蛭石功能化应用研究新进展随着能源危机、环境污染以及化石燃料过度开采等一系列问题的出现，降低能源消耗、开发可再生能源、提高能源利用率以及治理生态环境已经成为世界各国共同促进的发展战略。蛭石作为新型环境友好型层状硅酸盐矿物材料，其产品可广泛应用于污染物的吸附，催化剂的负载，保温材料、相变材料的制备等领域。蛭石是我国优势非金属矿产之一，主要分布于新疆、河北、内蒙古、辽宁等省区，新疆尉犁县且干布拉克是我国规模最大、最具代表性的蛭石矿产地，储量约占全国总储量的90%，居世界第二位。
蛭石改性及其应用
天然蛭石可被直接应用于重金属离子、有机物的吸附和催化剂的负载等方面，但作用效果不明显，这是由于天然蛭石存在层电荷量相对较少，层间距小，比表面积低等问题所导致。因此，国内外学者通过采用浸泡、搅拌、超声波处理等方法对蛭石进行改性，通过酸化、层间阳离子交换以及有机物柱撑的方式，实现其他离子或有机改性剂插入蛭石层间、四面体或八面体层结构中，从而提高蛭石的层间距、比表面积和层间电荷量，最终达到改性后的蛭石对重金属离子吸附量的增加、光催化效果的提升、污染物的固化效果增强。
目前，我国对于改性蛭石的生产仅仅处于实验室制备阶段，远远达不到量化生产标准，这主要是由于蛭石改性工艺复杂，改性产品性价比低等原因。尽管经过酸化、层间阳离子交换以及有机插层后的蛭石，其层间距、层电荷容量、比表面积与孔隙率得到明显提高，应用于催化剂的负载和单一重金属离子的吸附方面效果较为显著，但对与实际生活中多重复杂污染物的吸附效果较差。因此，制备成本低、性能优良的改性蛭石成为国内外研究的热点。
01
膨胀蛭石
蛭石受热体积可瞬间膨胀2~20倍，低膨胀率蛭石层间少数片层被打开，晶体结构完整，并且仍保留本身的阳离子交换性和吸附性，可用于重金属离子吸附及污染物降解的研究；而在高温下蛭石发生较为完全的膨胀，其热稳定性和保温隔热性得到改善，比表面积和孔隙率大幅提高，可直接用于改良土壤的通气性和保水性以及作为饲料和建筑材料的添加剂使用，并且高膨胀率蛭石被成为试隔热、相变、隔音等功能复合材料的重要原料之一。
（1）膨胀蛭石的制备
膨胀蛭石使用性能往往与膨胀程度紧密相连。一般来说，蛭石膨胀倍数越高，使用性能越好。蛭石膨胀工艺是制备高性能膨胀蛭石产品的关键环节。国内外学者对于蛭石高膨胀制备工艺的研究较多，主要制备的方法是热膨胀法、化学膨胀法和微波膨胀法。热膨胀法制备膨胀蛭石，即蛭石在1200℃的高温窑炉中煅烧几分钟，蛭石快速吸热，层间水急剧蒸发，蛭石层在蒸汽压的作用下发生分离。目前，尽管微波加热技术趋于成熟，但我国膨胀蛭石的主要生产方式仍是将天然蛭石放于立式窑炉中高温煅烧，这一落后的制备技术伴随着膨胀蛭石脆性大且能耗高等诸多问题，并且导致膨胀蛭石的应用性能下降和环境污染。因此，针对蛭石膨胀率低、膨胀性能差的瓶颈，应开发膨胀蛭石制备新工艺，提高膨胀蛭石的综合性能，这对我国膨胀蛭石工业化生产以及功能化应用具有深远意义。
膨胀蛭石基复合材料制备示意图
（2）膨胀蛭石基复合材料的应用
蛭石受热层间水迅速蒸发，在相对密闭的层间，蒸汽压作用于蛭石层，蛭石发生不同程度的膨胀。膨胀后的蛭石层间被撑开，片层之间对热、声波等辐射的吸收、折射、反射作用加强。因此，膨胀蛭石大颗粒可和一些无机粘合剂机械混合，经过热压或者冷压而制成的性能优良的膨胀蛭石隔音板和耐火隔热板。此外，膨胀后的蛭石空隙率明显提升，微-纳米级孔径以及膨胀蛭石的保温性为相变材料的制备提供保障。利用膨胀蛭石粉末装载具有相变性质的功能材料，制备膨胀蛭石基相变复合材料，膨胀蛭石基复合材料的制备示意图（见图3）。
☑隔热保温材料
膨胀蛭石板是我国主要的蛭石初级加工产品，最高使用温度可达1000℃，且具有极佳的隔热防火性能。蛭石板主要制备方法是将膨胀蛭石与其他耐高温、隔热材料直接混合加工，经热压/冷压而成。
☑隔音材料
蛭石经过膨胀后，紧闭的蛭石层被打开，蛭石层间对声波起到了反射、折射和吸收的作用，有效地吸收声波的能量，并将其变为热能，阻断或削弱噪声在空气中的传播。
☑相变储热材料
膨胀蛭石的微米级大孔隙可被相变材料所填充，相变材料反应吸放热过程中蛭石起到保温隔热的作用，使相变复合材料具有更加优良的储热性能。
目前，膨胀蛭石基复合材料具备制备工艺简单、成本较低、性能优良等优势，在我国已经被广泛应用于在日常生活中的建筑物保温、自加热食品、隔音板和隔热板等诸多方面，但是对于应用环境较为苛刻的方面，这些初级蛭石产品很难适用。例如，航天器的保温层、工厂废热的储备循环利用等。因此，研究从膨胀蛭石基复合材料合成出发，从简单机械物理法混合到物理-化学联合法均匀复合，实现复合材料的功能最优化，开发高性能膨胀蛭石基复合材料具有广泛的应用前景成为了国内外研究热点。
02
蛭石纳米片
蛭石堆叠层状结晶层结构及层间通过范德华力/库仑力连接，使蛭石剥离成纳米尺度的结构单元（2d纳米片）成为可能。
2d纳米片制备机理是：蛭石通过外加机械剪切力或超声声波等作用破坏层间作用力，从而实现将蛭石片层剥离为单层或几层的纳米级薄片。2d蛭石片作为蛭石深加工产品，相比较改性蛭石和膨胀蛭石，由于层间较为完全的被打开，使得其具有更大的比表面积和孔隙率，以及化学/热稳定性也得到了较为明显的提高。
现阶段，2d蛭石片尽管具有很多优点，但剥离工艺处于探索阶段，存在剥离效率低且成本高等诸多问题，阻碍蛭石纳米片的工业化生产与功能化应用，导致蛭石纳米片仅仅处于高校与研究院的实验室阶段。因此，高效剥离蛭石纳米片有助于蛭石产品的更深层次应用。
展望
蛭石这一矿产资源在我国储量丰富，且其产品具有优质环保的性能。膨胀蛭石及膨胀蛭石基复合材料等初级蛭石加工产品在我国已经得到了较为广泛的应用，但蛭石初级产品在苛刻环境下存在应用性能差以及生产过程中存在污染环境、性价比低等诸多问题，加之我国对蛭石资源的综合开发利用尚且不够，原料存在大量浪费，廉价出口等现象。因此，我国应结合丰富的蛭石矿产资源优势，合理科学地规划蛭石资源的开发利用，对蛭石资源的利用由初级产品制造和原料的出口转向蛭石高精尖产品的研发生产，使蛭石产品不仅可以在建筑保温、园林、农业等领域得到较为广泛的应用，而且同样可应用于航空航天、生物、储能等尖端领域。目前，虽然我国在蛭石产品研发上取得一定的成果，但在制备工艺和产品性能上仍存在不足，还需要在以下几个方面不断改进：
（1）对蛭石改性的方法深入研究，推动高值化利用。借鉴类似硅酸盐矿物材料的制备及改性方法，加强改性方法的机理研究，实现化学改性剂的突破，充分利用蛭石的片层晶体结构、层间阳离子交换性和热膨胀性，开发新型蛭石基功能复合材料。
（2）研究高性能、低成本的膨胀蛭石复合材料。优化膨胀蛭石工艺，采用化学改性-微波联合膨胀法，制备具有高膨胀率、多孔隙和低成本的膨胀蛭石；选择高性能的增强纤维、红外遮光剂等增强体是提高膨胀蛭石基复合材料的力学性能、隔热保温性能等综合性能的关键；研究膨胀基功能复合材料的复合机制，促进膨胀蛭石与功能材料的充分复合，从而实现复合材料的功能最优化。因此，低成本高性能膨胀蛭石复合材料是今后发展的趋势。
（3）研究制备高剥离率，工艺简单的蛭石纳米片。目前，蛭石纳米片制备工艺还不够成熟，纳米片剥离率低是阻碍蛭石深层次发展应用的主要问题。选取剥离蛭石片效果更好的化学试剂，采用化学-物理联合法剥离纳米片，提高蛭石纳米片剥离效率，优化蛭石纳米片的制备工艺也是今后的研究热点。
来源
刘猛,封金鹏,符林总,张坎,马昕,谢臻辉,石大伟.蛭石功能化应用研究新进展[j].矿产综合利用,2021(01):14-22.。本文由中国非金属矿信息平台编辑整理，转载请注明出处。
