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无机材料科学基础第四节 粘土-水系统性质n 粘土胶体n 粘土的离子吸附与交换n 粘土-水系统的电动性质n 粘土-水系统的胶体性质n 瘠性料的悬浮与塑化无机材料科学基础1. 带电机理1)晶格内离子的类质同晶取代2)颗粒边棱的价键断裂(边棱破键)3)颗粒表面(有机)腐殖质电离一、粘土胶体(一)粘土的荷电性及带电原因无机材料科学基础2. 负电荷(1)各族矿物荷负电的多少,取决于晶格内的同晶置换的多少蒙脱石 伊利石 高岭石(2)负电荷分布层状硅酸盐的板面上无机材料科学基础3. 两性电荷(1)荷电性与介质PH值的关系高岭石在酸性条件下 ,边面带正电(2)正电荷分布层状硅酸盐的边棱、边面上4. 净电荷粘土带负电荷无机材料科学基础(二)粘土与水的结合三种途径 :通过氢键结合极性水分子在粘土表面的定向排列水化离子带进去的水1. 粘土与水的结合方式无机材料科学基础(2)吸附水(1)结构水2. 粘土中水的类型(位置、作用)以OH基的形式存在于粘土矿物的晶格结构中以水分子(H2O)的形式吸附在粘土矿物层间按结合力的大小,吸附水又可分为:牢固结合水疏松结合水自由水无机材料科学基础结构水结合水自由水牢固结合水松结合水含 义以OH基形式 存在于粘土 晶格结构内 的水吸附在粘土矿物 层间及表面的定 向水分子层,它 与粘土胶粒形成 整体并一起移动粘土表面定向 排列过渡到非 定向排列的水 层,它处于胶 粒的扩散层内粘土胶团 外的非定 向水分子 层作用 范围在粘土的结 构内310个水分子 层20nm特 点脱水温度高 (400 600),脱 水后粘土结 构破坏脱水温度低(100200),脱水后晶格结 构不受破坏密度大、热容小,介电常数小, 冰点低无机材料科学基础(3)影响结合水量的因素1)粘土矿物的种类:蒙脱石 高岭石2)粘土的分散度:细度越大,结合水量越高3)吸附离子的种类:不同价: M M2 M3同 价: Li Na K无机材料科学基础(三)粘土胶团结构无机材料科学基础二、 粘土的离子交换与吸附 1、离子交换的概念 粘土阳离子交换:粘土颗粒吸附的阳离子被溶 液中其它浓度大、价数高的阳离子所交换2、离子交换的特点 1)同号离子相交换2)等当量交换3)交换、吸附是可逆过程4)交换不影响粘土本身结构无机材料科学基础3、吸附与交换的区别 离子吸附和离子交换是一个反应中同时进行的两个不同过程。 离子吸附:是粘土胶体与离子之间的相互作用 离子交换:是离子之间的相互作用 应用:提纯粘土和制备单一离子的粘土无机材料科学基础4、阳离子交换容量 阳离子交换容量:为PH7 时100g干粘土所吸附的离子的毫克当量数。 影响因素:1)粘土矿物组成: 与同晶置换多少有关蒙脱石 伊利石 高岭石2)粘土的细度、含腐殖质数量、溶液的 PH值、离子浓度等 无机材料科学基础常见粘土的阳离子交换容量矿物高岭石多水高岭石伊利石蒙脱石蛭 石阳离子交换 容量(100g 土)/mmol3152040104075150100150无机材料科学基础5、阳离子交换顺序 与粘土与离子间的作用力有关电价因素:电价越高,吸力越强离子大小:电价相同时,半径越大,吸附能力越强 粘土阳离子交换顺序:HAl3Ba2Sr2Ca2NH4KNaLi 粘土阴离子交换顺序:OHCO32 P2O75 PO43 I Br Cl NO3F SO42无机材料科学基础三、 粘土水系统电动性质 带电荷的粘土胶体分散在水中时,在胶体颗粒和液相的界面上会有扩散双电层出现。在电场或其它力场作用下,带电粘土与双电层的运动部分之间发生剪切运动而表现出来的电学性质称为电动性质。无机材料科学基础粘土离子的扩散双电层无机材料科学基础 吸附层:在外电场作用下,粘土质点与一部分吸 附牢固的水化阳离子随粘土质点相正极移动,这一 层称为吸附层。 扩散层:另一部分水化阳离子不随粘土质点移动 ,却向负极移动,这层称为扩散层。 电动电位(-电位):在外电场作用下,因吸附层与扩散层各带有相反电荷,在相对移动时两者之间 就存在着电位差,这个电位差称为电动电位 或 -电位。无机材料科学基础1、影响-电位的因素 (1)阳离子电价的影响 阳离子饱和粘土负电荷时的 -电位,与离子水化度及离子与粘土吸引力强弱有关,即:HLi,-电位升高无机材料科学基础(2)阳离子浓度的影响 d:双电层厚度:表面电荷密度D:介质的介电常数无机材料科学基础(3)其它因素 腐殖质含量、粘土的矿物组成、电解质阴离子作用、粘土胶粒形状和大小、表面光滑度等。2、-电位对泥浆性能的影响 -电位高,泥浆的稳定性好、流动性好当 ,泥浆是稳定的无机材料科学基础四、 粘土水系统胶体性质 (一)流变学基础 常见的流动类型:1)牛顿型流体(理想流体)2)宾汉流动3)塑性流动4)假塑性流动5)膨胀流动无机材料科学基础无机材料科学基础(二)泥浆的流动性与稳定性1、泥浆的粘度0 纯水的粘度;c 粘土的体积浓度;k 与颗粒形状有关的系数。 流动度:泥浆的粘度越小,流动度越大,流动性越好,泥浆稳定 无机材料科学基础2、泥浆的稀释与增稠 胶溶(稀释):泥浆粘度显著降低,粘土在水中充分分散。絮凝(增稠):泥浆中粘土颗粒相互聚集,粘度升高。 无机材料科学基础泥浆的稀释曲线:无机材料科学基础3、泥浆稀释(胶溶)机理 (1)泥浆结构与粘度的关系: 1)平行结构(面面分散) 2)卡片结构(边面分散) 3)棚架结构(边边分散)无机材料科学基础泥浆稀释过程实际上是拆散泥浆内部网架结构,使边边、边面结合转变成面面排列的过程。(2)泥浆的稀释过程: (3)泥浆胶溶(稀释)条件 1)介质呈碱性;2)必须有R交换粘土原来吸附离子 ;3)阴离子的作用:形成络合物、聚合阴离子。无机材料科学基础n泥浆的滤水性: 滤水性:是指用石膏模型注浆成型时,泥浆形成的固化泥层透过水的能力,又称为吸浆性能。 坯体形成过程是泥浆沉积脱水固化过程 泥浆的流动性能越好,滤水性能越差,注浆时间越长,坯体形成速率越小。无机材料科学基础(三)泥浆的触变性与膨胀性1、触变性 (1)含义:P205 (2)特征:假塑性流动(3)产生原因:“卡片结构”的形成与解体(4)影响因素:粘土含水量、粘土矿物组成、粘土胶粒的大小与形状、电解质种类和数量、温度的影响无机材料科学基础2、膨胀性 系统搅拌时变稠(粘度升高),停止搅拌 恢复流动性 膨胀流动无机材料科学基础(四)粘土的可塑性1、定义当粘土与适当比例的水混合均匀制成泥团,该泥团受到高于某一个数值剪切应力作用后,可以塑造成任何形状,当去除应力泥团能保持其形状,这种性质称为可塑性。 无机材料科学基础2、产生原因 引力:范德华力、局部边面静电引力、毛细管力,作用范围 2nm。 斥力:静电斥力(粘土颗粒间的-电位),作用范围 20nm。粘土颗粒间作用力 塑性泥团中:引力和斥力平衡无机材料科学基础3、影响因素(1)含水量的影响:(2)电解质的影响:吸附阳离子的种类(3)粘土矿物组成的影响:(4)颗粒大小和形状的影响:(5)泥料处理工艺的影响:(6)腐殖质含量、添加塑化剂的影响:无机材料科学基础2、瘠性料的悬浮1、概述(1)料浆PH值的控制(2)有机表面活性剂的添加五、 瘠性料的悬浮与塑化 无机材料科学基础(1)料浆PH值的控制在Al2O3H2O系统中,加入少量盐酸:例:无机材料科学基础无机材料科学基础 在酸性介质中: 在碱性介质中:无机材料科学基础无机材料科学基础(2)有机表面活性剂的添加阿拉伯胶:加入量少时聚沉;加入量多时悬浮。无机材料科学基础三、瘠性料的塑化1、天然塑化剂:粘土2、有机塑化剂:有机高分子化合物无机材料科学基础固体的表面力场 固体的表面结构(离子晶体、粉体、玻璃) 晶界与晶界能 粘土粒子的荷电性、带电机理 说明粘土中水的类型与作用 阳离子交换容量、粘土中阳离子交换顺序 -电位及其影响因素泥浆的稀释机理与胶溶的条件 触变性 可塑性本章总结:
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