8-1 流变学基础 8-1 流变学基础

第八章胶体8-1流变学基础8-2粘土的荷电性8-3粘土离子吸附与交换8-4粘土粒子的水化8-5粘土－水系统的胶体性质8-6瘠性料悬浮与塑化主要讲述粘土——水系统胶体如：动电性、流变性、触变性、聚沉性胶体是由物质之态组成的高分散颗粒为分散相，分散相另一相所形成的系统，其表面能较大，热力学上为不稳定体系，大致为粒子之间，即溶胶与悬浮液间粘土粒子则为0.1μm~10μm。即为：溶胶——悬浮液——粗分散体系分表相离子大小属胶体范围具有一系列胶体性质8-1流变学基础流变学——流动形有的一门科学一、牛顿流动特点：剪应力τ与速度梯变二、突汉流动与牛顿流动区别在于应力必须小于f值，才开始流动，流动后又与牛顿里相同。f——屈服值三、塑性流动如右图外力必须超过一限度屈服值后才开始流动，随应力增加物料由紊流变为屈流，最后就发生牛顿流动。屈服值存在原因是物料内部粒子之间有内在结构存在系统发生流动须破坏这些不稳定的内在结构。硅酸盐工业泥浆流动即为此型四、假塑流动如图8-1（b）与塑流形差不多只是其无屈服值五、膨胀流动如图8-1（b）所示刚好是假塑性流动的相反过程同样无屈服值过原点。8-2粘土的荷电性一、负电荷粘土颗粒带负电荷主要由于粘土晶格内离子的同晶看换产生，粘土内负电荷帆晶置换引起的，大部分分布在层状硅酸盐的板面，团而在板面上依静电引力吸引一些阳离子，以平衡其负电荷。二、两性电荷一些粘土在边面和在酸性条件下，由于从介质中接受质子而使边面带正电荷，如高岭土即：破键一键不平衡，在边面依保林规则计算，其中电荷分布上，可知在酸性条件下高岭石带正电荷，但在碱性条性下又带负电荷。以上即为高岭石两性电荷由于高岭不同晶置换少，因而其边面结晶构造断裂呈现活性表面上破键为带电主要原历三、净电荷净电荷：粘土的正负电荷代数和一般：负电荷正电荷因而粘土带负电荷。8-3粘土离子吸附与交换一、粘土阳离子吸附及交换特点：同号离子相互交换，离以等当量交换，交换和吸附力可逆过程和交换不影响粘土本身结构。粘土阳离子交换容量100g干粘土吸附离子的mg当量数来表示粘土阳离子交换容量影响因素矿物组成、粘土细度、有机质数量、溶液PH值、离子浓度其值为——波动范围对于各种离子，其交换能力有顺序即：阳离电荷数及其水化半径——影响粘土与离子间作用力当环境条件相同时，离子价数愈高则与粘土吸力愈强，由于电荷密度高，密度小，粘土对其吸力最强，离子水化膜厚度与离子半径大小有关，对于同价离子、半径愈小则水膜愈厚。依以上分析依离子价效应和离子水化半径，可把粘土阳离子交换序拜排列：H+Al3+Ra2+Sr2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+在浓度相等深液里，前面交换后面二、粘土阴离子吸附与交换阴离子吸附与交换具有下列特点：1、值升高，阴离子吸附量下降，因PH值大则正电荷低2、吸附与交换在矿物边面上进行3、阴离子形状与边面结构单位几何情况相适应，或阴离子与粘土离子几何大小相同。另外阴离子交换容量大小与粘土矿物组成有关，按照边面正电荷与阴离子间静电引力大小为次序列出如下：OH-CO22-P2O74-PO43-I-Br-Cl-NO3-F-SO42-离子浓度相同前面置换后面8-4粘土粒子的水化水分子为极性分子，处于颗粒或离子电场作用，表现与纯水很大不同一、粘土与水作用粘土颗粒与水的作用由下述几个原因:1、氢键：粘土表面之H+与OH-靠近表面的H2O分子之间氢键结合，构成了一层一层的氢键层和共价键层和共价键层使极性水分子依次重叠排列;2、负电荷电场粘土表面负电场使极性水分子定向排列;3、水化粘土吸附之间阳离子——水化离子且水与这些离子结合而成为牢固结合水，疏松结合水和自由水。牢固结合水与粘土形成一整体一起在介质中运动牢固结合水为松结合水，此定向程度较差不与颗粒一起运动自由水：与一般水同样，不与离子结合。粘土与不同价阳离子吸附后水量一价＞二价＞三价同价阳离子情况为离子半径小阳离子结合＞半径大离子结合水二、粘土胶团结构胶团结构分为三层:1、胶核粘土质点本身带负电2、胶粒胶核周围吸附着一些空间向偶极水分子和一些水化阳离子且吸附层随胶核一起在介质中运动。两部分合起来即称为此。其为胶核+吸附层=胶粒3、胶团吸附层外另有一部分阳离子，其不随胶粒一起运动。此一部分电荷称为扩散层胶粒+扩散层=胶团二、粘土胶体的动电性质动电性质：在电场个其他力场作用下，固体颗粒相对另一液相作相对移动时所表现出的电学性质称为次阳离子在水中分布图在P点平衡了粘土表面全部负电荷即正电荷浓度由大变小P点为中性点在外场力作用下，粘土质点与AB内阳离子一起向正极移动即为吸附层另一部分扩散层却向负极运动。动电电位：吸附层与扩散层带有相反的电荷，借以相对移动时两者之间存在电位这个电位差即为此粘土质点表面与扩散层之间的总电位差称为热力学电位差。动电电位公式：吸附不同离子后与电位也不同电介质浓度增大与电位下降电介质种类半径ξ电位次序为ξ电位大小与离子交换顺序相反另外：影响与电位的还有矿物组成：电解质阳离子作用，胶粘形状大小，表面光滑程度。有机质含量增加电位增大8-5粘土－水系统的胶体性质一、泥浆的流动性及稳定性无机材料特制工艺中，均需得到含水量低，有良好流动性，稳定性的泥浆。一般可加入稀释剂（减水剂）8-12改变剪切数率发生变化来描述泥浆流动。未加碱时剪应力屈服值最大，加×碱（NaCl）后依次下降，且粘度下降，以热线为最低，当加入量过多时，反面屈服值增大。粘度增加。加入Ca(OH)2，时曲线向屈服值增加方向移动（5、6）但比曲线未加碱，其屈服值较低粘度较低。图7-13为粘土加水量同时随电解质加入量增多引起泥浆粘度变化。粘土流动性→粘度降低→拆开泥浆内部结构→拆开边一边边一面结构→，为达到上述到上述条件必须。1、介质呈碱性碱性条件——颗料片负电——边面、板面均为负电——颗粒互相排斥，消除边一面，边一边结合力——颗料为面一面结合胶溶。2、必须有一价阳离子被粘土吸附或交换3、阴离子的作用阴离子不同的Na盐电解质对粘土胶溶效果不同(1)阴离子与被交换下Ca2+、Mg2+形成不可溶物。如与交换溶易溶易由于Na2SiO3中SiO32-与Ca生成沉淀促使此交换反应趋于完全而NaOH则不易（2）聚合阴离子的特殊作用聚合阴离子的特殊作用机理，硅酸盐、磷酸盐及有机阴离子在水介质中聚合聚合阴离子由于几何位置与粘土边表面适应牢固吸附在边面或吸附在OH面上，如边面带负电加强负电荷作用，带正负电荷则中和作用，导致原来边一边，边一面转变成面一面，结合使泥浆充分胶溶。胶溶齐是硅酸盐工业一类重要外加剂，其选择以机理，同时还应考虑其数量，种类，粘土本性和外在因素如操作条件等。二、泥浆的触变性触变：凝胶体与溶胶体之间可逆转的过程，即固态胶质悬浮液之间的转化。触变化状态是稀释流动状态到稠化的凝聚，状态之间的中间状态，即触变就是泥浆又及流动性，可以生复无数次。机理：活性边面上带正或负电以致于——形成边一边，边一面结合——三维网状结构——空间架状包裹自由水——边面可吸引也可排斥——扰动后结构破坏——流动性恢复后自由水释放——静电后三维网络重新建立。触变性与下列因素有关：1、粘土泥浆含水量泥浆稀——颗粒距离边一面引力小不易形成触变结构2、粘土矿物组成矿物组成不同，触变性亦不同水化膨胀大，触变性大，即水里进入颗粒间3、粒土胶粒大小与形状颗粒细——活性大——触变性大颗粒不对称平板状，条状等——卡片结构——触变性大，球形颗粒不易成。4、电解质种类和数量粘土吸附阳离子价数小或价数同而离子半径小者，触变效应小。5、温度影响温度升高，触变结构不易建立三、粘土可塑性粘土与水混合成泥团高于某一数值剪应力作用后塑成任何形状，应力去除后保持原形状不变，即为可塑性。泥团与泥浆区别于固/液比例引起颗粒作用力变化，颗粒间两种力:1、吸力：范德华力边一面静电引力及主细管力，作用范围20Å2、斥力：带电粘土表面离子间静电斥力200Å左右引力与斥力间存在平衡，颗粒距离远影响可塑性因素:1、矿物组成矿物不同比表面不同——颗粒毛细管力亦不同——毛细管力大——吸力大——塑性高蒙脱土——球土耐火粘土筑土2、吸附离子影响随阳离子交换序面塑性增强，方向是相同的。同泥团与泥浆其恰好相反，对于泥浆，其吸附离子吸附水量，恰好相反，即价数低，半径小，离子其吸附水亦多，而泥团则反之，价数高，半径大，其吸附水化膜厚。3、粘土细度和形状颗粒细——比表面大——无细管半径小——毛细管力大——可塑性大板状颗粒、短柱状颗粒塑性大于球形颗粒塑性值4、含水量影响一般在一定含水范围显示塑性塑性好粘土需水亦多5、介质表面张力影响表面张力大，塑性亦高水的表面张力大为粘土表成塑性好的最佳介质8-6瘠性料悬浮与塑化一、瘠性料悬浮两种方法使瘠性泥悬浮即控制PH值及有机表面活性物质的活动1、控制PH值法PH值变化——ξ电位变化——吸力斥力平衡变化——胶溶或浆凝吸附成OH-胶固而Cl-也可取代OH-进入胶固，且Cl-水化能力OH-强化水膜厚，因而Cl-进入吸附层少，而进入扩散层多，则ξ电位升高，粘度下降，如PH值过低，则Cl-值多而压缩至吸附层致ξ电位下降粘度增大。碱性介质加入NaHO,Al2O3呈酸性反应如下：Al2O3胶粒优先吸附AlO2-胶粒带负电再附形成一胶团，此胶团同样随介质PH变化使ξ电位升高或降低泥浆粒底降低和增高2、有机胶体和表面活性物质上述物质作悬洋鬼子剂水泥工业使用减少剂，以提高产品工艺性能减水剂亲水及增水基团——增水基团吸附于水泥表面——亲水基团吸附吸水成单分水膜——表面活动性剂分子定向吸附而质点表面带相同电荷——静电斥力作用——紊凝结构互解——游离水释放。二、瘠性料的塑化两种方法1、加无机粘土类矿物作用机理：粘土颗粒水介质中成胶团——瘠性料分布于连续介质——水中——瘠性料可浆亦可憎水同介质发生作用——粒土促使瘠性料塑性（见书上图8-30）2、加入有机高分子化合物原理同上小结一、粘土-水系统为什么称为胶体系统二、粘土荷电原因（负电及正电）三、粘土水化（三种）四、粘土水化后胶团结构五、粘土离子交换（阳离子交换次序）六、电位和影响其因素