SEM对改性后凹土的表面和结构进行研究，以改性凹土制备悬浮剂试验其悬浮、流变性能，探讨其作用机理，对悬浮剂进行热处理试验，测试其高温防氧化能力。

1 试验原料与方法 1.1 凹土粉末提纯改性处理

称量100 g凹凸棒黏土、80 g水、5 g六偏磷酸钠以及200 g研磨球在球磨机中研磨处理1~4 h，将研磨后的凹土料放入1 000 mL蒸馏水中用十字搅刀搅拌器以1 500 r/min搅拌2~4 h，用浓度为1 mol/L的50~100 mL盐酸在80~100 ℃的水浴中活化处理1~3 h；活化处理后的悬浮液加入5~10 mL的烷基酚聚氧乙烯醚型活性剂，再加入NaOH溶液调整悬浮液的pH值至6~8，再用十字搅刀搅拌器以1 500 r/min搅拌2~4 h，静置10 h后，分离凹凸棒黏土悬浮液和沉积杂质层，滤除杂质，得到提纯后的凹土粉末。

将提纯后的100 g凹土粉末加入到300 mL异丙醇中，搅拌形成浆料，添加5~10 mL有机聚硅氧烷，再搅拌1~4 h，然后静置2~3 h，制成浆料；在制备的浆料中加入吐温80型活性剂，在60~80 ℃下加热3~7 h后，过滤得到的粉末烘干，即得改性凹土粉末。

1.2 提纯改性凹土性能测试

用扫描电子显微镜(JSM-5900)观察改性凹土的微观结构；用D/Max-RB X-射线仪进行相组成分析，采用步进扫描方式(步长0.02°)；采用具塞量筒沉淀法测量改性凹土水溶液的悬浮性，即称量6.0 g改性凹土加入100 mL蒸馏水倒入100 mL带塞量筒，盖好瓶塞并每隔12 h记录沉降值；用吸光计测量凹土进行改性后的脱色率；用NDJ-7型流变仪测量改性凹土制备的溶液流变性能。

2 结果与讨论 2.1 凹土粉末提纯改性的研究

凹土表面特有的孔道结构和表面电荷的不平衡，在其表面形成丰富的吸附中心，极易吸附白云石、石英、水云母、蒙脱石等矿物粉，形成伴生矿，对凹土粉末进行研磨处理，通过研磨球在球磨过程中相互撞击产生的巨大能量破碎凹土颗粒，使得原本聚在一起的杂质和凹凸棒石晶束分离。球磨前加入一定量的六偏磷酸钠，避免颗粒离开行星球磨产生的湍流场，外部环境复原，颗粒又有可能重新聚团，从而提高凹土的分散性能，有助于颗粒与杂质的分离^[8]。

图 1所示为研磨时间对颗粒平均粒径的影响，由图可见，凹土原始颗粒平均粒径达到12.08 μm，随着研磨时间的延长，平均粒径逐渐减少，颗粒的研磨过程是破碎和聚合的动态过程，当研磨时间达到3 h时，两者达到平衡，凹土颗粒平均粒径最小，D₅₀达到4.516 μm，比表面积达到720.8 m²/kg，随着研磨时间的进一步延长，颗粒尺寸反而增加，凹土原始颗粒粒径分布如图 2(a)所示，颗粒比表面积达到390.7 m²/kg，颗粒分布较宽，试验采用球磨工艺，在200 r/min下研磨处理3 h，球磨后粉末经过测量，粒径分布如图 2(b)颗粒分布较窄，颗粒比表面积达到720.8 m²/kg。

2.2 添加剂对凹土性能的影响

图 3是分散剂六偏磷酸钠添加量分别为0.25%、0.5%、0.75%、1%及1.25%的凹土悬浮体(固相体积分数为50%，pH值为9.0)的剪切应力与剪切速率的关系，以图中各拟合曲线与纵轴的交点，即悬浮体的τ_c值和对应的分散剂添加量作图 4，由图可见，当分散剂的添加量从0.5%增加到0.75%时，悬浮体的τ-D曲线趋于平缓，各悬浮体在相同剪切速率下的剪切应力值都减小，悬浮体流动性变好。但当分散剂添加量由0.75%增加到1.25%时，悬浮体的流动性又变差，与添加0.5%分散剂的悬浮体相当^[9]。

分散剂添加量较少时，悬浮粒子未能对分散剂形成饱和吸附，静电斥力较小，空间位阻作用较弱，分散剂对颗粒的稳定分散作用不大，故体系的τ_c值较大；分散剂添加量大于其最佳点时，悬浮粒子之间通过分散剂聚合物产生桥联作用，同时悬浮体中产生过量的电解质，压缩悬浮粒子的扩散层厚度，降低其排斥力，从而使体系的稳定性下降。因此适量的分散剂对高稳定性悬浮体制备具有决定性作用。由图 3、图 4可知，该悬浮体的分散剂最佳添加量为0.75%。

图 5是提纯改性后的凹土悬浮液的流变曲线，由图可见经过72 h沉降，原凹土悬浮液的悬浮率为84%，而改性凹土悬浮液的悬浮率为96%，显然，改性凹土具有更好的悬浮性。这可能是由于改性凹土经过有机化合物侵蚀作用使其棒状晶通透性增加，比表面积增大，更好吸附分散剂增加空间位阻而彼此不易聚集下沉；同样高速搅拌产生的剪切力使的凹土层链交叠的立体网状结构更加分散，棒状晶粒变短，表面包裹的杂质得以去除，使其比重减小，分散出来的棒状晶交联重构成一种稳态的构架结构，使得改性之后的凹土具有更好的悬浮性^[10-11]。

2.3 提纯改性前后凹土形貌分析

研磨通过加入分散剂在球磨和超声震荡作用下进行提纯改性处理，试验采用X射线衍射仪对提纯前后的矿物成分进行分析，测试条件为Cu Kα靶，狭缝DS=SS=1°，Rs=0.3 mm，管电压：40 kV，管电流：80 mA，扫描速度：6°/min，读数：每隔0.02°。参照凹土X射线衍射标准图谱的d值和I/ I₀对原料XRD图谱进行分析得知，盱眙凹凸棒粗提纯矿物的主要物相含有凹土和石英，如图 6所示。对比提纯后矿物XRD图谱，可以看出提纯后石英的衍射峰基本消失，杂质相基本被去除，经过提纯改性处理的凹土粉末纯度可以达到95%。

采用扫描电子显微镜(SEM)对提纯改性前后的矿物的形貌进行分析，如图 7所示。凹土粗提纯矿物大量的棒状晶束团聚而成，中间夹杂了大量的颗粒状杂质。经提纯后，棒状凹土晶束分散性得到了很大的提高，晶束间基本上没有杂质存在，通过对XRD和SEM测试结果的分析可知，本试验采用的提纯改性工艺可以有效地去除凹土中的杂质，取得比较好的提纯改性效果。

由图 6、图 7可知，未经改性的凹土呈针状和棒状晶无序交叠分布，表面包覆一些其它的矿物杂质，各棒状晶交叠较为严重，分散效果不好[图 7(a)]；改性后的凹土，矿物杂质包裹很少，棒状晶交叠少，分散性好，长度短，使得比面积更大[图 7(b)]。改性过程对凹土原料的球磨以及浆料的搅拌产生剪切力使得改性凹土棒状晶更短，包裹的其它矿物脱落去除。加入的分散剂在搅拌过程中均匀附着于凹土晶粒表面，增加了接触位阻，使得各晶粒在一定尺度内聚集困难，因此改性后的凹土具有更好的分散性。另一方面，改性过程中加入有机疏水化合物处理，可能会使半径更小的H⁺置换出凹土片层中间的一些Ga²⁺、Mg²⁺等离子以及对孔道中碱性氧化物、氢氧化物的侵蚀，使得孔道空间通透性增加，比表面积进一步增大，吸附性更好。

3 结论

(1) 试验采用球磨工艺，在200 r/min下研磨处理3 h，凹土颗粒平均粒径最小，D₅₀达到4.516 μm，比表面积达到720.8 m²/kg。

(2) 凹土悬浮体的六偏磷酸钠分散剂最佳添加量为0.75%。

(3) 经过矿物XRD和SEM分析，可以看出提纯后石英的衍射峰基本消失，杂质相基本被去除，经过改性处理的凹土水性浆料悬浮性有明显提高，72 h的悬浮率由84%提高到96%。