Characterization of thermal behavior of two types of kaolin in China by ultrafast Joule heating combined with XRD, FT-IR, TG-DSC and SEM

论文亮点

• 首次将超快焦耳加热技术应用于高岭土热行为研究，加热速率可达~10⁵°C/s，冷却速率~10⁴°C/s
• 系统比较了中国广西沙质高岭土和内蒙古硬质高岭土在不同温度下的相变行为和结构演变规律

研究背景

• 高岭土是一种重要的粘土矿物，广泛应用于陶瓷、造纸、耐火材料等领域
• 中国高岭土资源丰富，根据质量和砂含量可分为硬质高岭土、软质高岭土和沙质高岭土
• 传统马弗炉加热研究高岭土热行为存在加热冷却时间长、残余热影响结构等问题

研究方法

材料准备

选取广西沙质高岭土(SKaol)和内蒙古硬质高岭土(HKaol)，研磨至200目，筛分至74μm以下，110°C干燥24小时。

超快焦耳加热处理

在空气气氛下，对200mg高岭土样品分别在400、500、600、700、800、900、1000、1100和1200°C下加热1分钟。

表征技术

• XRD分析: 使用Bruker D8 Advance衍射仪，CuKα辐射源，扫描范围5-70°(2θ)
• FT-IR分析: 使用Thermo Scientific Nicolet iS20光谱仪，波数范围400-4000cm⁻¹
• TG-DSC分析: 使用PerkinElmer STA 8000，加热速率10°C/min，温度范围30-1200°C
• SEM分析: 使用ZEISS SUPRA55扫描电子显微镜观察样品形貌

主要结论

• 沙质高岭土主要由高岭石、白云母和石英组成，硬质高岭土主要成分为高岭石，含少量锐钛矿
• 沙质高岭土在700°C完成脱羟基，硬质高岭土在800°C完成脱羟基
• 硬质高岭土的莫来石转化率和结晶度显著高于沙质高岭土

XRD分析结果

沙质高岭土(SKaol)主要由高岭石(68.7%)、白云母(24.2%)和石英(7.1%)组成；硬质高岭土(HKaol)主要成分为高岭石，含少量锐钛矿。

成分	SiO₂	Al₂O₃	K₂O	Fe₂O₃	TiO₂	其他
SKaol	54.96%	40.64%	2.59%	1.13%	0.14%	0.55%
HKaol	47.60%	47.00%	0.27%	1.27%	2.33%	1.53%

加热后XRD分析

随着温度升高，两种高岭土中高岭石衍射峰强度逐渐减弱。沙质高岭土在700°C完全失去羟基，高岭石转变为偏高岭石；硬质高岭土在800°C完成脱羟基。1100°C时白云母完全消失，伴随莫来石形成。石英结构相对稳定，不受超快焦耳加热影响。

FT-IR分析结果

在3695和3619cm⁻¹处的吸收峰分别归因于表面羟基和内部羟基的伸缩振动。912cm⁻¹处的吸收峰归因于Al-OH弯曲振动。794、754和695cm⁻¹处的峰归因于Si-O-Al振动和内部羟基伸缩振动模式的组合。

加热后FT-IR分析

沙质高岭土的羟基伸缩振动强度在700°C显著降低，1100°C完全消失。硬质高岭土的羟基在800°C完全消失，表明高岭石完成脱羟基并形成无定形偏高岭石。随着温度升高，Al-OH和Si-O-Al键断裂，这与XRD分析结果一致。

TG-DTG-DSC分析

在400-700°C温度范围内，沙质高岭土和硬质高岭土的质量损失分别为10.25%和14.02%，归因于高岭石结构羟基以水形式脱附。硬质高岭土的总质量损失(15.41%)显著高于沙质高岭土(11%)。在995°C左右观察到放热峰，归因于偏高岭石向亚稳态Al-Si尖晶石和莫来石转变。

SEM分析

原始沙质高岭土呈现层状结构，硬质高岭土呈现片状团聚体结构。

加热后SEM分析

400°C时两种高岭土形貌基本未变。700°C时高岭石失去所有羟基，导致沙质高岭土层状结构坍塌和硬质高岭土片状颗粒破碎。1000°C时高岭石层状结构完全破坏，沙质高岭土出现层间粘附，硬质高岭土颗粒熔化形成无定形相。1200°C时高岭石显著熔化，伴随无定形相形成莫来石，硬质高岭土的转变更为明显。

高岭土热演变示意图

室温下，沙质高岭土的物相组成为层状高岭石、白云母和石英；硬质高岭土形成片状高岭石团聚体，含少量锐钛矿。700°C沙质高岭土完成脱羟基，800°C硬质高岭土完全失去结构水。1000°C时硬质高岭土物相向莫来石转变。1200°C时沙质高岭土最终由莫来石和石英两相组成，硬质高岭土中高岭石向莫来石转变更完全，莫来石含量和结晶度增加。