曹心愚遼寧鑫達滑石集団有限公司（遼寧海城）

サマリー

タルクは、層状ケイ酸塩鉱物の一種として、その特有のシート状構造及び力学特性はプラスチック改質分野に顕著な応用価値を持たせた。遼寧鑫達タルクグループ研究開発センターはタルクの結晶構造から着手し、層間ファンデルワールス力と層内原子構造力の相互作用機序を深く分析し、そして粉砕過程において層間ファンデルワールス力（vander Waals force）を選択的に破壊することによって層内構造の完全性を保護する方法を詳細に検討した。同時に、本研究システムは高径厚比タルク粉体のプラスチック性能向上のメカニズムを説明した。研究結果により、剪断力強度、温度制御及び表面改質剤などの研磨プロセスパラメータを最適化することにより、タルク粒子の径厚比を効果的に向上させることができ、さらにプラスチック基体中の分散性と界面結合能力を著しく増強することができる。これらの発見はタルクの効率的な利用に理論的根拠を提供するだけでなく、プラスチック工業の性能向上にも新しい道を開いた。

キーワード：シンダー滑石、ファンデルワールス力径厚比研磨技術プラスチック改質

 1はじめに

タルク［化学式Mg 3 Si 4 O 10（OH）2］は典型的な層状ケイ酸塩鉱物であり、自然界に広く存在している。その独特なT−O−T（シリカ四面体−マグネシア八面体−シリカ四面体）層状構造は潤滑性、熱安定性、機械的性質などの滑石の優れた物理的及び化学的性質を与えた。これらの性質はタルクをプラスチック、ゴム、塗料などの工業分野の重要な充填剤と改質剤にする。シンダーグループの誠祥鉱山は中国に現存する四大鉱山の一つであり、遼南鉱石鉱床の主鉱脈に位置し、トップクラスの良質な滑石原料を豊富に産出し、白度が良く、純度が優れ、アスベストや重金属が全くないなどの利点があり、プラスチック、塗料、ゴムなどの分野に添加するための唯一の選択であり、本文の試験に採用された原材料でもある。しかし、タルクの応用性能は粒子の形態と密接に関連しており、特に径厚比（粒子径と厚さの比）はプラスチックにおける強化効果に影響を与える重要な要素となっている。高径厚比のタルク粉体はプラスチックの引張強度、バリア性、寸法安定性を顕著に高めることができるため、どのように研磨技術の最適化によって高径厚比タルク粉体の製造を実現するかが現在の研究の焦点となっている。

タルクの粉砕加工（磨鉱）過程において、層間結合力（ファンデルワールス力）を選択的に破壊して層内化学結合（共有結合とイオン結合）を損傷することを回避することは、タルク粉よりも高径厚の体制準備を実現するための核心的な挑戦である。本文は分子間の作用力の視点から、砥鉱技術がタルク構造に与える影響メカニズムを系統的に分析し、そして相応の最適化戦略を提案し、タルクの効率的な利用に理論的根拠と技術的支持を提供した。

2タルクの結晶構造と力学特性

2.1タルクの層状構造特徴

タルクの単層厚は約1ナノメートルであり、層内は強化学結合によって密接に結合している。シリカ四面体（Si−O）とマグネシア八面体（Mg−O）は共有結合とイオン結合により剛性の骨格構造を形成し、結合エネルギーは500〜1000キロコークス／モルに達する。この構造により、タルク層内に極めて高いせん断抵抗性と安定性が得られる。しかし、隣接層間は弱いファンデルワールス力と少量の水素結合によって結合され、力の強さは0.1〜10キロコークス／モルにすぎない。このような構造の違いにより、タルクは外力作用を受けた場合、層間劈開面に沿って優先的に破壊され、層内構造は比較的完全なままである。

高純度のシート状滑石はより工業的価値があり、シンダル滑石グループ滑石は遼南滑石鉱床の主鉱脈に産生し、中国にわずか4大鉱山の1つしか残っていない。成因タイプはマグネシウムリッチ炭酸塩岩中温熱液架橋型鉱床であり、国内で少数の良質な粉白滑石を持つ鉱床である。鉱石の形態は塊状、シート状で、白色、白色、青色、緑色を呈し、アスベスト、透閃石、蛇紋石などを含まず、重金属物質を含まない。シンダーグループの滑石はプラスチック、塗料、ペンキ、インク、ゴムなどの工業分野では得難い良質な資源である。

2.2ファンデルワールス力の作用機序

ファンデルワールス力は、瞬時双極子−誘導双極子作用により発生する分子間作用力である。その強度は分子間隔の6乗に反比例するため、分子間隔の小さいタルク層の間では、ファンデルワールス力が特に顕著に現れている。ファンデルワールス力は相対的に弱く、層内結合エネルギーの1000分の1程度にすぎないが、タルク層間結合強度を決定する重要な要素である。また、ファンデルワールス力は、層間せん断係数が層内平面方向の弾性係数よりもはるかに低い異方性を有するという特徴もある。この特性は、機械的せん断力によりタルク層を選択的にはく離するための理論的基礎を提供する。

3砥鉱過程におけるタルク構造の破壊機構

3.1伝統的な磨鉱技術の限界

ボールミルや衝撃式粉砕などの伝統的な磨鉱技術は、主に高エネルギー衝突によって鉱物粒子を粉砕する。このプロセスはタルク粉砕中にランダム方向の応力を発生させ、層間と層内構造が同時に破壊される原因となる。そのため、伝統的な磨鉱技術で製造されたタルク粉体は往々にして比較的に低い径厚比を有し、粒子厚が増加し、それによってプラスチック中での強化効果を低下させた。実験により、最適化されていない磨鉱技術はタルクの直径厚比を天然状態の20:1から5:1以下に下げることができ、高性能プラスチックへのタルクの応用を深刻に制約していることが明らかになった。

3.2ファンデルワールス力を選択的に破壊するための戦略

高径厚比のタルク粉体制の準備を実現するためには、層間ファンデルワールス力を優先的に破壊するとともに、層内構造を保護する必要がある。そのため、本研究は以下の重要な技術戦略を提案した：

a）せん断力主導の粉砕方式

設備の選択：シンダーグループの研究開発室は先進設備を購入し、伝統的な衝撃式研磨機の代わりにラミネートせん断式研磨機（例えば棒研磨機、縦型攪拌研磨機または機械研磨機）を採用する。積層せん断ミルは、2つの相対回転ローラを介して鉱物粒子にせん断力を加え、層間方向に離型させる。

力学シミュレーション：有限要素分析を通じてせん断角度を最適化し、30°〜45°の間に制御することを提案し、応力が層間方向に集中し、ファンデルワールス力を効果的に破壊することを確保する。

b）温度場の調整

温度範囲：40〜80℃の範囲内で、ファンデルワールス力は分子熱運動の増強によりさらに弱体化し、層内化学結合は相対的に安定し、温度の影響を受けない。

温度制御研磨鉱：研磨過程中の温度を正確に制御することにより、タルク層のはく離効率を著しく高めることができる。実験により、温度制御ミル鉱石は30%以上のピーリング効率を向上させることができることが明らかになった。

c）表面改質剤補助はく離

改質剤の選択：表面改質剤としてステアリン酸、シランカップリング剤などの極性分子を添加する。これらの改質剤の親水性端はタルク層表面に吸着することができ、空間抵抗効果により層間力を弱めることができる。

濃度制御：改質剤濃度は0.5%〜2.0%に制御する必要がある。濃度が低すぎると、改質効果が顕著ではない、濃度が高すぎると粒子の凝集を招き、分散性に影響を与える可能性がある。

4.高径厚比タルク粉のプラスチック性能への影響

4.1強化メカニズムの分析

タルク径厚比が15：1より大きい場合、プラスチックマトリックス中に「ナノシート」のような分散構造を形成することができる。この構造はプラスチック性能の向上に顕著な影響を与える：

力学性能：シート状滑石粒子は「橋梁効果」を通じて応力を伝達し、効果的にプラスチックの引張強度を高めた。実験により、高径厚比タルク粉体を添加したプラスチックの引張強度は20%〜40%向上することが明らかになった。

バリア性能：高径厚比のタルク粒子はガス拡散経路を延長でき、プラスチックの酸素透過率を著しく低下させる。実験データによると、酸素透過率は50%〜70%低減できる。

熱安定性：タルクシート層はポリマーセグメントの運動を抑制し、プラスチックの熱変形温度を高めることができる。熱変形温度は10〜15℃上昇することが実験的に証明された。

4.2工業応用例

遼寧鑫達滑石研究開発センターは最適化された研磨技術（せん断研磨＋1.5%シラン変性）を用いて17：1の径厚比を有する滑石粉体を製造し、それをポリプロピレン（PP）の変性に応用した。改質後のポリプロピレン材料は優れた力学性能を示した：曲げ弾性率は1.8 GPaから2.5 GPaに向上し、同時に、切欠き衝撃強度保持率は90%より大きく、伝統的な充填剤の剛性降下の欠陥を克服した。この応用例はプラスチック改質分野における高径厚比タルク粉体の巨大な潜在力を十分に示している。

5結論と展望

遼寧鑫達タルク研究開発センターの研究はタルクミルニング過程におけるファンデルワールス力の重要な役割を明らかにし、プロセス最適化による層間分離と層内保護を実現する技術経路を提案した。実験結果により、最適化された砥鉱プロセスパラメータ（例えばせん断力強度、温度制御及び表面改質剤の応用）は効果的にタルク粒子の径厚比を高めることができ、さらにプラスチック基体中の分散性と界面結合能力を著しく増強することができる。これらの発見はタルクの効率的な利用に理論的根拠と技術的支持を提供するだけでなく、プラスチック工業の性能向上にも新しい道を開いた。

タルク粉末はプラスチック工業の重要な機能充填剤として、シンダーグループが生産した製品は、高径厚比、優れた分散性と界面結合能力を有し、プラスチック製品の力学性能、熱安定性と寸法安定性を顕著に高めることができる。

今後、遼寧鑫達滑石グループ研究開発センターは以下のいくつかの方面をさらに探索する：

a）超微細粉砕過程における層間力の動的応答機構。超微細粉砕過程におけるタルクの層間力の変化法則を深く研究し、ミル加工技術をより細かく制御するために理論的根拠を提供する。

b）新型表面改質剤とせん断力場の相乗効果。より効率的で低コストの表面改質剤を開発し、それと剪断力場の協同作用メカニズムを研究して、タルク粉体のはく離効率と分散性をさらに高める

c）高径厚比タルクの生分解プラスチックへの応用潜在力。生物分解プラスチックにおける高径厚比タルク粉体の増強効果と環境への配慮を探求し、グリーンプラスチック工業の発展推進に貢献する。

参考文献

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[2]国際タルク協会。タルク工業応用技術マニュアル[M].北京：化学工業出版社、2019.

[3] Smith D E, et al. Interlayer interactions in layered silicates and their impact on processing and properties of polymer nanocomposites[J]. Chemical Reviews, 2016, 116(7): 4982-5034.

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