合成云母的制备

背景及概述^[1,3]

云母是含有K，Al，Mg，Fe，Li等多种金属元素的层状硅酸盐矿物的总称。从结构与成分上看，其主要是具有单斜晶系复网层状结构的碱土金属与碱金属的水铝硅酸盐，通式（天然X0.5-1Y2-3Z10(OH)2。云母由于其良好的弹性、透明性、高频绝缘性以及化学稳定性被广泛应用于航天、电器、机械、珠光效应材料等领域。目前世界天然云母的主要产地集中在印度，加大，巴西等少数几个国家。我国优质天然云母资源较为贫乏，随着工业水平的不断提高，优质云母的需求量逐年攀升，进口天然云母已远远不能满足国内市场需求。而合成云母（主要指氟金云母）相比于天然云母受自然资源条件限制较少，其结构与天然云母相似，并且其纯度、透明性、绝缘性以及耐高温能力均优于天然云母，因此在某些工业应用方面能够完全替代甚至超越天然云母。

合成云母特点^[2]

人工合成云母工艺流程包括称料、混匀、装炉、电熔、冷却、开砣、破碎分剥等核心工序，主要原理是在一定条件下，采用化工原料经高温、熔融、冷却和结晶而成的单斜晶层状硅酸盐，其化学分子式为KMg3（AlSi3O10）F2。与天然云母相比，具有更耐高温（高达1200℃以上）、更高的电阻率（高1000倍）、更耐酸碱、透明、可分剥和富有弹性等优点，是宇宙飞船用的合成余怒绝缘片、环境监测卫星合成云母绝缘片、雷达移相器合成云母极化片等核心基础材料，还在医疗卫生领域有较好应用前景。目前，中国的云母产量在15万吨左右，其中人工合成云母产量5.7万吨，且只有几个小厂家生产，均为代产品，其质量指标达不到高端市场要求，仅用于生产低端的绝缘、涂料等产品。目前全世界每年对云母制品的需求量近50万吨，且每年的需求量以较快的速度增长。

制备^[1]

合成云母的主要制备原理是使用适当配比的原料混合后进行高温熔融获得熔体，再将熔体进行冷却降温，当熔体温度低于凝固点时，熔体中原子（分子）的无序堆积开始变为有序排列并析出固体。因此该过程属于一个固液相变的过程。云母合成工艺中的加热过程、容器、原料配比均会对固体析出的状态产生影响，从而直接影响到产品的品质。比如制备氟金云母时，过快的冷却速度可能会导致产品为硅镁石而非云母，而较慢的冷却速度则可能对形成较大的晶体有利。

1.氟金云母的制备工艺

基于上述原理，云母的合成工艺主要可分为坩埚下降晶种法和内热法。其中坩埚下降晶种法虽然能够制备书板状大型晶体，但是由于其耗能高、周期长并且需要使用昂贵的铂坩埚，导致其生产成本较高，因此在大规模工业生产中应用较少。而内热法主要是将合成云母所需原料（主要有电熔镁砂、石英粉、氟硅酸钾、氧化铝粉和碳酸钾等）按照一定配比混合后加入耐火砖砌成的高温炉中，利用加热电极将部分生料熔融，熔融后的熔体能够导电，从而将原料全部熔化，最后冷却析出晶体从而得到云母产品。内热法具有耗能少、收率高、氟化物挥发小的优点，而且不需要坩埚。因此该方法作为目前大规模生产合成云母的主要方法得到了广泛而深入的研究。

近20年来，随着云母合成工艺水平的不断提高，我国通过内热法和晶种法都长出了合成云母大晶体，面积560cm2，是迄今世界上的合成云母片。我国合成云母研究虽起步较晚，但目前在生长大尺寸合成云母技术方面已达到世界领先水平。

2.其它合成云母

氟金云母具有纯净、透明度高、耐高温等优点，但是其存在一个的问题，就是与天然的云母相比，硬度较大，弹性较差，这种硬而脆的特性使得加工成的合成云母粉的径厚比较差，堆密度较大，附着力较差，造成氟金云母生产的珠光颜料色饱度较低，这在小粒径上表现尤为明显。而这种硬而脆的特性最主要是有Mg取代Al、F-取代-OH而形成的，即结构决定性质。因此开发其它种类的合成云母在提高珠光颜料产品品质和拓展合成云母应用范围方面具有重要的意义。

主要参考资料

[1] 合成云母制备工艺研究进展

[2] 人工合成云母研究现状及发展趋势研究

[3] CN201510887293.4一种制备合成云母的方法及所制备的合成云母和应用