埃洛石的主要用途

2020-07-01

1.3 埃洛石的应用

1.3.1 陶瓷和耐火材料

   陶瓷的原料分为磁坯原料、磁釉原料和彩料原料三种。作为一种黏土矿物材料,和高岭土类似,埃洛石最传统的应用就是做陶瓷的磁坯原料。埃洛石具有较高长径比,其在粉末化时趋于形成一维延长的粉体,具有纤维增强功能,与填充剂、流平剂混合后具有骨架支撑结构,从而可以显著提高坯体强度,是制备超薄精细陶瓷的理想原料,因此在陶瓷领域得到了广泛的应用。例如产自贵州省大方、遵义、黔西、织金的埃洛石主要用作陶瓷原材料。埃洛石也可以作为轻质砖、耐火砖和瓷砖的原材料。但是由于埃洛石本来的储量就比高岭土少,加之高纯度的埃洛石更少,其在陶瓷中的应用远没有高岭土广泛,因此不可能可能作为一千多年来大量开采的对象和制出高级陶瓷的典型代表。用于陶瓷的埃洛石要求铁和钛的含量低,这样能制备出超白和具有通透性的陶瓷器具。埃洛石的粒子尺寸小,因为也可以作为陶瓷制釉的悬浮剂使用。埃洛石常跟高岭土混合在一起用于陶瓷和耐火材料,基本找不到文献研究报道,可见此领域的应用主要是集中到工业化生产和技术开发,基本没有人专门从事埃洛石用于陶瓷这方面的研究工作。

1.3.2 负载和控制释放载体

埃洛石具有独特的纳米中空管腔结构,孔结构丰富,存在微孔、介孔和大孔。这些孔能够被多种活性剂填充,造成具有高的吸附能力,因此是一种优秀的纳米载体材料。埃洛石的管腔能够用于装载多种客体生物或化学分子,进而进行固定和控制缓慢释放。例如比盐酸阿霉素药物分子相比,经埃洛石固定的盐酸阿霉素具有较长的释放时间和体内外抗肿瘤效果,是一种潜在的临床治疗癌症的纳米载体。活性分子的控制释放可以用于化妆品、家居环境、农药、动物驱虫剂、药物、抗腐蚀剂、催化剂载体等尽管埃洛石对不同种类活性分子的吸附量有差别,但是非常多种类的活性分子可以被负载到其中,起到缓慢释放的效果。这些活性分子与埃洛石之间的吸附作用机制包括:电荷相互作用、极性相互作用、氢键相互作用、分子链缠结相互作用、物理空间受限作用、化学键合等等。

与其他纳米材料相比,埃洛石作为释载体的优势在于其独特的管腔纳米结构、来源广泛、价格低廉,是一种天然的吸附剂材料,其吸附和缓释效果好,可以吸附后再跟凝胶类材料复合实现好的应用形式,加之其环境和生物毒性很低,是安全的纳米材料,其使用和回收等过程不会对环境和生物带来潜在危害。因此作为纳米负载和释放载体,埃洛石在多个领域都具有潜在的应用前景。

1.3.3 纳米反应器/纳米模板

埃洛石具有独特的纳米空腔,长径比大,可以被用来作为化学反应的反应器。将反应物可以通过简单混合吸附作用或抽真空负压过程,特定的引入到管腔内,反应物在特定的纳米空腔中受限反应,能够得到具有独特结构和性能的新产物。碳酸钙、碳纳米结构和金属纳米线都可以通过埃洛石作为纳米模板制备出来[38, 39]。例如Wang等用HNTs作为模板,糖醇为炭源,制备得到的多孔炭具有高含量的介孔、高的比表面积(最大为1130m2/g)和大的孔体积,可以应用到吸附与分离、催化剂载体、电极等多种领域。通过热分解硝酸银的方法,可以在埃洛石管中形成直径约15nm的银纳米棒,这种包含了银纳米棒的埃洛石加入到高分子涂料中,能够显著提高涂层的力学强度和抗菌性能。近年来,以埃洛石作为模板合成了金纳米颗粒和金纳米棒,成为一种具有核壳结构的杂化无机功能单元,在光学传感器和抗菌材料等领域具有广泛的应用。埃洛石作为纳米模板的优势在于其具有合适的纳米空腔结构和低廉的价格,很容易进行工业化推广应用。然而由于埃洛石自身的微观形貌不均一,因此以其为模板合成的纳米颗粒的尺寸均匀性需要进一步提高。

1.3.4 聚合物填料

埃洛石作为天然矿物材料自2004年起被开发为纳米填料,用在制备高性能聚合物复合材料上。其作为聚合体纳米填料的优势是:

容易分散。即使是未经表面改性处理的埃洛石也能在几乎所有种类的聚合物中实现良好的分散。特别是埃洛石尺寸小,电荷较高,亲水性强,能在水性体系中稳定存在。因此采用溶液混合和熔融混合都可以获得具有良好分散的聚合物纳米复合材料。

长径比高,增强效果好。埃洛石的长径比约为10,其自身机械强度高,所以对塑料、橡胶、涂料等高分子具有很好的增强效果。埃洛石增强聚合物复合材料可以同时具有增加的强度和韧性。

可进行功能化修饰,增强界面结合。埃洛石表面存在活性的硅铝羟基,容易设计修饰反应,对其进行表面改性,增加其与聚合物基体的界面作用。

方便负载活性分子,制备具有功能复合材料。埃洛石具有独特的空腔结构,其对多种分子吸附能力强,能够对负载的物质进行控制释放。因此可以作为抗菌剂、杀虫剂、抗腐蚀剂、修复剂、阻燃剂、防老剂、增塑剂、芳香剂等具有缓慢释放功能的新型聚合物复合材料。

毒性小,使用方便安全。由于埃洛石不是化学合成的物质,自然界中本来就存在大量的埃洛石。其对动植物和环境基本没有任何危害,因此其获取、加工、使用、回收不会对环境带来危害,是一种绿色环保天然纳米材料。

来源广泛,价格便宜,物美价廉。

如上所述,全世界各大洲都有埃洛石的沉积,其获取和使用非常方便,其价格与其他纳米材料相比具有很高的竞争优势。美国的NaturalNano公司已经将尼龙/HNTs复合材料和聚丙烯/HNTs复合材料商业化产品推向市场,与其他复合材料相比这些材料具有质轻高强、加工性能好、热性能和韧性高、价格便宜等特点。更重要的是,这些产品的性能可以根据客户的需要进行定制。

1.3.5 污染物吸附剂

利用埃洛石的独特吸附性能,可以将其用于环境保护材料,对水体中、大气中和土壤中的污染物进行固定和无害化处理。作为一种黏土矿物,埃洛石具有对染料、有机物、金属离子、细菌等具有强的吸附能力,这主要是归于其中空纳米结构、较大的比表面积和表面活性基团的存在。例如,对我国四川省北川产的埃洛石的吸附性能研究表明,埃洛石对对Sr2+Cs2+Co2+的吸附能力随pH值增大而增大,吸附机制主要靠断键产生的可变负电荷和分子吸附。埃洛石及其聚合物复合材料可以作为甲基蓝、甲基紫、中性红、甲基橙、孔雀石绿等染料的吸附剂,吸附效果好于高岭土。埃洛石通过负载四氧化三铁等磁性物质,可以从水中快速地分离吸附的污染物。近年来,埃洛石通过除杂质和表面硅烷修饰也被用于固定空气中的二氧化碳,以减少温室气体效应

1.3.6 其他应用

埃洛石作为一种黏土矿物,除了上述的应用,还有其他方面的应用:

a. 催化剂及催化剂载体。在石油化工行业,埃洛石可以用于半合成催化剂载体原料,用于石油裂解和精炼,具有催化活性大、耐磨损和可多次循环使用的优点。与常见的人工硅酸铝和分子筛相比,埃洛石具有独特的纳米结构,其催化选择性高,产油率高,能改善焦碳选择性,提高磨损指数和水热稳定性。埃洛石也可以通过与氢氧化钠高温水热处理,再降温成核结晶可以完全转化为沸石,从而作为石油裂解的催化剂。例如,早在1949年美国盐湖城菲特罗公司(filtrolcorp)工厂将埃洛石作为石油裂解催化剂。之后埃克森美孚公司也开发了埃洛石产品,用于催化裂化石油。埃洛石与沸石并用作为植物油(棉籽油)裂解为汽油的催化剂,发现其能提高沸石的油裂解选择性和产率。聚四乙基吡啶(P-4VP)接枝改性的埃洛石负载甲基三氧化铼(MTO)可以作为大豆油环氧化的催化剂,具有提高的催化活性和选择性。与高岭土相比,埃洛石的催化性能高,这跟埃洛石的多孔纳米结构和较高的表面活性相关。

b. 造纸添加剂。埃洛石可以在造纸过程中添加到纸张中,充当纸张整理剂和保护剂。同时埃洛石具有阻燃性,添加了埃洛石到纸张中能增加纸张的阻燃效果。研究发现埃洛石在纸纤维结构中的分布均匀,添加了埃洛石的纸张的力学性能和表面疏水性显著增强,同时埃洛石是一种廉价和环保的材料。因此埃洛石在高性能纸、智能纸等造纸领域具有潜在的应用。

c. 饲料添加剂。饲料中添加黏土类矿物粉末对保障牲畜的健康具有十分重要的意义。黏土矿物内含多种微量元素,可以弥补饲料中欠缺的微量元素,增强畜禽的食欲,减缓营养物质通过消化道的速度,可以促进生长,改善肉蛋奶质量。黏土的高吸附造成其可以吸附和固定饲料中的黄曲霉等霉菌和有害离子,从而防止腹泻,减少疾病发生和传染。同时黏土可以作为粘结剂提高饲料本身的使用性能。埃洛石与膨润土相似,其吸附能力和固定毒素能力很高,自身无任何毒害性,所以在饲料添加剂中应用具有十分重要的意义。

d. 油品脱色剂。在汽油和食用油等油品中,由于存在各种杂质成分,造成油的颜色偏重,不清亮,影响产品的使用和外观性能例如以重油为原料的裂解汽油产品中,可能含有大量的不饱和烃如二烯烃。在储存和使用时,由于硫化物的存在,这些不饱和烃在空气中发生氧化形成胶状物质,从而堵塞汽油导管、喷嘴和进气阀,中断供油而迫使发动机停止工作;而且这些胶质物质具有很强的着色能力,很少量的胶质便可使无色的汽油变成草黄色,因此对汽油进行脱色非常必要。由于黏土具有的离子交换性能和吸附性能,其能常被用于油品的脱色处理。对于油的脱色处理,一般采用酸活化的黏土材料进行,酸活化能提高黏土的比表面积和孔体积,进而提高其表面活性和吸附能力,提高了其脱色能力。例如1999年美国专利报道,用硫酸活化的埃洛石可以对大豆油、葵花油和菜籽油进行脱色处理

e. 化妆品。埃洛石是一种天然的黏土材料,不含铅等重金属,对人体皮肤没有任何刺激性作用,更不会引发炎症等,因而是一种良好化妆品材料。埃洛石或者有机改性埃洛石可以用于面膜,这是由于埃洛石对油或者其他物质的强吸附作用。新西兰的纯净海湾——马陶里湾(MatauriBay)是埃洛石盛产地,据报道其所出产的埃洛石是世界上最细腻、最洁白、最纯净的矿物黏土。埃洛石矿物黏土导热性能好,吸附性强,可有效吸附皮肤油脂及毒素,去除老化角质,细化毛孔,可帮助改善肌肤机理,平衡皮肤pH值,减少并改善皮肤青春痘、粉刺、痤疮等皮肤问题,并深层控油组织,达到美容肌肤的效果。因此埃洛石广泛用于化妆品、面膜等领域,常见于清洁面膜中,在涂抹之后肌肤温度升高,皮肤中的油脂被黏土吸收,让肌肤恢复清爽洁净。新西兰某公司将埃洛石应用于面膜等系列化妆品,例如其矿物泥去角质膏面膜的主要有效成分就是埃洛石。除了作为面膜之外,埃洛石还可以作为长期保湿产品的护肤品,例如其和甘油混合,可以对甘油起到缓慢释放的效果,因此可以作为长效保湿化妆品。


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