8-1-流變學(xué)基礎(chǔ)-8-1-流變學(xué)基礎(chǔ)

1、第八章 膠體,8-1 流變學(xué)基礎(chǔ) 8-2 粘土的荷電性 8-3 粘土離子吸附與交換8-4 粘土粒子的水化8-5粘土－水系統(tǒng)的膠體性質(zhì)8-6 瘠性料懸浮與塑化,主要講述粘土——水系統(tǒng)膠體如：動電性、流變性、觸變性、聚沉性 膠體是由物質(zhì)之態(tài)組成的高分散顆粒為分散相，分散相另一相所形成的系統(tǒng)，其表面能較大，熱力學(xué)上為不穩(wěn)定體系，大致為粒子之間，即溶膠與懸浮液間粘土粒子則為0.1μm~10μm。

2、 即為：溶膠——懸浮液——粗分散體系,,,分表相離子大小屬膠體范圍,具有一系列膠體性質(zhì),8-1 流變學(xué)基礎(chǔ),流變學(xué)——流動形有的一門科學(xué)一、牛頓流動特點：剪應(yīng)力τ與速度梯變二、突漢流動 與牛頓流動區(qū)別在于應(yīng)力必須小于f值，才開始流動，流動后又與牛頓里相同。 f——屈服值,三、塑性流動 如右圖 外力必須超過一限度屈服值后才開始流動，隨應(yīng)力增加物料由紊流變?yōu)榍鳎詈缶桶l(fā)生

3、牛頓流動。 屈服值存在原因是物料內(nèi)部粒子之間有內(nèi)在結(jié)構(gòu)存在系統(tǒng)發(fā)生流動須破壞這些不穩(wěn)定的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。 硅酸鹽工業(yè)泥漿流動即為此型四、假塑流動 如圖8-1（b）與塑流形差不多只是其無屈服值五、膨脹流動 如圖8-1（b）所示 剛好是假塑性流動的相反過程同樣無屈服值過原點。,,8-2 粘土的荷電性,一、負電荷 粘土顆粒帶負電荷主要由于粘土晶格內(nèi)離子

4、的同晶看換產(chǎn)生，粘土內(nèi)負電荷帆晶置換引起的，大部分分布在層狀硅酸鹽的板面，團而在板面上依靜電引力吸引一些陽離子，以平衡其負電荷。二、兩性電荷 一些粘土在邊面和在酸性條件下，由于從介質(zhì)中接受質(zhì)子而使邊面帶正電荷，如高嶺土即：破鍵一鍵不平衡， 在邊面依保林規(guī)則計算，其中電荷分布上，可知在酸性條件下高嶺石帶正電荷，但在堿性條性下又帶負電荷。,以上即為高嶺石兩性電荷 由于高嶺不同晶置換少，因而其

5、邊面結(jié)晶構(gòu)造斷裂呈現(xiàn)活性表面上破鍵為帶電主要原歷三、凈電荷 凈電荷：粘土的正負電荷代數(shù)和 一般：負電荷正電荷因而粘土帶負電荷。,,8-3 粘土離子吸附與交換,一、粘土陽離子吸附及交換 特點：同號離子相互交換，離以等當(dāng)量交換，交換和吸附力可逆過程和交換不影響粘土本身結(jié)構(gòu)。 粘土陽離子交換容量 100g干粘土吸附離子的mg當(dāng)量數(shù)來表示 粘土陽離

6、子交換容量影響因素 礦物組成、粘土細度、有機質(zhì)數(shù)量、溶液PH值、離子濃度其值為——波動范圍 對于各種離子，其交換能力有順序即： 陽離電荷數(shù)及其水化半徑——影響粘土與離子間作用力,當(dāng)環(huán)境條件相同時，離子價數(shù)愈高則與粘土吸力愈強，由于電荷密度高，密度小，粘土對其吸力最強，離子水化膜厚度與離子半徑大小有關(guān)，對于同價離子、半徑愈小則水膜愈厚。依以上分析依離子價效應(yīng)和離子水化半徑，可把粘土陽離子交

7、換序拜排列：H+>Al3+>Ra2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+>Li+在濃度相等深液里，前面交換后面二、粘土陰離子吸附與交換陰離子吸附與交換具有下列特點：1、值升高，陰離子吸附量下降，因PH值大則正電荷低2、吸附與交換在礦物邊面上進行3、陰離子形狀與邊面結(jié)構(gòu)單位幾何情況相適應(yīng)，或陰離子與粘土離子幾何大小相同。,,另外陰離子交換容量大小與粘土礦

8、物組成有關(guān)，按照邊面正電荷與陰離子間靜電引力大小為次序列出如下：OH->CO22->P2O74->PO43->I->Br->Cl->NO3->F->SO42-離子濃度相同前面置換后面,,8-4 粘土粒子的水化,水分子為極性分子，處于顆粒或離子電場作用，表現(xiàn)與純水很大不同一、粘土與水作用粘土顆粒與水的作用由下述幾個原因:1、氫鍵：粘土表面之H+與OH-靠近表面的H2O分子之間

9、氫鍵結(jié)合，構(gòu)成了一層一層的氫鍵層和共價鍵層和共價鍵層使極性水分子依次重疊排列;2、負電荷電場粘土表面負電場使極性水分子定向排列;3、水化 粘土吸附之間陽離子——水化離子且水與這些離子結(jié)合而成為牢固結(jié)合水，疏松結(jié)合水和自由水。,牢固結(jié)合水與粘土形成一整體一起在介質(zhì)中運動 牢固結(jié)合水為松結(jié)合水，此定向程度較差不與顆粒一起運動 自由水：與一般水同樣，不與離子結(jié)合。 粘土與不同價陽離子吸附后水量

10、一價＞二價＞三價同價陽離子情況為 離子半徑小陽離子結(jié)合＞半徑大離子結(jié)合水二、粘土膠團結(jié)構(gòu)膠團結(jié)構(gòu)分為三層:1、膠核粘土質(zhì)點本身帶負電,,2、膠粒 膠核周圍吸附著一些空間向偶極水分子和一些水化陽離子且吸附層隨膠核一起在介質(zhì)中運動。兩部分合起來即稱為此。其為膠核+吸附層=膠粒3、膠團 吸附層外另有一部分陽離子，其不隨膠粒一起運動。此一部分電荷稱為擴散層膠粒+擴散層=膠團二、粘土膠體

11、的動電性質(zhì)動電性質(zhì)：在電場個其他力場作用下，固體顆粒相對另一液相作相對移動時所表現(xiàn)出的電學(xué)性質(zhì)稱為次陽離子在水中分布圖在P點平衡了粘土表面全部負電荷即正電荷濃度由大變小P點為中性點在外場力作用下，粘土質(zhì)點與AB內(nèi)陽離子一起向正極移動即為吸附層另一部分?jǐn)U散層卻向負極運動。,,動電電位：吸附層與擴散層帶有相反的電荷，借以相對移動時兩者之間存在電位這個電位差即為此粘土質(zhì)點表面與擴散層之間的總電位差稱為熱力學(xué)電位差。動電電位公式：

12、吸附不同離子后與電位也不同電介質(zhì)濃度增大與電位下降電介質(zhì)種類半徑,,ξ電位次序為ξ電位大小與離子交換順序相反另外：影響與電位的還有礦物組成：電解質(zhì)陽離子作用，膠粘形狀大小，表面光滑程度。有機質(zhì)含量增加電位增大,,8-5 粘土－水系統(tǒng)的膠體性質(zhì),一、泥漿的流動性及穩(wěn)定性無機材料特制工藝中，均需得到含水量低，有良好流動性，穩(wěn)定性的泥漿。一般可加入稀釋劑（減水劑）8-12 改變剪切數(shù)率發(fā)生變化來描述泥漿流動。未加堿

13、時剪應(yīng)力屈服值最大，加×堿（NaCl）后依次下降，且粘度下降，以熱線為最低，當(dāng)加入量過多時，反面屈服值增大。粘度增加。加入Ca(OH)2，時曲線向屈服值增加方向移動（5、6）但比曲線未加堿，其屈服值較低粘度較低。圖7-13為粘土加水量同時隨電解質(zhì)加入量增多引起泥漿粘度變化。粘土流動性→粘度降低→拆開泥漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)→拆開邊一邊邊一面結(jié)構(gòu)→，為達到上述到上述條件必須。,1、介質(zhì)呈堿性 堿性條件——顆料片負電——

14、邊面、板面均為負電——顆粒互相排斥，消除邊一面，邊一邊結(jié)合力——顆料為面一面結(jié)合膠溶。2、必須有一價陽離子被粘土吸附或交換3、陰離子的作用 陰離子不同的Na鹽電解質(zhì)對粘土膠溶效果不同(1)陰離子與被交換下Ca2+、Mg2+形成不可溶物。如與 交換溶易溶易由于Na2SiO3中SiO32-與Ca生成沉淀促使此交換反應(yīng)趨于完全而NaOH則不易,,（2）

15、聚合陰離子的特殊作用 聚合陰離子的特殊作用機理，硅酸鹽、磷酸鹽及有機陰離子在水介質(zhì)中聚合聚合陰離子由于幾何位置與粘土邊表面適應(yīng)牢固吸附在邊面或吸附在OH面上，如邊面帶負電加強負電荷作用，帶正負電荷則中和作用，導(dǎo)致原來邊一邊，邊一面轉(zhuǎn)變成面一面，結(jié)合使泥漿充分膠溶。 膠溶齊是硅酸鹽工業(yè)一類重要外加劑，其選擇以機理，同時還應(yīng)考慮其數(shù)量，種類，粘土本性和外在因素如操作條件等。二、泥漿的觸變性

16、觸變：凝膠體與溶膠體之間可逆轉(zhuǎn)的過程，即固態(tài)膠質(zhì)懸浮液之間的轉(zhuǎn)化。 觸變化狀態(tài)是稀釋流動狀態(tài)到稠化的凝聚，狀態(tài)之間的中間狀態(tài)，即觸變就是泥漿又及流動性，可以生復(fù)無數(shù)次。,,機理： 活性邊面上帶正或負電以致于——形成邊一邊，邊一面結(jié)合——三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)——空間架狀包裹自由水——邊面可吸引也可排斥——擾動后結(jié)構(gòu)破壞——流動性恢復(fù)后自由水釋放——靜電后三維網(wǎng)絡(luò)重新建立。觸變性與下列因素有關(guān)：1、粘土泥漿含水

17、量泥漿稀——顆粒距離邊一面引力小不易形成觸變結(jié)構(gòu)2、粘土礦物組成礦物組成不同，觸變性亦不同水化膨脹大，觸變性大，即水里進入顆粒間,,3、粒土膠粒大小與形狀顆粒細——活性大——觸變性大顆粒不對稱平板狀，條狀等——卡片結(jié)構(gòu)——觸變性大，球形顆粒不易成。4、電解質(zhì)種類和數(shù)量粘土吸附陽離子價數(shù)小或價數(shù)同而離子半徑小者，觸變效應(yīng)小。5、溫度影響溫度升高，觸變結(jié)構(gòu)不易建立三、粘土可塑性 粘土與水混合成泥團高于某一數(shù)值剪

18、應(yīng)力作用后塑成任何形狀，應(yīng)力去除后保持原形狀不變，即為可塑性。,,泥團與泥漿區(qū)別于固/液比例引起顆粒作用力變化，顆粒間兩種力:1、吸力：范德華力邊一面靜電引力及主細管力，作用范圍20Å2、斥力：帶電粘土表面離子間靜電斥力200Å左右 引力與斥力間存在平衡，顆粒距離遠影響可塑性因素:1、礦物組成 礦物不同比表面不同——顆粒毛細管力亦不同——毛細管力大——吸力大——塑性高蒙脫土——球土耐火粘土筑土

19、2、吸附離子影響隨陽離子交換序面塑性增強，方向是相同的。,,同泥團與泥漿其恰好相反，對于泥漿，其吸附離子吸附水量，恰好相反，即價數(shù)低，半徑小，離子其吸附水亦多，而泥團則反之，價數(shù)高，半徑大，其吸附水化膜厚。3、粘土細度和形狀 顆粒細——比表面大——無細管半徑小——毛細管力大——可塑性大 板狀顆粒、短柱狀顆粒塑性大于球形顆粒塑性值4、含水量影響 一般在一定含水范圍顯示塑性塑性好粘土需水亦多5、介質(zhì)表面張力

20、影響 表面張力大，塑性亦高 水的表面張力大為粘土表成塑性好的最佳介質(zhì),,8-6 瘠性料懸浮與塑化,一、瘠性料懸浮兩種方法使瘠性泥懸浮即控制PH值及有機表面活性物質(zhì)的活動1、控制PH值法 PH值變化——ξ電位變化——吸力斥力平衡變化——膠溶或漿凝吸附成OH-膠固而Cl-也可取代OH-進入膠固，且Cl-水化能力OH-強化水膜厚，因而Cl-進入吸附層少，而進入擴散層多，則ξ電位升高，粘度下降，如PH值過低，則Cl

21、-值多而壓縮至吸附層致ξ電位下降粘度增大。,堿性介質(zhì)加入NaHO,Al2O3呈酸性反應(yīng)如下：Al2O3膠粒優(yōu)先吸附AlO2-膠粒帶負電再附形成一膠團，此膠團同樣隨介質(zhì)PH變化使ξ電位升高或降低泥漿粒底降低和增高2、有機膠體和表面活性物質(zhì) 上述物質(zhì)作懸洋鬼子劑 水泥工業(yè)使用減少劑，以提高產(chǎn)品工藝性能 減水劑親水及增水基團——增水基團吸附于水泥表面——親水基團吸附吸水成單分水膜——表

22、面活動性劑分子定向吸附而質(zhì)點表面帶相同電荷——靜電斥力作用——紊凝結(jié)構(gòu)互解——游離水釋放。,,二、瘠性料的塑化兩種方法1、加無機粘土類礦物作用機理： 粘土顆粒水介質(zhì)中成膠團——瘠性料分布于連續(xù)介質(zhì)——水中——瘠性料可漿亦可憎水同介質(zhì)發(fā)生作用——粒土促使瘠性料塑性（見書上圖8-30）2、加入有機高分子化合物 原理同上,,小 結(jié),一、粘土-水系統(tǒng)為什么稱為膠體系統(tǒng)二、粘土荷電原因（負電及正電）三