3 Каолин

Каолин, или белая глина ­–­­­­ минерал, представляющий собой гидратированный силикат алюминия. На практике используют каолин двух основных типов – природный каолин, содержащий гидратную воду, и прокаленный, обезвоженный, каолин. Частицы каолина относительно больших средних размеров состоят из нескольких пластинчатых чешуек, соединенных между собой. Наиболее мелкие фракции представляют собой главным образом единичные тонкие пластинчатые чешуйки.

Каолин, содержащий гидратационную воду, является неабра­зивным, химически стойким, а его частицы имеют относительно высокую площадь поверхности, что способствует резкому нара­станию вязкости наполненных композиций. При введении каолина в реакционноспособные системы необходимо учитывать кислот­ность создаваемой им среды. Каолин, содержащий гидратацион­ную воду, легко диспергируется в большинстве полимеров и свя­зующих, особенно в присутствии диспергирующих агентов или поверхностно-активных веществ. При наполнении каолином тер­мореактивных (отверждающихся) смол, армированных короткими волокнами, улучшается равномерность их течения, что позволяет получать композиционные материалы с более однородными свой­ствами.

Для прокаленного (обезвоженного) каолина характерна зна­чительно более высокая твердость, а пластмассы на его основе обладают повышенными электрическими характе­ристиками.

Для обеспечения повышенной водостойкости, улучшения элек­трических свойств и достижения максимального упрочняющего эффекта используют каолин со специально обработанной по­верхностью частиц.

Способы получения. Каолин – сокращенное название минерала каолинита, относящегося к классу глин. Глины – это осадочные горные породы, которые при смешении с водой ста­новятся пластичными. В состав глин входят кварц, слюда, углерод, железо и оксиды титана, а также ряд дру­гих минералов. Добыча глины обычно осуществляется карьерным методом.

Каолин получают методом воздушной фильтрации; методом выщелачивания, для улучшения электрических свойств и исключительной белизны такой каолин подвергают прокаливанию; физическими и химическими методами очистки получают очищенный каолин с высокой степенью белизны. Каолин, полученный перечисленными выше способами, может быть подвер­гнут обработке агентами, модифицирующими поверхность его частиц, что необхо­димо для обеспечения повышенной способности к диспергированию, улучшения электрических свойств, повышения водостойкости и достижения максимального упрочняющего эффекта в наполненных полимерных материалах.

Типичный состав каолина представлен в таблице 3.1.

Физические свойства. Монокристалл каолина представляет собой двухслойный алю­мосиликат, содержащий гидратационную воду и состоящий из химически связанных слоев диоксида кремния и гидратированного оксида алюминия. Он имеет форму гексагональной пластины. В процессе формирования отдельные монокристаллы могут прочно соединяться друг с другом, что приводит к образованию природ­ных частиц, достаточно больших размеров. Частицы с диаметром эквивалентной сферы около 10 мкм и выше представляют собой пачки пластинчатых кристаллов, высота которых приблизительно равна их среднему диаметру.

Таблица 3.1 -Типичный химический состав каолина.

Элемент	Соединение, в состав которого	Содержание соединения, %
	входит данный элемент	в гидратированном каолине	в прокаленном каолине
Кремний	Si02	45,4	52,1—52,9
Алюминий	А1203	38,8	44,4—45,2
Железо	Fe203	0,3	Следы
Титан	Ti203	1,5	0,8—2,0
Кальций	CaO	0,1	-
Натрий	Na20	0,1	-
Калий	K20	Следы	-
Потери при прокаливании	H20	13,8	0,5—0,9

Отношение длины к диаметру более мелких частиц может различаться в зависимости от диаметра экви­валентной сферы и метода измельчения. Частицы с диаметром эквивалентной сферы около 2 мкм и менее представляют собой тонкие пластинки, средний диаметр которых в 4 – 10 раз превы­шает их толщину. Средний размер частиц (диаметр эквивалентной сферы) каолина небольшой и составляет (в зависимости от месторождения и метода получения) 0,7-9 мкм.

Очищенный каолин, из которого удалены твердые примеси, является неабразивным. В отличие от него прокаленный каолин характеризуется повышенной твердостью и абразивностью, о чем свидетельствуют высокие значения твердости по Моосу. Микрофотографии частиц каолина различных марок приведены на рисунке 3.1. Плотность каолина составляет 2,5 – 2,63 г/см³, твердость по Моосу -2-8, удельная поверхность (по методу БЭТ) изменяется от 6 до 24 м²/г.

Каолин является хорошим диэлектриком.

Химические свойства. Каолин обычно плохо диспергируется в полимерах, образуя агломераты частиц, что является следствием его двухслойной структуры и высокой активности радикалов, возникающих при разрушении связей на боковых поверхностях кристаллов. Этот эффект особенно резко проявляется при уменьшении размеров частиц. В то же время активные поверхности кристаллов каолина могут легко взаимодействовать с органосиланами, различными солями металлов, в том числе стабилизаторами поливинилхлорида, полярными полимерами, замасливателями и т. п., что способствует улучшению диспергируемости каолина.

Крупнозернистый, полученный методом воздушной флотации	Крупнозернистый марки "Гидрайт Флэт D" со средним размером частиц 4,5 мкм, полученный методом выщелачивания
Мелкодисперсный, очищенный, не содержащий "пачек" пластинчатых кристаллов	Со средним размером частиц 1,5 мкм, полученный методом выщелачивания

Рисунок 3.1 - Микрофотографии частиц каолина типа "Джорджия".

Поверх­ностная обработка частиц как содержащего воду, так и прока­ленного каолина улучшает физико-механические свойства компо­зиций на его основе вследствие повышения прочности адгезион­ного сцепления с полимерной матрицей, облегчает диспергирова­ние, улучшает текучесть и способствует стабилизации свойств в различных условиях эксплуатации. На практике обычно используется као­лин с поверхностной обработкой частиц.

Применение. Каолин находит широкое применение в производстве армиро­ванных пластиков, в частности полиэфирных премиксов и препрегов. При этом благодаря пластинчатости его частиц и способ­ности к загущению связующего предотвращается отжим связую­щего и уменьшается шероховатость поверхности отформованных изделий (рисунок 3.2). Для этих целей используют каолин с размерами частиц менее 44 мкм (частицы проходят через сито 325 меш), На рисунке 3.2 показано влияние размера частиц каолина и их концентрации на вязкость полиэфирных пресс-композиций.

1 – 7 мкм; 2 – 4,5 мкм; 3 – 1,5 мкм; 4 – 0,77 мкм.

Рисунок 3.2 - Влияние размера и концентрации частиц каолина на вязкость

отверждающихся олигоэфирных композиций.

Для повышения разрушающего напряжения и модуля упру­гости при растяжении термопластов с низкой температурой стек­лования особенно эффективно использовать в качестве наполнителя каолин с относительно малыми размерами частиц со специальной поверхностной обработкой, что позволяет повысить эти показатели при незначительном уменьшении относительного удлинения при раз­рыве и ударной вязкости.

Свойства поливинилхлоридных изоляционных материалов для проводов значительно улучшаются при использовании в качестве наполнителя до 30 масс. ч. на 100 масс. ч. смолы про­каленного каолина с гидрофобной обработкой поверхности частиц каолина.