第四章-胶体-无机材料物理化学-教学课件.ppt

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1、1绪论绪论陶陶瓷瓷工工业业中中泥泥浆浆及及可可塑塑泥泥料料的的性性能能，单单晶晶生生长长的的凝凝胶胶法法等等，都都涉涉及及到到与与胶胶体体状状态态有有关关的的知知识识，本本章章着着重重讨讨论论陶陶瓷瓷工工业业中中的粘土的粘土水系统。水系统。陶陶瓷瓷工工业业中中的的泥泥浆浆和和泥泥料料皆皆属属于于粘粘土土水水系系统统，从从胶胶体体化化学学的的角角度度按按被被分分散散颗颗粒粒度度大大小小看看，粘粘土土水水系系统统是是属属于于悬悬浮浮液液和粗分散系统。和粗分散系统。2第一节第一节 粘土质点的带电理论及粘土质点的带电理论及电位电位一一.带电理论带电理论二二.1.永久负电荷永久负电荷永永久久负负电电荷荷

2、是是由由于于矿矿物物晶晶格格中中某某些些粒粒子子和和外外界界离离子子置置换换后后产生的产生的如如硅硅氧氧四四面面体体中中4价价的的硅硅被被3价价的的铝铝所所置置换换，或或者者铝铝氧氧八八面面体体中中3价价的铝被的铝被2价的镁铁等所置换，就产生了过剩的负电荷，价的镁铁等所置换，就产生了过剩的负电荷，这种负电荷的数量决定于晶格中离子置换的数量。这种负电荷的数量决定于晶格中离子置换的数量。永久负电荷在蒙脱石、伊利石、蛭石中是很常见的。永久负电荷在蒙脱石、伊利石、蛭石中是很常见的。3第一节第一节 粘土质点的带电理论及粘土质点的带电理论及电位电位高高岭岭石石根根据据化化学学组组成成推推算算出出的的结结构

3、构式式，其其晶晶胞胞内内电电荷荷是是平平衡衡的的，因因此此，开开始始人人们们认认为为它它不不具具有有永永久久性性负负电电荷荷。近近年年来来发发现现高高岭岭石石存存在在着着铝铝对对硅硅的的同同晶晶置置换换现现象象。因因此此必必产产生生永永久久负负电荷。电荷。粘粘土土颗颗粒粒的的永永久久负负电电荷荷大大部部分分分分布布在在层层状状硅硅酸酸盐盐的的板板面面上上，这种电荷所吸附的阳离于是可交换的。这种电荷所吸附的阳离于是可交换的。4 3.净电荷净电荷 粘粘土土颗颗粒粒上上正正电电荷荷和和负负电电荷荷的的代代数数和和，就就是是粘粘土土颗颗粒粒的的净电荷。净电荷。负负电电荷荷一一般般都都是是多多于于正正电

4、电荷荷，所所以以除除了了少少数数粘粘土土颗颗粒粒在在较较强强的的酸酸性性条条件件下下可可能能出出现现净净正正电电荷荷外外，一一般般粘粘土土顺顺粒粒都都带带有净负电荷。有净负电荷。第一节第一节 粘土质点的带电理论及粘土质点的带电理论及电位电位6第一节第一节 粘土质点的带电理论及粘土质点的带电理论及电位电位二二.粘土粘土-水系统的动电性质水系统的动电性质 带带电电的的粘粘土土颗颗粒粒分分散散在在水水中中时时，胶胶体体颗颗粒粒和和液液相相的的界界面面上上就就有有双双电电层层出出现现。在在电电场场或或其其它它力力场场的的作作用用下下，固固体体颗颗粒粒对另一相做相对移动时所表现出来的电学性质称为对另一相

5、做相对移动时所表现出来的电学性质称为动电性质。动电性质。1.胶体双电层胶体双电层 带带电电胶胶粒粒分分散散在在电电解解质质溶溶液液中中时时，由由于于静静电电吸吸力力，在在胶胶粒粒的的周周围围形形成成反反号号电电荷荷的的离离子子层层，胶胶粒粒表表面面的的电电荷荷与与其其周周围围的离子层就构成了胶体的双电层。的离子层就构成了胶体的双电层。7 胶胶体体周周围围的的反反号号离离子子并并不不是是分分布布在在同同一一平平面面上上。因因为为在在溶溶液液中中，这这些些离离子子的的分分布布不不仅仅决决定定于于离离子子所所受受的的胶胶粒粒表表面面上上的电荷静电吸力的电荷静电吸力第一节第一节 粘土质点的带电理论及粘

6、土质点的带电理论及电位电位，而而且且也也受受使使离离子子均均匀匀分分布布于于溶溶液液中中热热运运动动的的影影响响。静静电电吸吸力力使使离离子子趋趋于于靠靠近近胶胶粒粒周周围围，而而离离子子的的热热运运动动则则使使离离子子有有散散开开的的趋趋势势。两两种种相相反反的的力力同同时时作作用用的的结结果果，使使胶胶粒粒周周围围的的反反号号粒粒子子随随着着与与胶胶粒粒表表面面的的距距离离的的增增加加而而减减少，因此称为少，因此称为扩散双电层扩散双电层。8 2.电位及其影响因素电位及其影响因素 当当粘粘土土中中胶胶体体颗颗粒粒受受外外力力而而运运动动时时，并并不不是是粘粘土土颗颗粒粒单单独独移移动动，而而

7、是是与与密密实实的的内内层层一一起起移移动动。这这一一结结合合在在固固相相表表面面上上的的密密实实的的内内层层与与胶胶团团内内的的非非固固定定部部分分与与溶溶液液之之分分界界面面上上的电位，称为胶体的的电位，称为胶体的电位或动电电位电位或动电电位。其大小受到一系列因素的影响。其大小受到一系列因素的影响。电解质浓度：电解质浓度：液液相相中中电电解解质质的的浓浓度度愈愈高高，则则反反号号离离子子的的浓浓度度愈愈高高，随随着着溶溶液液中中反反号号离离子子的的增增加加，双双电电层层的的固固定定层层中中的的反反号号离离子子数数量量也也相相应应地地增增多多。因因而而在在滑滑动动面面上上表表现现出出来来的的

8、电电位位也也较较小。小。第一节第一节 粘土质点的带电理论及粘土质点的带电理论及电位电位10 离子价数的影响：离子价数的影响：如如果果反反号号离离子子的的价价数数由由原原来来1价价变变为为2价价，而而其其它它条条件件不不变变，则则由由于于带带电电的的胶胶粒粒对对单单个个离离子子的的吸吸引引力力加加大大了了一一倍倍，所所以以反反号号离离子子更更接接近近于于胶胶粒粒表表面面，使使双双电电层层厚厚度度减减小小。从从而而导导致致电位降低。电位降低。第一节第一节 粘土质点的带电理论及粘土质点的带电理论及电位电位11第二节第二节 离子交换和胶团中的结合水离子交换和胶团中的结合水1.离子的本性离子的本性 价数

9、价数：在在粘粘土土水水悬悬浮浮液液体体系系中中，由由子子离离子子吸吸附附主主要要是是固固相相表表面面与与离离子子之之间间静静电电作作用用的的结结果果，而而静静电电作作用用力力的的大大小小应应服服从从库库仑仑定定律律。对对于于同同一一固固相相表表面面，当当环环境境条条件件相相同同时时，反反号号离离子的价数愈高，则吸引力愈强子的价数愈高，则吸引力愈强，一般称此为，一般称此为离子的吸附能离子的吸附能。不同价数的离子吸附能如下：不同价数的离子吸附能如下：M+M2+Al3+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+阴离子的置换顺序为：阴离子的置换顺序为：OH-CO32-P2O74-I-Br

10、-Cl-NO3-F-SO42-第二节第二节 离子交换和胶团中的结合水离子交换和胶团中的结合水16 粘土粘土-水系统中的水有五种：水系统中的水有五种：牢固结合水，弱结合水，渗透水，毛细管水，自由水牢固结合水，弱结合水，渗透水，毛细管水，自由水第二节第二节 离子交换和胶团中的结合水离子交换和胶团中的结合水 在在含含水水量量较较少少，粘粘土土-水水系系统统形形成成可可塑塑性性泥泥料料时时，渗透结合水不能充分形成，毛细管水便有可能存在。渗透结合水不能充分形成，毛细管水便有可能存在。18第二节第二节 离子交换和胶团中的结合水离子交换和胶团中的结合水牢牢固固结结合合水水：紧紧靠靠在在粘粘土土表表面面，水水

11、分分子子依依靠靠配配位位，静静电电和和氢氢键键联联结结，牢牢固固地地与与颗颗粒粒表表面面结结合合而而成成，此此层层水水具具有有较较高高的的粘粘滞滞性性和和极极限限剪剪切切应应力。力。弱弱结结合合水水：离离表表面面较较远远处处分分布布着着由由偶偶极极-偶偶极极相相互互作作用用而而组组成成的的水水化化层层，由由于于受受力力的的结结果果使使水水分分子子以以相相应应的的方方式式定定向向排排列列着着，这这层层水水与与粘粘土土表表面面结结合合较较弱弱，但但与与胶胶团团外外的的自自由由水水相相比比，仍仍有有较较高高的的粘粘性性和和抗抗剪剪强度。强度。渗渗透透水水：是是结结构构水水化化层层转转入入自自由由水水

12、的过渡层。的过渡层。19 一、泥浆流动性和稳定性一、泥浆流动性和稳定性 陶陶瓷瓷工工业业中中制制备备泥泥浆浆是是工工艺艺学学中中最最复复杂杂的的工工艺艺过过程程之之一，其主要技术要求有两个：一，其主要技术要求有两个：在在保保证证足足够够的的流流动动性性的的前前提提下下，泥泥浆浆应应含含有有尽尽可可能能少少的的水分。水分。泥浆要求高的称稳定性，静置一段时间内不发生聚沉。泥浆要求高的称稳定性，静置一段时间内不发生聚沉。为为达达到到上上述述要要求求，一一般般都都在在泥泥浆浆中中加加入入适适量量的的稀稀释释剂剂(电电解质解质)，如水玻璃、纸浆废液等。，如水玻璃、纸浆废液等。第三节第三节 泥浆流动性和稳

13、定性及泥料的可塑性泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性20第三节第三节 泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性为什么加入稀释剂能起到改善泥浆工艺性能的作用？为什么加入稀释剂能起到改善泥浆工艺性能的作用？机机制制：在在自自然然条条件件下下，粘粘土土颗颗粒粒的的基基面面和和断断口口可可能能持持有有不不同同性性质质的的双双电电层层。（基基面面上上一一般般是是负负电电荷荷，断断口口依依pH值值不不同同，电电荷荷不不同同），这这使使片片状状的的粘粘土土颗颗粒粒可可能能出出现现边边面面连连接接，造成粘土水悬浮液具有较高的凝聚力和较低的稳定性。造成粘土水悬浮液具有较高的凝聚力和较低的稳

14、定性。21加加入入电电解解质质可可以以改改变变其其断断口口的的双双电电层层性性质质，使使断断口口双双电电层层与与基基面面双双电电层层性性质质一一致致起起来来。从从而而导导致致斥斥力力增增加加，粘粘土土颗颗粒粒分分散，悬浮液稳定，粘度降低。散，悬浮液稳定，粘度降低。若若再再增增加加电电解解质质，使使粘粘土土水水系系统统中中阳阳离离子子浓浓度度增增加加，改改变变了了原原来来胶胶团团到到自自由由水水之之间间的的阳阳离离子子浓浓度度梯梯度度，使使扩扩散散层层变变薄薄，悬浮液的流动度进一步增加。悬浮液的流动度进一步增加。当当阳阳离离子子浓浓度度达达到到一一定定程程度度，电电位位有有比比较较大大的的下下降

15、降，致致使使斥斥力力下下降降。此此时时片片状状粘粘土土颗颗粒粒之之间间的的范范德德华华引引力力增增加加，在在一一个狭窄的范围内可能会出现个狭窄的范围内可能会出现触变性触变性。第三节第三节 泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性22 1.应力与应变图应力与应变图 当当一一块块粘粘土土泥泥料料受受到到一一个个正正在在增增加加着着的的力力的的作作用用时时，会会得得到到如如图图那那样样的的一一个个应应力力应应变变图图。从从开开始始一一直直到到降降伏伏点点a，变形是弹性的。如果应力作用了一个很短的时刻后就，变形是弹性的。如果应力作用了一个很短的时刻后就第三节第三节 泥浆流动性和

16、稳定性及泥料的可塑性泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性被被除除去去。泥泥料料就就会会恢恢复复原原状状。然然而而，如如果果应应力力维维持持一一个个长长的的时时间间，这这种种复复原原的的能能力力就就要要损损失失若若干干，（这这可可能能是是由由于于水水分分从从受受力力大大的的部部分分向向受受力力低低部部分分移移动动的的缘缘故故）。应应力力继继续续增增加加超超过过降降伏伏点点，则则产产生生塑塑性性变变形形，到到达达b后后，泥料开始出现裂纹或破裂。泥料开始出现裂纹或破裂。24 衡衡量量一一块块泥泥料料可可塑塑性性的的好好坏坏，有有两两个个重重要要指指标标:一一是是降降伏值，二是破裂时达到的延伸量。伏值，二

17、是破裂时达到的延伸量。降伏值过高，而延伸量过小时，成型时费力而且容易破裂。降伏值过高，而延伸量过小时，成型时费力而且容易破裂。降伏值过低，成型好的坯料往往由于自重而变形。降伏值过低，成型好的坯料往往由于自重而变形。通通常常用用降降伏伏值值和和最最大大延延伸伸量量的的乘乘积积来来评评价价，在在一一个个一一定定含含水水量时，这个乘积为最大值时被认为最合适。量时，这个乘积为最大值时被认为最合适。第三节第三节 泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性25第三节第三节 泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性2.可塑泥料中力的分析可塑泥料中力的分析 如如果

18、果把把均均匀匀分分散散的的粘粘土土水水悬悬浮浮液液，在在尽尽可可能能的的质质量量浓浓度度范范围围内内测测量量其其降降伏伏值值并并作作出出图图，然然后后对对同同样样颗颗粒粒的的塑塑性性泥泥块块作作出出同同样样的的曲曲线线，并并把把它它们们合合并并在一个坐标图内。在一个坐标图内。我我们们可可以以发发现现二二者者的的降降伏伏点点变变化化不不是是连连续续的的，中中间间有有一一段段间间隔隔，这这间间隔隔中中的的粘粘土土一一水水系系统统是是陶陶瓷瓷生生产产中中不不能能应应用用的的范范围围。另另外外两两者者的的斜斜率率不不一一样样，一一个个是是3，一一个个是是6，这这说说明明它它们们是是由由不不同同的的规律

19、支配着。规律支配着。26 在在两两个个高高岭岭石石片片间间，有有一一液液膜膜，由由于于表表面面张张力力的的作作用用，对对二二板板具具有有拉拉紧紧的的作作用用力力。这这个个力力相相当当可可观观，R=80m时时，为为9102Pa。正是这个力使颗粒聚集在一起。正是这个力使颗粒聚集在一起。一一块块可可塑塑性性较较好好的的泥泥料料，应应该该有有一一个个适适当当高高的的降降伏伏值值，在破裂以前又有一个大的延伸量。在破裂以前又有一个大的延伸量。水水膜膜愈愈薄薄，由由表表面面张张力力促促使使粘粘土土颗颗粒粒聚聚集集在在一一起起的的作作用用力力也也愈大，降伏值也愈高。愈大，降伏值也愈高。但但另另一一方方面面，要要有有较较大大的的延延伸伸量量，又又应应有有适适当当厚厚度度的的水水膜膜，因因为为正正是是由由于于被被水水膜膜润润滑滑了了的的容容易易相相互互滑滑动动的的板板状状颗颗粒粒造造成成其具有一定的延伸量。其具有一定的延伸量。第三节第三节 泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性泥浆流动性和稳定性及泥料的可塑性28