粘土主要矿物的结构与性质
粘土主要矿物的结构与性质
摘要
主要论述了粘土中主要矿物的结构特点,并对各种矿物的主要性能(如可塑性、干燥收缩和膨润性等) 进行了综述。
关键词:粘土, 高岭石, 蒙脱石, 伊利石, 晶体结构,可塑性,膨润性
ABSTRACT
Mainly discusses the main structure characteristics of clay minerals, and a variety of mineral properties ( such as plasticity, drying shrinkage and swelling etc.) are reviewed.
KEY WORDS: Clay, kaolinite, montmorillonite, illite, crystal structure, plasticity, swelling
粘土类原料是日用陶瓷、耐火材料等的主要原料之一,它主要是由粘土矿物和其它矿物组成的并具有一定特性的(其中主要是具有可塑性)土状岩石。粘土矿物主要是一些含水铝硅酸盐矿物,其晶体结构是由[SiO4]四面体组成的(Si 2O 5)n 层和一层由铝氧八面体组成的AlO (OH )2层相互以顶角联接起来的层状结构,这种结构在很大程度上决定了粘土矿物的各种性能。
粘土很少由单一矿物组成,而是多种微细矿物的混合体,其主要矿物是被统称为“粘土矿物”的一些含水铝硅酸盐矿物。根据矿物的结构和组成的不同,可把粘土中的主要矿物分为高岭石类、蒙脱石类和伊利石类等三种。
在粘土的使用过程中,由于对各种主要矿物的结构认识不足,常常在生产中造成资源的浪费,并且产品达不到理想的性能。材料的结构决定性能,只有掌握了矿物的的结构与性能的关系,才能对矿物进行合理、充分的利用。为此,我主要分析一下三种主要粘土矿物的结构与性能。
1 高岭石类
高岭石是一般粘土中常见的粘土矿物,主要由高岭石组成的较纯净的粘土称为高岭土。高岭石首先在我国江西景德镇东部的高岭村山头发现,现在国际上都把这种有利于成瓷粘土称为高岭土,它的主要矿物成分是高岭石和多水高岭石。高岭石的化学式为:Al 2O 3·2SiO 2·2H 2O ,其晶体结构式是:Al 4(Si 4O 10)(OH )8。
图1:高岭石结构示意图
高岭石的结晶属于双层结构硅酸盐矿物(如图1),即每一晶层系由一层硅氧四面体(SiO 4)和一层铝氧八面体[AlO2(OH)4]通过共用的氧原子联系在一起,高岭石是由许多具有这种双层结构的平行的晶层组成,相邻两晶层通过八面体的羟基和另一层四面体的氧以氢键相联系,因而它们之间的结合力较弱,层理易于裂开及滑移。层间不易吸附水分子,但由于水分子的楔裂作用,或外部机械应力的作用,易使层间分离,或使粒子破坏,增加比表面积,提高分散度,增加可塑性。高岭石晶格内部离子是很少置换的,在晶格破坏时,最外层边缘上有断键,电荷出现不平衡,才吸附其它阳离子,重新建立平衡。高岭石结构外表面的OH -中的H +可以被K +或Na +等离子所取代。结晶差的晶体中,晶格内部的部分Al 3+可以被Ti 4+或Fe 3+等所置换,产生不平衡健力,吸附其它离子,具有一定的离子交换量。
高岭土中高岭石类粘土矿物含量愈多,杂质愈少,其化学组成愈接近高岭石的理论组成,纯度愈高的高岭土其耐火度愈高,烧后逾洁白,莫来石晶体发育愈多,从而其力学强度、热稳定性、化学稳定性愈好。但其分散度较小,可塑性较
差。反之,杂质愈多,耐火度愈低,烧后不够洁白,莫来石晶体较少,但可能其
分散度较大,可塑性较好。
2 蒙脱石类
以蒙脱石为主要矿物的粘土叫膨润土。蒙脱石类的矿物种属繁多,成分变化也最为复杂。若不考虑晶格中的Al3+和Si4+被其它离子置换时,蒙脱石的理论化学通式为Al 2O 3·4SiO 2·nH 2O(n通常大于2) 。它的晶体结构式是Al 4(Si 8O 20)(OH )4·nH 2O.
图2:蒙脱石晶体结构
蒙脱石晶粒呈不规则细粒状或鳞片状,颗粒较小,一般小于0.5um ,结晶程度差,轮廓不清楚。蒙脱石的特性是能够吸收大量的水,体积膨胀。以蒙脱石为主要成分的膨润土吸水后体积可膨胀20~30倍,这就是膨润土的名字由来。膨润土在水中呈悬浮和凝胶状,并具有良好的阳离子交换特性。
蒙脱石类矿物之所以吸水性强,是因为其晶胞是具有三层结构的硅酸盐矿物(如图2),每个晶层是由二层硅氧四面体中夹着一层[AlO2(OH)4]八面体。四面体的顶端氧指向结构层中央,与八面体共用,并将三层联接在一起。这种结构沿a 、b 轴方向可无限伸长,沿c 轴方向以一定的间距重叠。由于c 轴方向的晶层间的氧层与氧层的联系力很小,可形成良好的解理面,层间易于侵入水分子或其它极性分子,引起c 轴方向膨胀,另外,晶格内四面体层的地Si 小部分可被Al 、P 5+等置换。八面体层内的Al 3+常被Mg 2+、Fe 3+、Zn 2+、Li +等置换。这样使得晶格中电价不平衡,产生剩余键,促使在晶层间吸附Ca 2+、Na +等阳离子,以平衡晶格内的不平衡电价。蒙脱石族矿物晶格内的离子置换主要发生在[AlO2(OH)4]层中,因此其晶层间吸附的阳离子,不仅使晶层之间的距离增加,更易吸收水分子而膨胀,而且这些被吸附的阳离子易于被置换,使蒙脱石具有较强的阳离子交换能力。
4+3+
蒙脱石的这些结构决定了它的性能:容易碎裂、颗粒极细、可塑性好、干燥后强度大、干燥收缩也大等。
3 伊利石类
伊利石类也泛称水云母类,其组成成分与白云母相似,是白云母经强烈的化学风化作用,转化为蒙脱石或高岭石的中间产物。
白云母的晶胞也是具有三层结构的硅酸盐矿物,与蒙脱石的晶胞不同的是,其二层硅氧四面体中约有1/4的Si 4+被Al 3+所置换,其剩余键正好由一个嵌入层间氧层四面体网眼中的K +来平衡,故其晶格结合牢固,不致发生膨胀。白云母的化学通式为:K 2O ·3Al 2O 3·6SiO 2·2H 2O 。在进行化学风化时,其晶体结构中的K +由于水化的作用,被部分地滤掉,而由H 3O +取代时,即得水云母矿物。所以水云母类粘土的含碱量较云母为少。而含水量较云母为多。但这个取代是逐步过渡的,有的水化不强烈,有的水化强烈,前者仍有云母特色,后者则在组分、物性,以及形态诸方面变化较多,一般即归之于伊利石类矿物。伊利石类矿物成分复杂,存在量大,其晶体结构式可写成K 2(Al ,Fe ,Mg )4(Si ,Al )3O 20(OH )4·nH 2O 。从组成上和结构上来看,伊利石与白云母比较,伊利石含K2O 较少,而含水较多,晶层间阳离子通常为K +,也有部分被H +、Na +所取代。伊利石与高岭石相比较,伊利石含K 2O 多,而含水较少,故其成分及结构是介于白云母与高岭石或白云母与蒙脱石之间。
伊利石类矿物的基本结构虽与蒙脱石相仿,但因其无膨润性,且其晶体也比蒙脱石粗,因此可塑性较低,干后强度小,而干燥收缩较小,软化温度比高岭石低。使用时应注意这些特点。
4 结语
随着冶金、建筑等对粘土原料的需求,学者对粘土原料做了大量研究,并取得了很大的进展,粘土制品以应用到很多领域。我们可以通过对其晶体结构的研究,进一步掌握各种粘土的应用性能。随着我国科技水平的不断提高和科技人员的不断努力,我国对粘土矿物的应用也将取得突破性进展。
参考文献
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