類水滑石對納米凹凸棒土懸浮液流變性的影響

孫永明，周偉

(江蘇省凹土資源利用重點實驗室 淮陰工學院 生化學院，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構的含水富鎂硅酸鹽，在液相介質中是重要的懸浮劑、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，是凹土高值化應用的前提。類水滑石(簡稱HTlc)指由不同價數金屬離子形成的具有水滑石層狀晶體機構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 結果與討論

2.1 凹凸棒石黏土SEM 及成分分析

納米凹土經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%，Fe2O38. 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，剪切速率與剪切應力成良好的線性關系。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，剪切應力變大，當膠土比為0.3 時，懸浮體中的正電荷數量變多，使得同類電荷之間相互排斥，懸浮體穩定性提高，剪切應力變小;繼續增大膠土比，由于粘結作用，體系的穩定性下降［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，剪切應力變大;當膠土比為0.5 時，懸浮體中的正電荷數量變多，使得粒子之間相互排斥力增大，懸浮體穩定性提高，剪切應力變小，當膠土比為0.6 時，可能由于HTlc 粒子的增多，形成聚集體，粘結作用使懸浮液體系穩定性下降，剪切應力增大。

隨著膠土比增大，HTlc 與凹土的粒子數之比也由小到大，體系的結構從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網絡結構轉化，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，體系由負電性經過電中性向正電性轉變［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。當繼續增大膠土比，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。結果表明，單純納米凹土體系，當含量大于2%后為非牛頓流體，有一定的屈服值，含量≤2%時，剪切速率與剪切應力成良好的線性關系。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力呈現增大、減小然后再增大的變化。

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

［2］ 楊小麗，楊金香.類水滑石化合物的制備及應用［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］. 南京師范大學學報:自然科學版，2009，32(2):82-86.

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

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

［6］ 陳浩，王愛勤. 改性凹凸棒粘土懸浮穩定性的研究［J］.中國礦業，2007，16(4):98-101.

［7］ 吳國華，丁文江，羅吉榮.凹凸棒石黏土對消失模涂料流變性的影響［J］.硅酸鹽學報，2002，30(1):81-85.