粘土主要矿物的结构与性质

粘土主要矿物的结构与性质摘要主要论述了粘土中主要矿物的结构特点，并对各种矿物的主要性能(如可塑性、干燥收缩和膨润性等)进行了综述。关键词：粘土,高岭石,蒙脱石,伊利石,晶体结构，可塑性，膨润性ABSTRACTMainly discusses the main structure characteristics of clay minerals, and a variety of mineral properties ( such as plasticity, drying shrinkage and swelling etc.) are reviewed.KEY WORDS: Clay, kaolinite, montmorillonite, illite, crystal structure, plasticity, swelling粘土类原料是日用陶瓷、耐火材料等的主要原料之一，它主要是由粘土矿物和其它矿物组成的并具有一定特性的（其中主要是具有可塑性）土状岩石。粘土矿物主要是一些含水铝硅酸盐矿物，其晶体结构是由SiO4四面体组成的（Si2O5）n层和一层由铝氧八面体组成的AlO（OH）2层相互以顶角联接起来的层状结构，这种结构在很大程度上决定了粘土矿物的各种性能。粘土很少由单一矿物组成，而是多种微细矿物的混合体，其主要矿物是被统称为“粘土矿物”的一些含水铝硅酸盐矿物。根据矿物的结构和组成的不同，可把粘土中的主要矿物分为高岭石类、蒙脱石类和伊利石类等三种。在粘土的使用过程中，由于对各种主要矿物的结构认识不足，常常在生产中造成资源的浪费，并且产品达不到理想的性能。材料的结构决定性能，只有掌握了矿物的的结构与性能的关系，才能对矿物进行合理、充分的利用。为此，我主要分析一下三种主要粘土矿物的结构与性能。1 高岭石类高岭石是一般粘土中常见的粘土矿物，主要由高岭石组成的较纯净的粘土称为高岭土。高岭石首先在我国江西景德镇东部的高岭村山头发现，现在国际上都把这种有利于成瓷粘土称为高岭土，它的主要矿物成分是高岭石和多水高岭石。高岭石的化学式为：Al2O32SiO22H2O，其晶体结构式是：Al4（Si4O10）（OH）8。图1：高岭石结构示意图高岭石的结晶属于双层结构硅酸盐矿物（如图1），即每一晶层系由一层硅氧四面体（SiO4）和一层铝氧八面体AlO2(OH)4通过共用的氧原子联系在一起，高岭石是由许多具有这种双层结构的平行的晶层组成，相邻两晶层通过八面体的羟基和另一层四面体的氧以氢键相联系，因而它们之间的结合力较弱，层理易于裂开及滑移。层间不易吸附水分子，但由于水分子的楔裂作用，或外部机械应力的作用，易使层间分离，或使粒子破坏，增加比表面积，提高分散度，增加可塑性。高岭石晶格内部离子是很少置换的，在晶格破坏时，最外层边缘上有断键，电荷出现不平衡，才吸附其它阳离子，重新建立平衡。高岭石结构外表面的OH-中的H+可以被K+或Na+等离子所取代。结晶差的晶体中，晶格内部的部分Al3+可以被Ti4+或Fe3+等所置换，产生不平衡健力，吸附其它离子，具有一定的离子交换量。高岭土中高岭石类粘土矿物含量愈多，杂质愈少，其化学组成愈接近高岭石的理论组成，纯度愈高的高岭土其耐火度愈高，烧后逾洁白，莫来石晶体发育愈多，从而其力学强度、热稳定性、化学稳定性愈好。但其分散度较小，可塑性较差。反之，杂质愈多，耐火度愈低，烧后不够洁白，莫来石晶体较少，但可能其分散度较大，可塑性较好。2 蒙脱石类以蒙脱石为主要矿物的粘土叫膨润土。蒙脱石类的矿物种属繁多，成分变化也最为复杂。若不考虑晶格中的Al3+和Si4+被其它离子置换时，蒙脱石的理论化学通式为Al2O34SiO2nH2O(n通常大于2)。它的晶体结构式是Al4（Si8O20）（OH）4nH2O.图2：蒙脱石晶体结构蒙脱石晶粒呈不规则细粒状或鳞片状，颗粒较小，一般小于0.5um，结晶程度差，轮廓不清楚。蒙脱石的特性是能够吸收大量的水，体积膨胀。以蒙脱石为主要成分的膨润土吸水后体积可膨胀2030倍，这就是膨润土的名字由来。膨润土在水中呈悬浮和凝胶状，并具有良好的阳离子交换特性。蒙脱石类矿物之所以吸水性强，是因为其晶胞是具有三层结构的硅酸盐矿物（如图2），每个晶层是由二层硅氧四面体中夹着一层AlO2(OH)4八面体。四面体的顶端氧指向结构层中央，与八面体共用，并将三层联接在一起。这种结构沿a、b轴方向可无限伸长，沿c轴方向以一定的间距重叠。由于c轴方向的晶层间的氧层与氧层的联系力很小，可形成良好的解理面，层间易于侵入水分子或其它极性分子，引起c轴方向膨胀，另外，晶格内四面体层的地Si4+小部分可被Al3+、P5+等置换。八面体层内的Al3+常被Mg2+、Fe3+、Zn2+、Li+等置换。这样使得晶格中电价不平衡，产生剩余键，促使在晶层间吸附Ca2+、Na+等阳离子，以平衡晶格内的不平衡电价。蒙脱石族矿物晶格内的离子置换主要发生在AlO2(OH)4层中，因此其晶层间吸附的阳离子，不仅使晶层之间的距离增加，更易吸收水分子而膨胀，而且这些被吸附的阳离子易于被置换，使蒙脱石具有较强的阳离子交换能力。蒙脱石的这些结构决定了它的性能：容易碎裂、颗粒极细、可塑性好、干燥后强度大、干燥收缩也大等。3 伊利石类伊利石类也泛称水云母类，其组成成分与白云母相似，是白云母经强烈的化学风化作用，转化为蒙脱石或高岭石的中间产物。白云母的晶胞也是具有三层结构的硅酸盐矿物，与蒙脱石的晶胞不同的是，其二层硅氧四面体中约有1/4的Si4+被Al3+所置换，其剩余键正好由一个嵌入层间氧层四面体网眼中的K+来平衡，故其晶格结合牢固，不致发生膨胀。白云母的化学通式为：K2O3Al2O36SiO22H2O。在进行化学风化时，其晶体结构中的K+由于水化的作用，被部分地滤掉，而由H3O+取代时，即得水云母矿物。所以水云母类粘土的含碱量较云母为少。而含水量较云母为多。但这个取代是逐步过渡的，有的水化不强烈，有的水化强烈，前者仍有云母特色，后者则在组分、物性，以及形态诸方面变化较多，一般即归之于伊利石类矿物。伊利石类矿物成分复杂，存在量大，其晶体结构式可写成K2（Al，Fe，Mg）4（Si，Al）3O20（OH）4nH2O。从组成上和结构上来看，伊利石与白云母比较，伊利石含K2O较少，而含水较多，晶层间阳离子通常为K+，也有部分被H+、Na+所取代。伊利石与高岭石相比较，伊利石含K2O多，而含水较少，故其成分及结构是介于白云母与高岭石或白云母与蒙脱石之间。伊利石类矿物的基本结构虽与蒙脱石相仿，但因其无膨润性，且其晶体也比蒙脱石粗，因此可塑性较低，干后强度小，而干燥收缩较小，软化温度比高岭石低。使用时应注意这些特点。4 结语随着冶金、建筑等对粘土原料的需求，学者对粘土原料做了大量研究，并取得了很大的进展，粘土制品以应用到很多领域。我们可以通过对其晶体结构的研