納米礦物材料的主要制備方法探討

張仕奇 趙佳龍 崔慶華

摘 要：對納米礦物材料的分類進(jìn)行了介紹，探討了天然納米礦物材料的制備及應(yīng)用，并且從物理法和化學(xué)法兩方面介紹了人工納米礦物材料的制備及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：納米材料；制備；礦物

納米材料指的是在三維空間上至少于一維是1～100nm的材料，或者是由其作為基本單元的材料，納米礦物材料包含了人工制備和天然形成兩類，在性能上，由于其特殊的尺寸，起具有和宏觀物體以及微觀結(jié)構(gòu)的分子和原子都不同的物理和化

1納米礦物材料的分類

納米礦物材料是指顆粒粒度屬于納米量級的固態(tài)顆粒。固態(tài)顆粒有兩種來源：一是自然界本來就存在的，如大洋錳結(jié)核中的鐵礦物、某些種類的粘土礦物和火山灰等等；二是用人工方法合成的，如用天然礦物原料和化學(xué)原料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)或其他方法制成，如納米碳管、納米陶瓷、納米涂料、納米金屬、納米合金、煙灰等材料。

1.1天然納米礦物材料

所謂自然納米礦物是對自然界中礦物顯微顆粒達(dá)到納米量級的所有礦物的統(tǒng)稱，一般從晶體結(jié)構(gòu)的角度來說，天然納米礦物的顆粒界定在1～100nm之間。例如，大洋錳結(jié)核中的含鐵礦物，其顆粒粒度為5～10nm；又如某些煤矸石中的硅質(zhì)微粒，其顆粒粒度可達(dá)15～20nm；我國南方一些地區(qū)黃土中的硅質(zhì)風(fēng)化產(chǎn)物，是暴露在自然條件下的巖石及礦物長期風(fēng)化的結(jié)果，粒度達(dá)到50～100nm；還有一些地區(qū)的火山灰，是在極高的火山噴發(fā)后的殘留物，其粒度也為十到幾十納米 。

1.2人工納米礦物材料

人工納米礦物材料是指能利用天然礦物和巖石經(jīng)過加工、改造而成的材料或者使用化工原料合成的納米礦物材料。由于礦物學(xué)新技術(shù)新方法對礦物微觀世界與各種物化性能的研究已日漸深入，加之礦物原料的高純化、單晶化、纖維化、透明化、薄膜化、多孔化、非晶化及復(fù)合化，進(jìn)一步揭示了礦物本身的特殊功能而使其在激光、光導(dǎo)通訊、宇航、填料、涂料、電子、陶瓷、建材、環(huán)保等方面得到了廣泛應(yīng)用。

納米材料中如納米無機合成材料的某些性能已研究得相當(dāng)深入，但納米礦物材料從整體上看，還處于相對滯后的階段，盡管人們自然、不自然地利用了礦物的納米空間乃至在工程材料中己獲得了性能相當(dāng)優(yōu)越的材料。

2納米礦物材料的制備及應(yīng)用

2.1天然納米礦物材料的制備及應(yīng)用

在我國部分地區(qū)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個儲量達(dá)數(shù)百萬～千萬噸級的大型礦床，含高純度的納米～微米粒級的非金屬礦物，顯示了巨大的資源價值。如：①川南一黔西北的埃洛石礦床，是世界上最大的埃洛石連片產(chǎn)區(qū)，以管狀埃洛石為主；②蘇皖交界地帶的坡縷石礦，主礦物相坡縷石呈纖維狀，直徑10～25納米；③湖南海泡石礦呈面狀分布，海泡石含量5%～55%，海泡石呈纖維狀，直徑幾至幾十納米；④江西粉石英礦，粉石英礦中石英占97%～99%，石英顆粒一般為4～30微米；除上述礦物外，還有火山灰、炭質(zhì)頁巖、伊利石、蒙皂石等皆可列為天然納微米級礦物。對于這種自然的礦物納米材料我們不需要特殊的制備工藝，主要是工藝是提純和有目的的應(yīng)用。對于不同的礦物材料來說具有不同的提純和分離工藝。

2.2人工納米礦物材料的制備及應(yīng)用

人工納米礦物粉體的制備方法大致可分為兩類。一類是物理方法，尤其超微粉碎及一些新方法如激光汽化或高溫電阻蒸發(fā)等應(yīng)用；另一類是化學(xué)柱撐或合成法，利用無機合成法制備納米礦物粉體，如制備納米莫來石以及納米剛玉等。制備的關(guān)鍵是如何控制顆粒的大小和獲得較窄且均勻的粒度分布。

2.2.1物理方法

（1）物理粉碎法

物理粉碎法：通過機械粉碎，沖擊波誘導(dǎo)爆炸反應(yīng)等方法制成單一或復(fù)合的納米礦物材料粒子。特點：操作簡單，成本較低，但易引入雜質(zhì)，降低純度，粒度不易控制且分布不均，難以獲得粒徑小于100nm的微粒。近年來隨著助磨劑物理粉碎法、超聲波粉碎法等的采用，粒徑可小于l00nm，但仍存在產(chǎn)量較低，成本較高，粒徑分布不均的缺點，有待于進(jìn)一步改進(jìn)和研究。

（2）機械合金化

是利用高能球磨方法，控制適當(dāng)球磨條件以獲得納米級晶粒的純元素或化合物礦物材料。該方法工藝簡單，制備效率高，并能制備出常規(guī)方法難得的納米礦物材料，成本較低，不僅適用于制備納米礦物材料，還可以制得互不相溶體系的固溶體、納米金屬間化合物及納米金屬陶瓷復(fù)合材料等，但制備中易引入雜質(zhì)，純度不高，顆粒分布也不均勻。

（3）高壓氣體霧化法

是利用高壓氣體霧化器將—20～一40℃的氦氣和氬氣以3倍于音速的速度射入熔融礦物材料的液流內(nèi)，熔體被破碎成極細(xì)顆粒的射流，然后急劇驟冷得到超微粒。特點：微粒粒徑小，且粒度分布較窄。

（4）物理新方法的開發(fā)

隨著物理方法的引入，人們利用現(xiàn)有新技術(shù)開發(fā)了許多制備納米礦物的新方法。隨著研究的深入，必定會產(chǎn)生大批量生產(chǎn)超細(xì)顆粒的方法。

①高溫電阻絲法

在極高溫度礦物顆粒溶化，在達(dá)到汽化點時，這些礦物會蒸發(fā)，從而形成納米粉體。

②激光氣化法

激光照射礦物晶體時會強烈吸收并氣化礦物顆粒，這些顆粒是納米級的，這一技術(shù)非常有潛力，可望在納米粉體制備中扮演重要角色。

③高壓液相剝片法

高壓液相中的層狀礦物間注入液體，在瞬間釋放壓力時，導(dǎo)致礦物以單元層的形式剝開。

2.2.2化學(xué)方法

①化學(xué)合成法

利用無機合成法制備納米礦物材料，如上海硅酸鹽研究所利用化學(xué)氣相合成法制備粒徑為30～50nm的SiC粉體；日本新原始應(yīng)用化學(xué)氣相沉積法制備Si3N4一Si C納米級復(fù)相陶瓷。

②溶膠凝膠法

將烷氧基金屬或金屬鹽等前驅(qū)物在一定的條件下水解縮合成溶膠，然后經(jīng)溶劑揮發(fā)或加熱等處理使溶膠轉(zhuǎn)化為凝膠。溶膠一凝膠法合成納米復(fù)合材料的特點在于該法可在低溫條件下進(jìn)行，反應(yīng)條件溫和，能夠摻雜大劑量的無機物和有機物，可制備出高純度、高均勻度的材料，易于加工成型并在加工的初級階段就可以在納米尺度上控制材料結(jié)構(gòu)。目前，利用溶膠一凝膠法已制備出了大量的納米復(fù)合材料。

③超聲沉淀法

目前應(yīng)用超聲波來制備超細(xì)微顆粒的研究很多，如可以應(yīng)用超聲波來進(jìn)行分子篩的合成，在超聲波的機械、空化和熱的作用下，能夠縮短NA分子篩的合成的時間，并且能夠減小其粒徑，提升其催化活性。

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