粘土-水系統(tǒng)膠體化學

1、上 頁下 頁退 出 目錄第五章第五章 粘土粘土- -水系統(tǒng)膠體化學水系統(tǒng)膠體化學5.1粘土的荷電性5.2粘土-水系統(tǒng)的膠體性質(zhì)5.3瘠性料的懸浮與塑化上 頁下 頁退 出 目錄5.1 5.1 粘土的荷電性粘土的荷電性一、粘土一、粘土- -水系統(tǒng)水系統(tǒng)1 1、粘土、粘土- -水系統(tǒng)水系統(tǒng)粘土粘土水系統(tǒng)：粘土加水后，形成膠體水系統(tǒng)：粘土加水后，形成膠體懸浮體的混合物懸浮體的混合物. . 膠體膠體多相的高分散體系（兩相以上）多相的高分散體系（兩相以上）分散相尺寸分散相尺寸介于介于1nm0.1膠體體系膠體體系分散相尺寸分散相尺寸0.1懸浮體系懸浮體系上 頁下 頁退 出 目錄2 2、粘土的帶電性、粘土的帶

2、電性（1 1）粘土板面上的負電荷）粘土板面上的負電荷粘土晶格內(nèi)離子的類質(zhì)同晶置換造成電價不平衡使之板面粘土晶格內(nèi)離子的類質(zhì)同晶置換造成電價不平衡使之板面上帶負電。上帶負電。對蒙脫石對蒙脫石AlAl2 2O O3 34SiO4SiO2 2H H2 2O+nHO+nH2 2O O 對高嶺石對高嶺石AlAl2 2O O3 32SiO2SiO2 22H H2 2O O總結：粘土內(nèi)這些因同晶替代產(chǎn)生的負電荷，大部分存在層總結：粘土內(nèi)這些因同晶替代產(chǎn)生的負電荷，大部分存在層狀鋁硅酸鹽表面（垂直狀鋁硅酸鹽表面（垂直C C軸）上，所以實際中可見粘土板面上軸）上，所以實際中可見粘土板面上依靠靜電引力吸附一些陽離

3、子以達平衡。依靠靜電引力吸附一些陽離子以達平衡。吸附在粘土表面的腐殖質(zhì)離解而產(chǎn)生的負電荷。吸附在粘土表面的腐殖質(zhì)離解而產(chǎn)生的負電荷。上 頁下 頁退 出 目錄（2）粘土邊棱上的正電荷總結：粘土粒子沿垂直層方向斷鍵時，由于PH不同，導致粘土粒子帶不同的電荷，當在酸性介質(zhì)中時，粘土邊棱帶正電荷。圖5.1 高嶺石邊面上的電荷上 頁下 頁退 出 目錄3)3)凈電荷凈電荷 粘土的正電荷和負電荷的代數(shù)和就是粘土的凈粘土的正電荷和負電荷的代數(shù)和就是粘土的凈電荷，由于粘土的負電荷一般都遠遠大于正電荷，電荷，由于粘土的負電荷一般都遠遠大于正電荷，因此粘土都帶有凈負電荷因此粘土都帶有凈負電荷。上 頁下 頁退 出 目

4、錄二、粘土的離子吸附與交換二、粘土的離子吸附與交換1、離子交換：、離子交換：一種離子取代原先吸附在粘土上另一種離子一種離子取代原先吸附在粘土上另一種離子的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。2Na+粘土粘土+Ca2+Ca2+粘土粘土+2Na+對于對于Ca2+是從溶液中轉移到粘土膠體上是從溶液中轉移到粘土膠體上吸附過程吸附過程對于對于Na+是從粘土中轉移到溶液中是從粘土中轉移到溶液中解吸過程解吸過程利用粘土陽離子交換性質(zhì)可提純粘土，如：利用粘土陽離子交換性質(zhì)可提純粘土，如：X樹脂樹脂+Y粘土粘土 Y樹脂樹脂+X粘土粘土X單一離子單一離子Y混合離子混合離子上 頁下 頁退 出 目錄2 2、粘土的陽離子交換容量、粘土的陽離

5、子交換容量 1 1）粘土的陽離子交換容量：）粘土的陽離子交換容量：PH=7PH=7時，每時，每100g100g干粘干粘土所吸附離子的物質(zhì)的量土所吸附離子的物質(zhì)的量.mmol.mmol上 頁下 頁退 出 目錄2)2)粘土的陽離子交換能力粘土的陽離子交換能力當其它條件相同時，陽離子電價越高，與粘土之間當其它條件相同時，陽離子電價越高，與粘土之間吸力越強，置換能力越強，一旦被吸附于粘土上就難吸力越強，置換能力越強，一旦被吸附于粘土上就難被置換，則粘土對不同價離子吸附能力為被置換，則粘土對不同價離子吸附能力為 對同價離子，半徑越小，水化半徑越大，粘土對其對同價離子，半徑越小，水化半徑越大，粘土對其吸力

6、越小，即粘土對同價離子吸附能力吸力越小，即粘土對同價離子吸附能力 3）根據(jù)離子價數(shù)及離子水化半徑，粘土的陽離子交換序如下：上 頁下 頁退 出 目錄粘土的陰離子吸附與交換粘土的陰離子吸附與交換 因為粘土只有邊面上帶有異性電荷正電荷，所以陰離子因為粘土只有邊面上帶有異性電荷正電荷，所以陰離子吸附與交換只能發(fā)生在邊棱上吸附與交換只能發(fā)生在邊棱上 . .除上面影響因素外，幾何結除上面影響因素外，幾何結構因素也很重要，如構因素也很重要，如POPO4 43-3-,AsO,AsO4 43-3-,BO,BO4 43-3-等幾何結構大小與等幾何結構大小與SiOSiO4 4 相似，所以可被相似，所以可被SiOSi

7、O4 4 層邊面所吸附，而層邊面所吸附，而SOSO4 42 2，ClCl，NONO3 3本身形狀特別，不能被吸附。本身形狀特別，不能被吸附。 陰離子交換順序：陰離子交換順序：陰離子交換容量陰離子交換容量 上 頁下 頁退 出 目錄三、粘土膠體的電動性質(zhì)三、粘土膠體的電動性質(zhì)1、粘土與水的作用粘土為什么能與水作用？粘土晶格表面氧原子與水分子通過共價的氫鍵相鍵合，粘土晶格表面上OH基與水形成氫鍵。 粘土顆粒表面的凈負電荷在附近形成一個靜電場，使極性水分子定向排列。粘土顆粒表面的交換陽離子在有水時發(fā)生水化。上 頁下 頁退 出 目錄水在粘土膠粒周圍形成三種水水在粘土膠粒周圍形成三種水:牢固結合水，疏松結

8、合水，自牢固結合水，疏松結合水，自由水。由水。粘土與水結合的數(shù)量（結合水數(shù)量）主要與粘土的礦物組成，粘土的分散度和被吸附的陽離子性質(zhì)等有關。 牢固結合水：粘土顆粒吸附著完全定向牢固結合水：粘土顆粒吸附著完全定向的水分子層和水化陽離子，這部分水與的水分子層和水化陽離子，這部分水與膠核形成一個整體，一起在介質(zhì)中移動，膠核形成一個整體，一起在介質(zhì)中移動，其中的水稱為牢固結合水。其中的水稱為牢固結合水。松結合水：在牢固在結合水周圍一部分松結合水：在牢固在結合水周圍一部分定向程度較差的水稱為松結合水。定向程度較差的水稱為松結合水。自由水：在松結合水以外的水自由水：在松結合水以外的水圖5.2 粘土膠團結構

9、示意圖上 頁下 頁退 出 目錄粘土與一價陽離子結合水量與二價陽離粘土與一價陽離子結合水量與二價陽離子結合水量與三價陽離子結合水量子結合水量與三價陽離子結合水量同價離子與粘土結合水量是隨著離子半徑同價離子與粘土結合水量是隨著離子半徑增大，結合水量減小增大，結合水量減小LiLi+ +粘土結合水量粘土結合水量NaNa+ +粘土粘土K K + +粘土粘土上 頁下 頁退 出 目錄2 2、粘土膠體的電動電位、粘土膠體的電動電位 1 1）粘土膠體的擴散雙電層）粘土膠體的擴散雙電層 粘土質(zhì)點表面與擴散層之間的總電位差稱熱力學電位粘土質(zhì)點表面與擴散層之間的總電位差稱熱力學電位( ()粘土表面的吸附層與擴散層吸附

10、層：在外電場作用下，粘土吸附層：在外電場作用下，粘土質(zhì)點與一部分吸附牢固的水化陽質(zhì)點與一部分吸附牢固的水化陽離子隨粘土質(zhì)點向正極移動，這離子隨粘土質(zhì)點向正極移動，這一層稱為吸附層。一層稱為吸附層。擴散層：另一部分水化陽離子不擴散層：另一部分水化陽離子不隨粘土質(zhì)點移動，卻向負極移動，隨粘土質(zhì)點移動，卻向負極移動，這層稱為擴散層。這層稱為擴散層。電位：吸附層與擴散層之間電位：吸附層與擴散層之間電位差。電位差。上 頁下 頁退 出 目錄3、影響粘土動電電位的因素4-dD電動電位；表面電荷密度；d-雙電層厚度；D 介質(zhì)的介電常數(shù)。上 頁下 頁退 出 目錄吸附陽離子對吸附陽離子對電位的影響電位的影響 （a

11、）對異價離子：吸附一價陽離子的粘土（除）對異價離子：吸附一價陽離子的粘土（除H3O、Cs外）外）的的電位吸附二價吸附三價電位吸附二價吸附三價（b）對同價離子：隨著離子半徑增大，）對同價離子：隨著離子半徑增大，電位降低。電位降低。電解質(zhì)濃度對電解質(zhì)濃度對電位的影響電位的影響上 頁下 頁退 出 目錄粘土內(nèi)有機質(zhì)對粘土內(nèi)有機質(zhì)對電位的影響。電位的影響。一般粘土內(nèi)腐殖質(zhì)都帶有大量負電荷，其增加粘一般粘土內(nèi)腐殖質(zhì)都帶有大量負電荷，其增加粘土表面負電荷，使土表面負電荷，使電位增高電位增高 . .電位對泥漿的陶瓷工藝性質(zhì)有著重要意義。電位對泥漿的陶瓷工藝性質(zhì)有著重要意義。上 頁下 頁退 出 目錄5.2 5.

12、2 粘土粘土- -水系統(tǒng)的膠體性質(zhì)水系統(tǒng)的膠體性質(zhì)一、流變學基礎一、流變學基礎流變學：外力作用下物料變形或流動的性質(zhì)。流變學：外力作用下物料變形或流動的性質(zhì)。1 1、理想流體（牛頓型流體、粘性體）：應力與剪切速度成比例、理想流體（牛頓型流體、粘性體）：應力與剪切速度成比例屬于這類流動的物質(zhì)有水、甘油、低分子量化合物溶液。屬于這類流動的物質(zhì)有水、甘油、低分子量化合物溶液。2 2、賓漢流動、賓漢流動特點：應力必須大于流動極限值特點：應力必須大于流動極限值f f后才開始流動，流動后，又與牛頓型相后才開始流動，流動后，又與牛頓型相同。同。新拌混凝土接近于賓漢流動。新拌混凝土接近于賓漢流動。dxdv/d

13、xdvfF/上 頁下 頁退 出 目錄3 3、塑性流動、塑性流動特點：施加的剪應力必須超過某一最低值特點：施加的剪應力必須超過某一最低值（屈服值）以后才屈服值）以后才開始流動。開始流動。泥漿、油漆、油墨等泥漿、油漆、油墨等4 4、假塑性流動：表觀粘度隨切變速率增加而降低。高聚物、假塑性流動：表觀粘度隨切變速率增加而降低。高聚物的溶液、乳濁液、淀粉等的溶液、乳濁液、淀粉等5 5、膨脹流動：粘度隨切變速率增加而增加。氧化鋁粉、石、膨脹流動：粘度隨切變速率增加而增加。氧化鋁粉、石英粉等。英粉等。上 頁下 頁退 出 目錄二、泥漿的流動性和穩(wěn)定性泥漿的稀釋： 在一定含水量的情況下，要盡量降低系統(tǒng)的粘度。泥

14、漿的流動性：泥漿含水量低，粘度小而流動度大的性質(zhì)。泥漿的穩(wěn)定性：泥漿不隨時間變化而聚沉，長時間保持初始的流動度。上 頁下 頁退 出 目錄n膠溶：膠溶：泥漿粘度顯著下降，粘土在水介質(zhì)中充泥漿粘度顯著下降，粘土在水介質(zhì)中充分分散的現(xiàn)象。分分散的現(xiàn)象。( (泥漿稀釋泥漿稀釋) )膠溶過程拆開泥漿內(nèi)部結構，使邊邊，邊膠溶過程拆開泥漿內(nèi)部結構，使邊邊，邊面結合轉變成面面排列的過程面結合轉變成面面排列的過程. .這種轉變越好，膠溶越好。這種轉變越好，膠溶越好。上 頁下 頁退 出 目錄介質(zhì)呈堿性粘土在酸性介質(zhì)中邊面帶正電，而板面帶負電，則邊板間由靜電作用強烈吸引，易形成邊面和邊邊結構，而在堿性介質(zhì)中，粘土板

15、面，邊面均帶負電荷，可消除邊面，邊邊的靜電引力，使粘土顆粒間靜電斥力增加，有利于膠溶。必須有一價堿金屬陽離子交換粘土原來吸附的離子要使粘土膠粒在介質(zhì)中充分分散必須使顆粒間斥力增加，即電位增加，或擴散層加厚。2、泥漿膠溶必須具備的條件上 頁下 頁退 出 目錄陰離子作用 （a）陰離子與粘土上吸附的Ca2、Mg2形成沉淀或穩(wěn)定絡合物，可促進Na對Ca2、Mg2交換反應更趨完全.（b）聚合陰離子作用一些聚合陰離子，由于幾何因素與粘土邊面相適應，會牢固地被吸附在邊面上，當粘土邊面上帶正電時，它能有效中和正電，使邊面、邊邊結合變成面面結合，顆粒間斥力增加。上 頁下 頁退 出 目錄3、泥漿的觸變性（1）觸變

16、性機理觸變泥漿靜止不動時似凝固體，一經(jīng)擾動或搖動，凝固的泥漿又重新獲得流動性。 泥漿產(chǎn)生觸變的原因：由圖說明，稱紙牌結構或卡片結構泥漿的觸變結構上 頁下 頁退 出 目錄（2）影響觸變性因素。）影響觸變性因素。粘土泥漿含水量粘土泥漿含水量 ：泥漿愈稀，粘土膠粒間距離愈遠，邊：泥漿愈稀，粘土膠粒間距離愈遠，邊-面面靜電引力小，膠粒定向性弱，不易形成觸變結構。靜電引力小，膠粒定向性弱，不易形成觸變結構。 粘土的礦物組成：粘土觸變效應與礦物結構遇水膨脹有關。粘土的礦物組成：粘土觸變效應與礦物結構遇水膨脹有關。 粘土膠粒大小與形狀：粘土顆粒愈細，活性邊表面愈易形粘土膠粒大小與形狀：粘土顆粒愈細，活性邊表

17、面愈易形成觸變結構。呈平板狀、條狀的顆粒形狀愈不對稱，形成成觸變結構。呈平板狀、條狀的顆粒形狀愈不對稱，形成“卡卡片結構片結構”所需要的膠粒數(shù)目愈小，也即形成觸變結構濃度愈小。所需要的膠粒數(shù)目愈小，也即形成觸變結構濃度愈小。電解質(zhì)種類與數(shù)量：粘土吸附陽離子價數(shù)愈小，或價數(shù)相同電解質(zhì)種類與數(shù)量：粘土吸附陽離子價數(shù)愈小，或價數(shù)相同而離子半徑愈小者，觸變效應愈小。而離子半徑愈小者，觸變效應愈小。溫度的影響：溫度升高，質(zhì)點熱運動劇烈，顆粒間聯(lián)系減弱，溫度的影響：溫度升高，質(zhì)點熱運動劇烈，顆粒間聯(lián)系減弱，觸變不易建立。觸變不易建立。上 頁下 頁退 出 目錄5 5、粘土的膨脹性、粘土的膨脹性膨脹性：膨脹性

18、：與觸變性相反的現(xiàn)象，當攪拌時，泥漿變稠而凝固，與觸變性相反的現(xiàn)象，當攪拌時，泥漿變稠而凝固，而靜止后又恢復流動性。而靜止后又恢復流動性。上 頁下 頁退 出 目錄六、粘土的可塑性六、粘土的可塑性1 1、可塑性、可塑性物體在外力作用下，可塑造成各種形狀，當外物體在外力作用下，可塑造成各種形狀，當外力去除后，能保持這形狀而不失去物料顆粒之間聯(lián)系的性能。力去除后，能保持這形狀而不失去物料顆粒之間聯(lián)系的性能。外力A點為彈性變形，h小，恢復原狀。B點外力A點為塑性變形，保持其形狀。外力B點，破壞塑性泥料的應力-應變圖上 頁下 頁退 出 目錄2 2、泥漿可塑性產(chǎn)生的原因、泥漿可塑性產(chǎn)生的原因粘土粘土- -

19、水界面鍵力相互作用結果。水界面鍵力相互作用結果。顆粒間隙的毛細管作用對粘土結合的影響。顆粒間隙的毛細管作用對粘土結合的影響?？伤苄允腔趲щ娬惩聊z團與介質(zhì)中離子之間的可塑性是基于帶電粘土膠團與介質(zhì)中離子之間的靜電引力和膠團間的靜電斥力作用的結果。靜電引力和膠團間的靜電斥力作用的結果。上 頁下 頁退 出 目錄3 3、影響可塑性因素、影響可塑性因素 （a a）含水量可塑性只發(fā)生在某一最適宜含水量范圍，過）含水量可塑性只發(fā)生在某一最適宜含水量范圍，過多，泥團成泥漿，過少，不能形成連續(xù)水膜。多，泥團成泥漿，過少，不能形成連續(xù)水膜。 (b)(b)電解質(zhì)的影響電解質(zhì)的影響當粘土含有位于陽離子置換順序左邊的

20、陽離子（當粘土含有位于陽離子置換順序左邊的陽離子（H H+ +、AlAl3+3+等等) )時，時，由于水化能力較小，顆粒表面形成的水膜較薄，彼此吸引力較由于水化能力較小，顆粒表面形成的水膜較薄，彼此吸引力較大，故該泥料成型時所需的力也較大。在含水量相同時，其成大，故該泥料成型時所需的力也較大。在含水量相同時，其成型所需的力則按陽離子置換順序依次遞減，可塑性也減小。型所需的力則按陽離子置換順序依次遞減，可塑性也減小。上 頁下 頁退 出 目錄5.3 瘠性料的懸浮與塑化瘠性料不易成型的料，可塑性較差。 一、非粘土的泥漿體懸浮使瘠性料泥漿懸浮經(jīng)常采用兩種方法。（1）控制泥漿PH24681012142345厘泊050100150200動電電位mv粘度動電電位233232222223()Al OHClAlClH OAlClH OAlCl OHHClAlCl OHH OAlCl OHHCl上 頁下 頁退 出 目錄(2)(2)有機表面活性物質(zhì)對瘠性料懸浮的影響有機表面活性物質(zhì)對瘠性料懸浮的影響0.51.01.52.0粘度阿拉伯樹膠用量%2.21.82.63.03.4PH=3.1上 頁下 頁退 出 目錄三、瘠性料的塑化在硅酸鹽工業(yè)中許多原料是沒有可塑性的 ,為了增加可塑性，常加入塑化劑。分兩類：無機粘土類礦物，粘土為廉價塑化劑 有機塑化劑在陶瓷生產(chǎn)中廣泛采用