干法云母粉在橡胶中的应用

云母是一类结构较复杂的水合铝硅酸盐，常见与石英和长石等组成花岗岩，或共生于其它矿中，单独成矿的主要是伟晶岩等。它广泛存在于自然界中，如土壤中，但由于含量太低而无开发价值。除伟晶岩外，云母也以碎屑集合体成矿，前者常用于剥制大片云母（电器的绝缘材料），后者用于生产云母粉和碎屑产品。在云母主产国印度和zui大使用国美国，也利用大片云母加工中形成的大量边角料生产云母粉，但大多数国家无此条件。

        云母的分子结构可用m1m2（al2si6o20）（oh）4表示[1]。不同的m1、m2形成不同的云母品种，例如m1＝k2、m2＝al4时为白云母（muscovite），结晶水更多时为绢云母（sericite），而m1＝na2者则为钠云母（paragonite）。在金云母（phlogopite）中m2为mg6，同时oh可为f取代，而所有oh被f取代者即为氟金云母（fluorophlogopite），它在自然界中不存在，纯属人造。当m2为mg和 / 或二价fe时（共十二价）称黒云母（biotite），还有含锂、钒、铬等金属离子的品种，品种繁多。天然云母一般以某种云母为主，同时含一定量的其它品种。

        云母如同花岗岩，具有极高的稳定性，在一般情况下不与强酸强碱反应，也不溶于水和各种溶剂，到800ºc左右才开始失去结晶水，可在更高温度（如1200ºc）正常工作。云母还有极高的绝缘性能（1012~15欧姆。厘米），其中以氟金云母和白云母为，而黒云母因含铁量过高而稍逊。不同云母品种的其它性能差异较小。

        云母zui大的特点是具有优异的片状晶形，可剥出厚度仅数微米的大片，zui小极限厚度约1纳米，这是任何其它矿物所不具备的。云母晶片致密，坚硬而有弹性，表面光滑、光亮，呈珠光样光泽。不透光，能吸收紫外线，具有较高的红外辐射能力。特别是经过湿法加工的云母粉，晶片极薄（纳米级），具有极大的覆盖、阻隔等功能，在各种材料中有众多的用途，可赋予材料以各种优异的性能。就此而言，湿法云母粉的应用在许多场合是无可替代的。

1云母粉在橡胶中的应用

1．1  改善橡胶的气密性

       橡胶的气密性对于许多橡胶制品来说是首要性能，如内胎、球胆以及许多救生用品等等。要提高橡胶的气密性，除了加工工艺和涂施工艺外，主要取决于橡胶本身及其填料的性质。橡胶的致密性越好，制品的抗通透性也越好。当然这类胶种价格不菲，这里有成本问题，因此使用功能性填料湿法云母粉，代价低而效果好，其意义就尤其重要。正因为如此，在石油成为全球经济发展的重要制约因素的时候，例如从上世纪70年代石油危机以来，固特异、住友橡胶、普利斯通、斯珀汀等等公司就致力研究云母粉的应用。

        如上所述，湿法云母粉具有优异的薄片状晶形，粉体微粒的厚度以纳米计，直径与厚度的比值（径厚比）高达80~120倍，比表面积达10 000~18 000 cm2 / ml，能在材料内形成层层阻隔。这种阻隔作用也被成为“屏蔽效应”和“迷宫效应”，使有害物质难以进入材料，进入后又难以扩散、迁移、穿透。国外研究证明，使用大径厚比片状填料以后，有害物质穿透漆膜的时间延长3倍。这种作用是颗粒状填料以及径厚比较小的其它片状填料所不具备的。片状填料在压延、拉伸等作用下，在橡胶内形成层层排列，其取向与橡胶表面平行，与气体穿透方向垂直。

         国内外在此领域内的研究很多，已形成无数的研究报告和专利文献。虽然在有些专利文献中提及了滑石粉、高岭土等材料（为了扩大专利权范围，并掩盖技术诀窍），但是工业界已经弄清，要获取优异的阻隔作用，片状填料的径厚比至少要达到50倍，在70倍以上。而滑石粉、高岭土等的径厚比仅为几倍，即使是干法云母粉也通常只有10倍左右，影响其工业实用价值。再则，滑石粉、高岭土等矿物与云母不一样，常有多晶形问题，如果所用滑石粉、高岭土为非片状形态的矿物，就起不了作用。

        在橡胶内加入湿法云母粉以后，气密性将大幅度提高。

1．2  改善漆膜的物理机械性能

        众所周知，片状和纤维状填料可分散材料所受到的应力，其机制与混凝土中的钢筋相似，众多增强材料（塑料、橡胶、树脂等）使用各向异性材料，其原理是相同的。颗粒状填料没有这种作用。加入大径厚比填料（湿法云母粉）的橡胶、塑料和树脂，其抗冲击性、机械强度、形态稳定性等都有明显改善。材料学上对此研究颇多[5]。

         树脂（如橡胶）本身的硬度都有限，不少填料的强度也不高，如滑石粉等。相反，云母是花岗岩的成分之一，其硬度和机械强度很大。所以涂料中加入云母粉作填料，其抗磨性能可明显提高。湿法云母粉还可以改变橡胶的摩擦特点，不同的用法作用不同，如提高摩擦系数，或改善润滑性能（如雨刮器）。

        加入大径厚比填料后，材料（如橡胶）的弹性模量等物理性质则有很大改善，这对于橡胶等材料来说，是非常重要的。

         云母粉的偶联处理对于上述应用有极大的作用，它大幅度提高材料在化学意义上的整体性，从而使材料的性能得以极大地提高。

1．3  绝缘性能

         云母具有极高的电阻，用云母粉来提高材料的绝缘性能是广为人知的。橡胶的用途之一是用作电线电缆的绝缘材料，湿法云母粉的使用是重要手段。需要提及的是矿道、隧道以及类似场合下使用的电缆，这类电缆需要在火警情况下保持绝缘状态。国外已经开发一类特殊的绝缘材料，它们由树脂（包括硅橡胶、有机硼树脂）和云母粉等组成。这类绝缘材料在火警的高温下转化成陶瓷样物质，保留良好的绝缘性能和机械强度，可使电缆在火警情况下保持绝缘[7]。另须提及的是含铁量降低云母的绝缘性能，而干法云母粉没有洗矿，含铁量一般都较高，不宜使用这类云母粉。

1．4  减振隔音作用

        不少隔音减振材料使用橡胶，以改变材料的粘弹性等物理性状，形成理想效果。大径厚比湿法云母粉能改变材料的一系列物理模量。再则，晶片间的能量（如震动波、声波）反射，也吸收和削弱这些能量。据此，车辆和家电使用的“减振片”多配入云母粉。同理，度多其它减振隔音材料也使用湿法云母粉。

1．5 橡胶模压硫化中的脱模剂

         许多情况下橡胶的模压硫化不使用金属模具或类似模具，此时脱模剂的性能直接影响到生产。例如轮胎的模压硫化使用气囊，如不使用高性能脱模剂，势必发生制品和模具的粘连，既损害模具，也会造成大量次品，对生产的危害很大。

        这类脱模剂常使用润滑油脂、有机硅、有机氟等材料。由于固体润滑剂在其中起到不可或缺的作用，所以现代的这类脱模剂一般都加入云母粉。湿法云母粉具有完美的片状晶形，晶片极薄，对模具表面的遮盖能力和隔离能力极高。而且湿法云母粉的晶片表面及其光滑，能有效地防止材料之间的粘连。湿法云母粉的纯度高，造成橡胶与模具粘结的有害杂质含量极低，非常适用。杂质如石英、长石和其它矿物的微粉，它们无片状结构，且表面毛糙，是造成脱模困难的重要原因之一。干法云母粉造成脱模困难的另一原因是云母微粒本身表面非常毛糙，造成粘连。加入湿法云母粉以后，还在橡胶与模具之间形成排出气体的通道，防止气体在该间隙内的滞留，从而改善制品的外观性状。

同理，湿法云母粉也是高档润滑油（极压级润滑油）的关键组分。

         湿法云母粉在橡胶中的应用远不止于此。充分利用湿法云母粉的独特性能，可开发出许多很有价值的新型橡胶制品来，形成许多有价值的应用技术。

2云母粉的生产方法

如上所述，大多数国家（如我国）用云母矿生产云母粉，其中主要使用二种方法，即干法和湿法。干法生产很简单，剔除原矿中的大块石块，用雷蒙磨等强力研磨机械干磨，即制得干法云母粉。由于这类研磨机械能力极强，可将坚硬的石头（如石英、重晶石）磨成微米级的粉体，所以可以从云母矿磨制各种目数的产品。这种方法的生产成本很低，一吨矿zui多可生产将近一吨产品。

问题之一是产品质量依赖于原矿品位。由于矿中云母含量常在20~40％，故干法云母粉的纯度只有30~70％，而且纯度随原矿品位变化而变化。大量的石英、长石和其它矿物一起磨成微米级的粉末，无法分除，对产品的应用性能影响很大。

        问题之二是产品的形态学品质差。晶片在强烈研磨作用下受到损害，产生撕裂、穿孔和表面毛糙。zui大的问题之一是干法云母粉晶片的径厚比很小，因为在从云母晶粒上磨下来的晶片，其强度相对较小，特别容易折断，而且越薄就越容易折断，所以无法形成径厚比大的晶片。干法产品径厚比通常在10倍左右，个别能达到20倍；厚度通常为数微米，甚至更高；比表面积通常为3000~4000 cm2 / ml，与橡胶工业应用的合理要求（至少50倍，70倍以上）相差甚远。国外有云母边角料的干磨专用设备，它产生云母晶层间的错动力，使云母晶粒 / 晶块解体成剥片，晶片损伤较少，径厚比也较大些，可惜我国还没有这类设备，也没有足够量的云母边角料来源。

        干法云母粉在国外多用于配制钻井泥浆（减少井壁的通透性，防止泥浆中的水向地层逃逸），制造牛毛毡、电焊条等。在我国也用于涂料，这对已经影响到我国涂料工业水平的提高。如果将其用于橡胶、塑料，则危害更大。

       湿法工艺比较复杂，它始于洗矿，首先用水将绝大部分非云母矿物洗除，得到富集的云母悬浮体。然后用高速离心法除去残存砂粒，得高纯度产物。由于水和化学药品的作用，云母晶层间作用力被削弱，晶片从晶粒上自然剥下，无强力机械研磨，晶片未受任何损伤。然后漂白脱色、分级沉降、压滤、干燥、成粉和检验包装。对于化妆品等特殊用途的产品，还须脱除有害元素。产品晶形完美，表面光滑，珠光强烈，可制得各种粒径的产品，粒径分布集中。晶片极薄，径厚比特高（80~120倍），比表面积大（10 000~18 000 cm2 / ml），纯度高也（95~98％）。在技术上，作为功能性填料（材料），仅指湿法云母粉而已。此法的缺点是生产成本很高，耗用大量的水电汽和药品，设备多而复杂，生产周期也很长。原料云母矿单耗很高（3~6吨矿 / 吨产品）。原矿云母的回收率在80％左右。

         在我国市场上，还有一种云母粉也被称作“湿法云母粉”（早年也称“半干半湿云母粉”）。它是用同上干磨方法制成的，但增加水洗，以提高云母含量，但效果有限，因为微米级粉体极难用淘洗来分离。目前市场上含量50~70％的云母粉，即是此类产品。更大问题是干磨形成的晶片形态已经无法改变，淘洗不可能使晶片变薄、变完美。所以这种云母粉只能归入“干法淘洗云母粉”，在本质上仍然是干法产品，而非湿法产品。

        湿法云母粉的具体生产工艺有多种，如湿磨法，即在水存在下用特殊设备研磨云母边角料（注意：不是云母矿）。该设备产生晶层间的错动力，同时在水和化学药品的作用下使晶粒解体成晶片，所以都不损伤晶片。湿法是在水中使云母晶粒剥出晶片，这是与干法的根本区别所在，也不是淘洗。

        我国的云母资源并不富裕，我们应当节约使用，用有限的资源生产高水平云母产品，为我国材料工业的不断发展作出应有的贡献。

3湿法云母粉和干法云母粉的鉴别

        为了正确使用云母粉，工业上常需要鉴别云母粉的内在品质。粒度等等容易测定，但是形态学特性、云母含量等等的鉴定，就成了生产企业的头痛问题。当然要用元素分析（如x－射线荧光分析）来测定各种元素的含量，判定云母含量；用粒度分布仪（如coulter粒度仪）测定粒度分布和比表面积等重要数据，判定形态学特征。但是一般涂料厂难以具备这些条件。

        这里介绍几种简单的鉴别方法，都是利用二种云母粉形态差异进行的。

3．1  沉降法：取10 ml量筒，加1 g云母粉，加水数ml，摇匀，再加水至10 ml刻度。摇匀，静止观察沉降速度。干法云母粉通常在60分钟左右沉降到底，形成约7 ml的上层清液。相反，湿法云母粉通常仅形成大约1.5~3 ml上层清液，形成约7 ml上层清液需要数小时。如果用更大的量筒，云母粉和水的用量，以及上层清液的体积按倍数增加。原理是湿法云母粉的晶片很薄，悬浮性很好，而干法产品晶片厚，又含较多石英粉末等，悬浮性差。

3．2  密度法。原理是湿法云母粉的晶片很薄，难以形成紧密堆积。

3．2．1  松密度法：将粉体充分打松，倒入已经称重的量筒至某一刻度，称重，计算比重。湿法云母粉的松密度通常在0.25 g / ml左右，而干法云母粉通常达到0.5 g / ml。

3．2．2  实密度法：将粉体倒入已经称重的量筒，称重，振动（如在桌面上轻轻敲击），使粉体体积减小，至粉体体积不再下降为止（通常约10~15分钟）。计算比重。湿法云母粉的实密度通常在0.50 g / ml左右，干法产品在0.70~0.80 g / ml。

3．3  珠光效应：取约0.1~0.2 g粉体，置于无色透明玻璃杯中，加水约60~80 ml，搅拌。湿法云母粉形成明显珠光。珠光越差，说明云母含量低、晶片差。注意：须边搅拌边观察，此时云母晶片因水流而形成整齐排列、反射珠光；水流停止，排列变乱，珠光就消失。此法的缺点是无法定量，只适合相互对比。