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1、Chapter.8 浆体的胶体化学原理,无机材料科学基础,讲授人：罗婷,LOGO,无机材料科学基础,本章重点:第一节,引言关键词：粘土水系统,本章主要内容：粘土-水系统的胶体化学知识以及其胶 体性质与陶瓷生产工艺性质的关系。,粘土水系统：由粘土颗粒分散在水介质中所形成的 分散体系。,LOGO,无机材料科学基础,一、流变学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（1）牛顿型,（2）宾汉型,如：水、甘油、低分子化合物溶液等,如：新拌混凝土等,LOGO,无机材料科学基础,一、流变学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（3）塑流型 陶瓷材料中最主要的流动方式,（4）假塑型,如：泥浆、油墨等,如：淀粉、高分
2、子溶液,（5）膨胀型,如：面粉，Al2O3粉、石英砂,LOGO,无机材料科学基础,二、粘土-水系统,第一节 粘土水系统的流变性质,（一）粘土的荷电性,粘土-水系统有一个基本现象电泳和电渗粘土带电,1、负电荷,（1）负电荷产生的原因,晶格取代,吸附在粘土表面的腐殖质离解,粘土边面断裂（高岭土）,（2）负电荷的分布层状硅酸盐的板面,LOGO,无机材料科学基础,二、粘土-水系统,第一节 粘土水系统的流变性质,（一）粘土的荷电性,2、两性电荷高岭土带电主要类型,在酸性介质中PH6,在中性介质中PH7,在碱性介质中PH8,3、净电荷,边面带正电荷,边面不带电,边面带负电,由于断键而引起的可局部吸附正电荷
3、或负电荷，即因PH不同而有不同电荷的现象叫。,LOGO,无机材料科学基础,二、粘土-水系统,第一节 粘土水系统的流变性质,（二）粘土的离子吸附与交换性,主要介绍粘土阳离子吸附与交换特点、阳离子交换量及影响因素、阳离子交换顺序,1、粘土阳离子吸附与交换现象,（2）阳离子交换的特点,（1）离子的交换过程,同号离子相互交换,离子以等当量交换,交换是可逆的,离子交换不影响粘土本身的结构特点，但可改变其胶体性质,应用：利用粘土的交 换性，可提纯粘土。,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（二）粘土的离子吸附与交换性,2、粘土阳离子交换容量（cation exchange capac
4、ity，cec）,定义：100g干土吸附的阳离子的毫克当量数 吸附的毫克当量/100克干粘土,（1）交换容量大小的意义,反映粘土所带负电荷多少、可初步鉴定粘土矿物的种类,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,2、粘土阳离子交换容量,（2）影响交换容量大小的因素,粘土的矿物组成,粘土颗粒的细度,腐殖质的含量,介质的PH值,介质的温度,吸附阳离子的电价与半径大小,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,2、粘土阳离子交换容量,（3）阳离子交换次序,表征粘土与阳离子的结合能力的大小,离子被吸附的难易程度，取决于离子的电价和水化离子半径。,其规律：,浓度相同时，高
5、价离子交换能力大,水化半径离子在溶液中发生了水化作用后的半径,水化能力表征：,电价相同时，半径大的交换能力强水化半径小,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,2、粘土阳离子交换容量,（3）阳离子交换次序,阳离子被吸附的能力，有下列顺序：,H+Al3+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+,交换作用：大 小 电价：高 低 半径：大 小,说明：阳离子浓度相同时，电价愈高，交换能力愈大,电价相同，离子半径愈小，交换能力小,低价离子浓度大于高价离子浓度时，可将高价离子置换下来。,H+离子的交换能力最强，与粘土有强烈的吸附作用。原因？,LOGO,无机材料科学基础,二
6、、粘土-水系统,第一节 粘土水系统的流变性质,（三）粘土胶体的电动性质,主要介绍粘土粘土颗粒与水介质作用的相关性质,1、粘土与水的作用,粘土表面存在O2-、OH-与H2O以氢键结合,粘土表面的静电场 使极性水分子定向排列,粘土吸附水化阳离子,粘土与水作用的结果：与作用程度不同的结合水形成了粘土胶团,LOGO,无机材料科学基础,二、粘土-水系统,第一节 粘土水系统的流变性质,（三）粘土胶体的电动性质,2、粘土胶核周围水的存在形式,牢固结合水：定向排列水，又称吸附水膜,牢固结合水、疏松结合水和自由水,疏松结合水：定向程度低，又称扩散水膜,自由水：超出作用力场作用范围而存在的水分子,提问：比较结构水
7、、层间水、牢固结合水、疏松结合水和自由水,LOGO,无机材料科学基础,二、粘土-水系统,第一节 粘土水系统的流变性质,（三）粘土胶体的电动性质,3、粘土结合水量及其影响因素,以100克干土吸附多少克水作为结合水量粘土的结合水量对粘土-水系统的工艺性质有影响,结合水量主要与阳离子电价及半径有关,两反规则,对于同价离子，半径小，水化半径大，粘土结合水量多 Li粘土Na粘土K粘土,对于异价离子，电价高时，粘土的结合水量少。,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（三）粘土胶体的电动性质,4、粘土胶体的电动电位电位,（1）电位的产生,紧靠粘土离子吸附阳离子层（胶粒）,松散分布层扩散
8、层,胶粒（负电）（正电）,胶团,-电位：吸附层与扩散层之间的电位差。,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（三）粘土胶体的电动性质,4、粘土胶体的电动电位电位,（2）电位的大小,电位可通过下式计算：,D水的介电常数，u电泳速度，表面电荷密度,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（三）粘土胶体的电动性质,4、粘土胶体的电动电位电位,（3）影响电位的因素,阳离子电价与半径吸附阳离子的种类,遵循两反规则，即：对于同价离子，半径越大，电位越低 对于不同价离子，电价越高，电位越低,与水化膜厚度有关，即与水化能力有关,H+、Al3+、Ba2+、Sr2+、Ca2+
9、、Mg2+、NH4+、K+、Na+、Li+,电位：小 大,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,阳离子浓度,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,有机质的影响 有机质含量高，扩散层增厚，电位升高。,4、粘土胶体的电动电位电位,（3）影响电位的因素,（4）电位与泥浆性能的关系,电位高悬浮性好,研究电位为改善泥浆性能指出了方向和途径,实例：陶瓷浆料球磨时常加入钠盐作为添加剂,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（一）泥浆的流动性与稳定性 关键词：流动性、稳定性、稀释性、稀释剂（减水剂）,三、粘土-水系统的胶体性质,主要内容：粘土-水系统
10、的胶体性质，包括：流动性、稳定性、触变性和可塑性,对于釉浆，可防止絮凝，在保证工艺条件下，水分减少，固体含量高，釉浆比重大,使干燥耗能降低，增加粉料产出量,稀释的意义：,降低坯体收缩，缩短模具干燥时间，提高生坯强度,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（一）泥浆的流动性与稳定性,三、粘土-水系统的胶体性质,1、稀释的现象及机理,加入适量电解质可使屈服值下降，粘度降低；加入不同电解质其屈服值和粘度下降程度不同（Na要好于Ca）,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（一）泥浆的流动性与稳定性,三、粘土-水系统的胶体性质,1、稀释的现象及机理,加入少量，粘
11、度降低；加入量多，粘度增大 不同电解质效果不同，而且NaSiO3比NaOH稀 释效果好,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（一）泥浆的流动性与稳定性,三、粘土-水系统的胶体性质,1、稀释的现象及机理,稀释机理：消除粘土边面上的异号电荷，使边-面、边-边结构转变 成面-面排列方式，才能出现粘度下降，流动性变好。,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（一）泥浆的流动性与稳定性,2、稀释的条件,（1）介质需呈碱性,（2）必须有一价阳离子交换粘土离子原来吸附的离子,（3）阴离子的作用,促使阳离子交换进行更彻底与原料上吸附的阳离子形成不可溶或稳定的络合物,C
12、a-粘土+NaOH Na-粘土+Ca(OH)2Ca-粘土+Na2CO3 Na-粘土+CaCO3Ca-粘土+Na2SiO3 Na-粘土+CaSiO3,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（一）泥浆的流动性与稳定性,2、稀释的条件,（3）阴离子的作用,聚合阴离子的作用特殊吸附作用，见书135页表8-4,中和了原来的正电荷，使表面总负电荷数增加,如：水玻璃、六偏磷酸钠、单宁酸钠、蛋白质钠盐,应用：生产中调节泥浆并不是使泥浆处于粘度最低状态,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（二）泥浆的触变性 关键词：触变性、触变结构,三、粘土-水系统的胶体性质,1、触变
13、性,泥浆静止不动时似凝固体，而一旦搅动后又重新获得流动性，并可多次重复的性质。,2、触变结构（卡片结构、纸牌结构）,霍夫曼首先解释了泥浆具有触变性的原因并提出了触变结构“卡片结构”,“卡片结构”形成的原因：边面和板面所带异号电荷吸引,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（二）泥浆的触变性,三、粘土-水系统的胶体性质,3、如何描述触变性？,4、影响触变性的因素,含水量,矿物组成,稠化度,胶粒的大小与形状,电解质的种类与加入量,温度,冬季输送的泥浆要预热，使流动性变好，触变性小，尤其是在北方地区。,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（三）粘土的可塑性,
14、三、粘土-水系统的胶体性质,当粘土与适当比例的水混合均匀制成泥团，该泥团受到高于某一个数值的剪应力作用后可塑造成任何形状，去除应力泥团仍然保持其形状不变的性质。,1、应力-应变曲线,当FfA（屈服值），应力与应变成正比，弹性体,当fAFfB，明显形变，塑性体,当FfB，泥团出现裂纹,粘土泥团为什么具有可塑性？可塑性受哪些因素的影响？如何调整改善泥团的可塑性？,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（三）粘土的可塑性,三、粘土-水系统的胶体性质,2、可塑性机理泥料的可塑性是泥团中引力和斥力不断抗衡，不断建立新平衡 的过程。,当应力使间距缩短斥力为主变形,应力消除后间距变大引力
15、为主保形,同性电荷相斥,引力,边-面静电吸力,毛细管力,范德华力,毛细管力大，则成型时阻力大，屈服值高，可塑性好；适当的含水量和较细的颗粒可以获得较大的毛细管力,LOGO,无机材料科学基础,第一节 粘土水系统的流变性质,（三）粘土的可塑性,2、可塑性机理,颗粒间作用力与水膜厚度的关系,在形成连续水膜的基础上，水膜越薄，颗粒之间作用力增加。水膜薄毛细管半径毛细管力。,颗粒间作用力与可塑性的关系,毛细管力（颗粒间引力）产生形变所需的力（使颗粒间相对移动所需力）屈服值可塑性,泥团具有可塑性的条件 需要具备一定的含水量,含水量适当，颗粒表面形成很薄的连续水膜 毛细管力可塑性,LOGO,无机材料科学基础
16、,第一节 粘土水系统的流变性质,（三）粘土的可塑性,3、影响可塑性的因素,吸附阳离子的种类,H-土M3+-土M2+-土M+-土。,粘土矿物组成,比表面积毛细管力可塑性。蒙脱石比表面积高岭大得多，故蒙高,颗粒细度和形状,颗粒细度毛力可塑性（水膜薄毛径毛力）；板状、短柱状比表面积球状、立方状，故前者可塑性后者；大、中、小颗粒级配合适可塑性。,含水量,LOGO,无机材料科学基础,第二节 瘠性料的悬浮与塑化,一、瘠性料的悬浮,方法,控制料浆的PH值,添加有机悬浮剂,1、控制料浆的PH值电位,（1）两性氧化物可用此法,如：Al2O3、Cr2O3和Fe2O3等,两性氧化物与酸、碱都能反应，生成的产物在溶液
17、中能解离,两性氧化物在酸性介质中呈碱性可电离出OH-,两性氧化物在碱性介质中呈酸性可电离出H+,LOGO,无机材料科学基础,第二节 瘠性料的悬浮与塑化,一、瘠性料的悬浮,1、控制料浆的PH值,（2）PH值与电位和的关系,PH=13 pH,PH=39 pH,PH=912 pH,PH=1214 pH,LOGO,无机材料科学基础,第二节 瘠性料的悬浮与塑化,在酸性介质中：,当PH值很小时，HCl浓度大，胶粒带正电荷大，对Cl离子吸引力大，导致扩散层变薄，电位较低,PH值增大，Cl离子浓度小，胶粒带正电荷少，对Cl离子吸引力弱，导致扩散层变厚，电位升高，PH=3-4,扩散层最厚,LOGO,无机材料科学
18、基础,第二节 瘠性料的悬浮与塑化,在碱性介质中：,当PH值增大，钠离子和AlO2-也增多，扩散层增厚，电位增大，当PH=12,达到最大值,PH值继续增大大于12，形成的较多的钠离子，也使得胶粒 表面负电荷增多，使得与钠离子吸引力增大，扩散层厚度降 低，电位降低。,LOGO,无机材料科学基础,第二节 瘠性料的悬浮与塑化,一、瘠性料的悬浮,1、控制料浆的PH值,2、添加有机表面活性物质（阿拉伯树胶、明胶、羧甲基纤维素）,作悬浮剂用量较多（1-1.5%）,作沉淀剂用量少（2%）,形成交叉网络结构,形成单个链状结构,LOGO,无机材料科学基础,第二节 瘠性料的悬浮与塑化,一、瘠性料的悬浮,二、瘠性料的塑化,瘠性料压力（注浆）成型时必须使用添加剂。,高分子化合物具有曲卷状线性分子，本身有粘性，具有极性基团，在溶液中形成水化膜。当颗粒吸附后，能较好地分散，同时，由于线性分子不规则曲卷，在外力作用下可变形，外力消除后能保持曲卷状态不变赋予瘠性料变形和保形的能力,无机增塑剂和有机增塑剂,CMC羧甲基纤维素、PVA聚乙烯醇、PVC聚氯乙烯、PVAC聚醋酸乙烯酯,
