孫永明，周偉

(江蘇省凹土資源利用重點實驗室 淮陰工學(xué)院 生化學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

凹凸棒石黏土，簡稱凹土，又名坡縷石，是一種層鏈狀過渡結(jié)構(gòu)的含水富鎂硅酸鹽，在液相介質(zhì)中是重要的懸浮劑、觸變劑和黏土改性劑［1］。如何改善凹凸棒石黏土懸浮液體系的分散性，是凹土高值化應(yīng)用的前提。類水滑石(簡稱HTlc)指由不同價數(shù)金屬離子形成的具有水滑石層狀晶體機構(gòu)的混合金屬氫氧化物，由于同晶置換或“晶格缺陷”而帶正電荷［2-3］。本文首先制備類水滑石，然后研究其對納米凹土水懸浮液流變性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

Mg(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O、Fe-(NO3)3·6H2O、氨水均為分析純;蒸餾水。

HY-5 型回旋式振蕩器;S-3000N 型掃描電鏡;EX-250 型能譜儀;AR 2000ex 型流變儀。

1.2 類水滑石制備

采用液相共沉淀方法，按n(Mg)∶n(Al)∶n(Fe)一定配比混合鹽溶液，在攪拌下加入共沉淀劑氨水，生成沉淀，陳化一定時間后過濾，洗滌，得到Mg-Al-Fe 類水滑石膠體。

1.3 掃描電鏡(SEM)測試

納米凹凸棒土形貌分析在S-3000N 型掃描電鏡上進行，測試前樣品進行噴金處理。凹土成分分析在S-3000N 附帶的EX-250 型能譜儀上進行，工作電壓為20 kV。

1.4 流變性測定

將納米凹土、類水滑石和蒸餾水按一定比例混合，制備得到分散性良好凹土懸浮液，測量流變。測量夾具為60 mm 的不銹鋼板，測量間隙1 000 μm，使用珀爾貼板進行溫度控制，測量溫度為25 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 凹凸棒石黏土SEM 及成分分析

納米凹土經(jīng)X 射線能譜測試，其主要成分為:MgO 10. 5%，Al2O312. 2%，SiO254. 3%，K2O 2.4%，CaO 4. 3%，F(xiàn)e2O38. 1%，Na2O 0. 2%，TiO21.0%。圖1 是凹土晶束聚集體電子顯微鏡照片。

圖1 凹土棒晶SEM 圖Fig.1 SEM of attapulgite crystal bundle

由圖1 可知，凹凸棒石粘土呈雜亂的“亂稻草堆”形貌，高長徑比的纖維狀凹凸棒石粘土晶束在溶液中隨機取向，故而呈現(xiàn)雜亂的“面-端”交叉分布［4-5］。

2.2 單純納米凹土懸浮體流變性曲線

單純納米凹土懸浮體流變性曲線見圖2。

圖2 不同含量的單純納米凹土水懸浮液體系流變曲線Fig.2 Rheological curves of pure attapulgite suspension

由圖2 可知，當(dāng)含量＞2%時，為非牛頓流體，有屈服值，屬塑性流體，含量≤2%時，剪切速率在0 ～600 s－1，剪切速率與剪切應(yīng)力成良好的線性關(guān)系。隨著凹土含量增加，剪切速率線性范圍變小。相同的剪切速率下，剪切應(yīng)力隨著凹土含量的提高而大幅度增加，說明懸浮液體系的穩(wěn)定性下降［6］。

2.3 Mg-Al-Fe-HTlc/凹土懸浮液流變性

圖3 為固定凹土含量為，1%的懸浮液體系，不同的膠土比測得的流變性曲線。

圖3 1%的凹土懸浮液，不同的膠土比流變曲線Fig.3 Rheological curves of 1% attapulgite suspension with different ratio

由圖3 可知，Mg-Al-Fe-HTlc/凹土懸浮液體系中，曲線膠土比為0.1 ～0.2，在相同剪切速率下，剪切應(yīng)力變大，這是因為Mg-Al-Fe-HTlc 帶正電荷而凹土帶負電，基本中和完全，使體系的靜電斥力降低，剪切應(yīng)力變大，當(dāng)膠土比為0.3 時，懸浮體中的正電荷數(shù)量變多，使得同類電荷之間相互排斥，懸浮體穩(wěn)定性提高，剪切應(yīng)力變小;繼續(xù)增大膠土比，由于粘結(jié)作用，體系的穩(wěn)定性下降［7］。

圖4 2%的凹土懸浮液，不同的膠土比流變曲線Fig.4 Rheological curves of 2% attapulgite suspension with different ratio

由圖4 可知，當(dāng)膠土比為0.4 時，Mg-Al-Fe-HTlc的正電荷與凹土負電荷基本中和完全，使體系的靜電斥力降低，剪切應(yīng)力變大;當(dāng)膠土比為0.5 時，懸浮體中的正電荷數(shù)量變多，使得粒子之間相互排斥力增大，懸浮體穩(wěn)定性提高，剪切應(yīng)力變小，當(dāng)膠土比為0.6 時，可能由于HTlc 粒子的增多，形成聚集體，粘結(jié)作用使懸浮液體系穩(wěn)定性下降，剪切應(yīng)力增大。

隨著膠土比增大，HTlc 與凹土的粒子數(shù)之比也由小到大，體系的結(jié)構(gòu)從HTlc 為“核心”的聚集體(凹土顆粒包裹HTlc 顆粒)，向HTlc 粒子和凹土粒子相間分布的空間連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，最后再向凹土粒子為“核心”的聚集體(HTlc 顆粒包裹凹土顆粒)轉(zhuǎn)化。從體系整體的電性考慮，隨著膠土比的增大，體系由負電性經(jīng)過電中性向正電性轉(zhuǎn)變［6］。

圖5 為凹土含量1%，不同膠土比的粘度對剪切速率變化曲線。

圖5 凹土含量為1%，不同膠土比的流變性曲線Fig.5 Rheological curves of 1% attapulgite suspension containing various Mg-Al-Fe-HTlc

由圖5 可知，膠土比為0.2 時，粘度達到最大值，繼續(xù)增大膠土比，粘度反而下降。這是因為懸浮液體系中凹土所帶的負電荷被類水滑石的正電荷中和。當(dāng)繼續(xù)增大膠土比，由于體系中凈電荷為正，同種電荷間的斥力作用，使得Mg-Al-Fe-HTlc/凹土懸浮液體系的粘度降低。

3 結(jié)論

采用液相共沉淀方法，按n(Mg)∶n(Al)∶n(Fe)一定配比制得Mg-Al-Fe 類水滑石，加到納米凹土水懸浮液體系中，研究Mg-Al-Fe-HTlc 對流變性的影響。結(jié)果表明，單純納米凹土體系，當(dāng)含量大于2%后為非牛頓流體，有一定的屈服值，含量≤2%時，剪切速率與剪切應(yīng)力成良好的線性關(guān)系。將類水滑石添加到凹土懸浮液體系中，以膠土比為變量，由于帶負電荷的凹土和帶正電荷的Mg-Al-Fe-HTlc 之間的靜電相互作用，隨著膠土比增加，同樣剪切速率下的剪切應(yīng)力呈現(xiàn)增大、減小然后再增大的變化。

［1］ 詹庚申，鄭茂松，高振如，等. 凹凸棒石黏土開發(fā)利用現(xiàn)狀、思考與前瞻［J］.江蘇地質(zhì)，2003，27(1):41-47.

［2］ 楊小麗，楊金香.類水滑石化合物的制備及應(yīng)用［J］.化工中間體，2010(1):7-11.

［3］ 劉紅，陸天虹，李淑萍.類水滑石化合物制備方法研究綜述［J］. 南京師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，32(2):82-86.

［4］ 陳天虎，王健，慶承松，等.熱處理對凹凸棒石結(jié)構(gòu)、形貌和表面性質(zhì)的影響［J］.硅酸鹽學(xué)報，2006，34(11):1406-1410.

［5］ 馬玉恒，方衛(wèi)民，馬小杰.凹凸棒石黏土研究與應(yīng)用進展［J］.材料導(dǎo)報，2006，20(9):43-46.

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