类水滑石对纳米凹凸棒土悬浮液流变性的影响

孙永明，周伟

(江苏省凹土资源利用重点实验室 淮阴工学院 生化学院，江苏 淮安 223003)

凹凸棒石黏土，简称凹土，又名坡缕石，是一种层链状过渡结构的含水富镁硅酸盐，在液相介质中是重要的悬浮剂、触变剂和黏土改性剂［1］。如何改善凹凸棒石黏土悬浮液体系的分散性，是凹土高值化应用的前提。类水滑石(简称HTlc)指由不同价数金属离子形成的具有水滑石层状晶体机构的混合金属氢氧化物，由于同晶置换或“晶格缺陷”而带正电荷［2-3］。本文首先制备类水滑石，然后研究其对纳米凹土水悬浮液流变性能的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

Mg(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O、Fe-(NO3)3·6H2O、氨水均为分析纯;蒸馏水。

HY-5 型回旋式振荡器;S-3000N 型扫描电镜;EX-250 型能谱仪;AR 2000ex 型流变仪。

1.2 类水滑石制备

采用液相共沉淀方法，按n(Mg)∶n(Al)∶n(Fe)一定配比混合盐溶液，在搅拌下加入共沉淀剂氨水，生成沉淀，陈化一定时间后过滤，洗涤，得到Mg-Al-Fe 类水滑石胶体。

1.3 扫描电镜(SEM)测试

纳米凹凸棒土形貌分析在S-3000N 型扫描电镜上进行，测试前样品进行喷金处理。凹土成分分析在S-3000N 附带的EX-250 型能谱仪上进行，工作电压为20 kV。

1.4 流变性测定

将纳米凹土、类水滑石和蒸馏水按一定比例混合，制备得到分散性良好凹土悬浮液，测量流变。测量夹具为60 mm 的不锈钢板，测量间隙1 000 μm，使用珀尔贴板进行温度控制，测量温度为25 ℃。

2 结果与讨论

2.1 凹凸棒石黏土SEM 及成分分析

纳米凹土经X 射线能谱测试，其主要成分为:MgO 10. 5%，Al2O312. 2%，SiO254. 3%，K2O 2.4%，CaO 4. 3%，Fe2O38. 1%，Na2O 0. 2%，TiO21.0%。图1 是凹土晶束聚集体电子显微镜照片。

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

由图1 可知，凹凸棒石粘土呈杂乱的“乱稻草堆”形貌，高长径比的纤维状凹凸棒石粘土晶束在溶液中随机取向，故而呈现杂乱的“面-端”交叉分布［4-5］。

2.2 单纯纳米凹土悬浮体流变性曲线

单纯纳米凹土悬浮体流变性曲线见图2。

图2 不同含量的单纯纳米凹土水悬浮液体系流变曲线Fig.2 Rheological curves of pure attapulgite suspension

由图2 可知，当含量＞2%时，为非牛顿流体，有屈服值，属塑性流体，含量≤2%时，剪切速率在0 ～600 s－1，剪切速率与剪切应力成良好的线性关系。随着凹土含量增加，剪切速率线性范围变小。相同的剪切速率下，剪切应力随着凹土含量的提高而大幅度增加，说明悬浮液体系的稳定性下降［6］。

2.3 Mg-Al-Fe-HTlc/凹土悬浮液流变性

图3 为固定凹土含量为，1%的悬浮液体系，不同的胶土比测得的流变性曲线。

图3 1%的凹土悬浮液，不同的胶土比流变曲线Fig.3 Rheological curves of 1% attapulgite suspension with different ratio

由图3 可知，Mg-Al-Fe-HTlc/凹土悬浮液体系中，曲线胶土比为0.1 ～0.2，在相同剪切速率下，剪切应力变大，这是因为Mg-Al-Fe-HTlc 带正电荷而凹土带负电，基本中和完全，使体系的静电斥力降低，剪切应力变大，当胶土比为0.3 时，悬浮体中的正电荷数量变多，使得同类电荷之间相互排斥，悬浮体稳定性提高，剪切应力变小;继续增大胶土比，由于粘结作用，体系的稳定性下降［7］。

图4 2%的凹土悬浮液，不同的胶土比流变曲线Fig.4 Rheological curves of 2% attapulgite suspension with different ratio

由图4 可知，当胶土比为0.4 时，Mg-Al-Fe-HTlc的正电荷与凹土负电荷基本中和完全，使体系的静电斥力降低，剪切应力变大;当胶土比为0.5 时，悬浮体中的正电荷数量变多，使得粒子之间相互排斥力增大，悬浮体稳定性提高，剪切应力变小，当胶土比为0.6 时，可能由于HTlc 粒子的增多，形成聚集体，粘结作用使悬浮液体系稳定性下降，剪切应力增大。

随着胶土比增大，HTlc 与凹土的粒子数之比也由小到大，体系的结构从HTlc 为“核心”的聚集体(凹土颗粒包裹HTlc 颗粒)，向HTlc 粒子和凹土粒子相间分布的空间连续网络结构转化，最后再向凹土粒子为“核心”的聚集体(HTlc 颗粒包裹凹土颗粒)转化。从体系整体的电性考虑，随着胶土比的增大，体系由负电性经过电中性向正电性转变［6］。

图5 为凹土含量1%，不同胶土比的粘度对剪切速率变化曲线。

图5 凹土含量为1%，不同胶土比的流变性曲线Fig.5 Rheological curves of 1% attapulgite suspension containing various Mg-Al-Fe-HTlc

由图5 可知，胶土比为0.2 时，粘度达到最大值，继续增大胶土比，粘度反而下降。这是因为悬浮液体系中凹土所带的负电荷被类水滑石的正电荷中和。当继续增大胶土比，由于体系中净电荷为正，同种电荷间的斥力作用，使得Mg-Al-Fe-HTlc/凹土悬浮液体系的粘度降低。

3 结论

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 类水滑石，加到纳米凹土水悬浮液体系中，研究Mg-Al-Fe-HTlc 对流变性的影响。结果表明，单纯纳米凹土体系，当含量大于2%后为非牛顿流体，有一定的屈服值，含量≤2%时，剪切速率与剪切应力成良好的线性关系。将类水滑石添加到凹土悬浮液体系中，以胶土比为变量，由于带负电荷的凹土和带正电荷的Mg-Al-Fe-HTlc 之间的静电相互作用，随着胶土比增加，同样剪切速率下的剪切应力呈现增大、减小然后再增大的变化。

［1］ 詹庚申，郑茂松，高振如，等. 凹凸棒石黏土开发利用现状、思考与前瞻［J］.江苏地质，2003，27(1):41-47.

［2］ 杨小丽，杨金香.类水滑石化合物的制备及应用［J］.化工中间体，2010(1):7-11.

［3］ 刘红，陆天虹，李淑萍.类水滑石化合物制备方法研究综述［J］. 南京师范大学学报:自然科学版，2009，32(2):82-86.

［4］ 陈天虎，王健，庆承松，等.热处理对凹凸棒石结构、形貌和表面性质的影响［J］.硅酸盐学报，2006，34(11):1406-1410.

［5］ 马玉恒，方卫民，马小杰.凹凸棒石黏土研究与应用进展［J］.材料导报，2006，20(9):43-46.

［6］ 陈浩，王爱勤. 改性凹凸棒粘土悬浮稳定性的研究［J］.中国矿业，2007，16(4):98-101.

［7］ 吴国华，丁文江，罗吉荣.凹凸棒石黏土对消失模涂料流变性的影响［J］.硅酸盐学报，2002，30(1):81-85.