張莉麗,林峰,呂智,肖樂銀,何緒林,王文龍,李立惟

(1.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林541004;2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004; 3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林541004)

我國葉蠟石的開發(fā)研究及其應(yīng)用現(xiàn)狀(上)①

張莉麗1,2,3,林峰1,2,3,呂智1,2,3,肖樂銀1,2,3,何緒林1,3,王文龍1,3,李立惟1,3

(1.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林541004;2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004; 3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林541004)

介紹了葉蠟石的性能、分類以及在我國的分布情況,詳細闡述了葉蠟石在石雕工藝品、復(fù)合材料、陶瓷耐火材料、高溫高壓合成中作為傳壓密封介質(zhì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。分析了葉蠟石在開發(fā)應(yīng)用中存在的問題,并提出建議。

葉蠟石;性能;應(yīng)用;建議

1 前言

葉蠟石是一種天然層狀的含水鋁硅酸鹽礦物,其分子式為Al2[Si4O10](OH)2或Al2O3·4SiO2·H2O,理論化學(xué)成分為:w(Al2O3)為28.3%,w(SiO2)為66. 7%,w(H2O)為5%,化學(xué)成分中常有少量的鐵、鈦、鉀、鈉、鈣、鎂存在,通常成分變化很小。葉蠟石的莫氏硬度為1～2,密度為2.8～2.9g/cm3,熔點平均為1700oC,晶體結(jié)構(gòu)有單斜和三斜兩種類型,其中單斜晶系葉蠟石較為常見,常呈片狀、放射狀、隱晶質(zhì)鱗片狀、塊狀等集合體產(chǎn)出。自然界中,純?nèi)~蠟石集合體極為罕見[1],一般與其他礦物共生形成復(fù)雜多樣的礦石類型,根據(jù)其所含雜質(zhì)礦物的不同,呈現(xiàn)黃、紅、褐、白、灰、黑、綠及彩色等顏色,半透明,具有玻璃光澤、珍珠光澤或蠟狀光澤。葉蠟石是一種相對短缺的礦物資源[2]。上世紀(jì)70年代末期,金剛石合成用傳壓介質(zhì)定型為北京門頭溝趙家臺葉蠟石粉壓塊。自2010年以來,因北京門頭溝趙家臺葉蠟石材料趨于緊張,而當(dāng)今在人造金剛石行業(yè)無論是對葉蠟石材料的用量或是對葉蠟石材料質(zhì)量上的要求都有了很大的提升。在這雙重壓力下,應(yīng)重視對葉蠟石的應(yīng)用開發(fā),側(cè)重開展于葉蠟石礦物結(jié)構(gòu)和特性,礦石的物質(zhì)組分和加工性能以及不同類型葉蠟石的應(yīng)用專屬性等方面的研究[3-5]。

2 葉蠟石的性能

在常見的礦物中,葉蠟石具有較高的熱反射率,能把投射到它表面的大部分熱反射出去,因而具有良好的隔熱效果。葉蠟石的耐火度大于1700℃。在1100℃～1300℃,葉蠟石逐漸分解,形成高溫穩(wěn)定的莫來石和方石英相。用葉蠟石和耐火粘土混合制成的材料具有高溫下不收縮以及在高溫劇變下不碎裂的性能,能經(jīng)受鋼渣和金屬的沖擊,有較強的蠕變能力[6]。葉蠟石礦物材料具有較高的化學(xué)惰性,由于葉蠟石不含或基本不含易溶解于酸的離子,OH全部存在于結(jié)構(gòu)單元層內(nèi)部,不易與酸發(fā)生作用。雖然堿對Si、Al有一定的溶解能力,但葉蠟石中的Si、Al均牢固地存在于結(jié)構(gòu)單元層內(nèi)。并且葉蠟石對酸堿的腐蝕量分別為1.23%和2.23%,因此,葉蠟石的化學(xué)性能相當(dāng)穩(wěn)定。由于葉蠟石的層狀結(jié)構(gòu),葉蠟石具有理想的內(nèi)摩擦性能和良好的傳壓特性。

表1 葉蠟石礦石分類Table 1 Classification of pyrophyllite

3 葉蠟石的分類以及在我國的分布情況

自然界中的葉蠟石礦床大多是組分復(fù)雜的混合體,按其粘土礦物組成品種及其比例含量劃分為葉蠟石型、水鋁石型、高嶺石型、凝灰石型和含鐵石型五大類,如表1所示[7]。根據(jù)用途則可分為工業(yè)葉蠟石和雕刻葉蠟石兩類,其中工業(yè)葉蠟石又分為軟質(zhì)葉蠟石和硬質(zhì)葉蠟石。按三氧化二鋁(Al2O3)含量高低可劃分為:高鋁型(Al2O3≥25%)、中鋁型(18%≤Al2O3≤24%)、低鋁型(Al2O3≤17%)三大類。若按葉蠟石的結(jié)構(gòu)和形狀,則可分為三種礦石類型:板狀解理的細粒葉狀體;細小晶體致密的球粒集合體;呈放射狀的粗針狀晶體。

我國葉蠟石礦床資源很豐富,是世界上少數(shù)盛產(chǎn)葉蠟石礦的國家之一,已知探明儲量為5000萬噸以上,僅次于日本(約7000萬噸)。國內(nèi)已知葉蠟石礦產(chǎn)地主要分布于福建和浙江兩省,約占總儲量的75%,其次是內(nèi)蒙古、陜西、北京、河北、吉林、江西、廣東、四川、新疆、青海、山東、黑龍江和貴州等省區(qū)。浙江省葉蠟石主要產(chǎn)于青田、泰順、上虞、常山、景寧等地,主要有:青田山口葉蠟石礦、泰順縣龜湖葉蠟石礦、上虞市梁岙葉蠟石礦、常山縣芳村葉蠟石礦以及景寧縣繆坑葉蠟石礦等,葉蠟石資源儲量居全國各省第一位,是國內(nèi)葉蠟石原料的主要供應(yīng)地?，F(xiàn)北京、內(nèi)蒙、福建、浙江、河北等地的葉蠟石礦均已大量開采,但是真正能正確使用在超硬材料行業(yè)中的,目前仍以北京門頭溝地區(qū)的為最佳,它已成為我國超硬材料工業(yè)主要用原料——葉蠟石的供應(yīng)基地,現(xiàn)趙家臺村的占全國用量的40%～50%。我國的葉蠟石資源雖然較豐富,但是資源利用程度低,許多礦山亂采濫挖,資源浪費嚴(yán)重,并且我國葉蠟石資源的地質(zhì)勘探工作開展程度較低,某些地方的葉蠟石礦產(chǎn)資源尚未進一步查清。

4 葉蠟石的應(yīng)用現(xiàn)狀

葉蠟石作為一種非金屬礦產(chǎn)資源,由于它具有許多優(yōu)良的物化性能,如熱性能、化學(xué)性能、耐火性能和傳壓密封性能等[8],因此在工業(yè)上具有多種用途。美國和日本等國先后用葉蠟石制造耐火材料、陶瓷,以及用作造紙、農(nóng)藥、橡膠、塑料等工業(yè)的填料。我國傳統(tǒng)上習(xí)慣于將葉蠟石用作雕刻工藝品、印章和石筆、玻璃纖維原料、白水泥原料、陶瓷和耐火材料等等?，F(xiàn)在已廣泛地將葉蠟石用作合成金剛石的模具。近幾年來,我國在葉蠟石的開發(fā)和利用方面發(fā)展較快,應(yīng)用范圍日益廣泛,用量在逐年擴大。

4.1 葉蠟石在石雕工藝品中的應(yīng)用

壽山石為葉蠟石,因產(chǎn)于福州晉安區(qū)的壽山村而得名。壽山石質(zhì)地脂潤,色彩艷麗,品種繁多,柔而易攻,是雕刻工藝品和制作印章的上好材料。由壽山石雕刻的工藝品可謂之無價之寶。據(jù)考,壽山石已有一千多年的開采和雕刻歷史,古代許多佳作被列為“貢品”,在歷次全國美術(shù)工藝品百花獎評比中,壽山石雕連獲“金杯”三尊,名列榜首。青田葉蠟石礦藏中,蘊藏著純度高、結(jié)晶完美的葉蠟石,即眾所周知的青田玉石。據(jù)有關(guān)資料記載,青田石雕最早可以追溯到3000年前,而到了清朝光緒年間,青田石雕出口歐美及南亞各國,雕刻工廠和店鋪遍及世界各地,故有“青田僑鄉(xiāng)”、“青田石雕之鄉(xiāng)”之稱。青田玉石品種繁多,歷史悠久,在國內(nèi)外享有盛譽。青田玉石主要用來刻制圖章等,其中以凍石尤為著名,其中的燈光凍與壽山的田黃石、昌化的雞血石以及巴林石并稱我國四大佳石。圖1、圖2為青田玉石雕刻的作品,其名稱分別為勤勞之家、瓜果滿園[9]。

圖1 勤勞之家Fig.1 Diligent family

圖2 瓜果滿園Fig.2 Fruit garden

4.2 葉蠟石在復(fù)合材料中的應(yīng)用

在礦物材料加工工業(yè)中,將葉蠟石加工成超細粉體時,由于比表面積大,表面活性高,作為復(fù)合材料補強性能好,可應(yīng)用于多孔陶瓷、電纜線、塑料、橡膠工業(yè)中作填料等。但由于葉蠟石材料與有機高聚物的界面性質(zhì)有很大差異,往往相容性較差,難以與基質(zhì)互溶分散,故影響復(fù)合材料的最終性能。因此,除了對葉蠟石粉體粒度分布作嚴(yán)格要求外,還要對顆粒表面進行改性,以改善其表面的物化性質(zhì),增強其與有機物的相容性,提高其在有機物基質(zhì)中的分散性,以提高材料的機械強度及綜合性能。

楊林泰和周麗玲等人[10]采用幾種偶聯(lián)劑分別對葉蠟石進行濕法和干法改性,結(jié)果表明,改性葉蠟石/ SBR復(fù)合材料的硬度、拉伸強度、撕裂強度和耐磨性等綜合性能均有所提高。葉蠟石經(jīng)偶聯(lián)劑改性后,可提高其在SBR基體中的分散性,增強其與SBR的結(jié)合能力。蔣慶生和郭興城通過研究[11]提出天然粉狀葉蠟石作為橡膠制品的添加劑,可替代傳統(tǒng)使用的陶土,具有一定的補強性能,可為橡膠行業(yè)在選擇使用添加劑方面提供新的原料來源。

4.3 葉蠟石在陶瓷耐火材料中的應(yīng)用

葉蠟石礦物材料機械強度大、耐熱性好、具有化學(xué)惰性、耐強酸腐蝕、導(dǎo)熱率低,含水量較少,在加熱過程中脫水緩慢,脫水后仍能保持晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,并且在高溫下收縮量小,因此,是制作陶瓷、耐火磚和蠟石質(zhì)耐火泥很好的原材料。我國主要應(yīng)用葉蠟石制造陶瓷面磚,也有用葉蠟石制造建筑陶瓷及日用精陶。我國一些衛(wèi)生陶瓷業(yè)采用葉蠟石制作胚料。葉蠟石在面磚胚體中的作用與黏土類似,但在制作精陶面磚方面,則優(yōu)于黏土原料。

在陶瓷行業(yè)中,窯具是影響其成本的主要因素。隨著陶瓷快速燒成工藝的推廣,要求匣缽及其它窯具的厚度要薄,匣缽材質(zhì)要有導(dǎo)熱性好,高溫強度高,熱膨脹率低,耐急冷急熱的性能好,故大量應(yīng)用堇青石莫來石作窯具。薛群虎和劉民生[12]等人采用含結(jié)構(gòu)水少、燒失量低、煅燒后體積變化小的葉蠟石作為原料,制得氣孔率<14%,體積密度≥1.94g·cm-3,主礦物含量>90%的合成堇青石。徐平坤[13]通過研究闡述了以葉蠟石為主的天然葉蠟石,不僅可以直接制造蠟石磚,耐火混凝土,輕質(zhì)保溫材料,還可以與鋯石英、SiC、Cr2O3、石墨等高級耐火原料配制成高基質(zhì)制品。

(下期續(xù)完)

[1] 郝兆印,賈攀,盧燦華.四種葉蠟石的X射線研究[J].原輔材料及設(shè)備,2005(3):70-75.

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Research And Development of Pyrophylite and Its Current Application Status in China

ZHANG Li-li1,2,3,LIN Feng1,2,3,LV Zhi1,2,3,XIAO Le-yin1,2,3,HE Xu-lin1,3, WANG Wen-long1,3,LI Li-wei1,3
(1.Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials,Guilin,Guangxi 541004,China; (2.National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,Guilin Guangxi 541004,China; (3.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd,Guilin,Guangxi 541004,China)

This article introduces the performance and classification of pyrophylite and its distribution in China,and elaborates the current application status of it in stone carving handicraft,composite material,ceramic refractory materials and in high pressure and high temperature synthesis as the pressure seal medium.The existing problems for the development and application of pyrophyllite have been analyzed and recommendations are given.

pyrophylite performance recommendation

TQ164

A

1673-1433(2014)03-0035-04

2014-07-10

張莉麗(1986-),女,主要從事超硬材料制品方面的研發(fā)。