اثر کاتیون های قلیائی بر روی رئولوژی کائولن
اثر كاتيونهاي قليائي بر روي رئولوژي كائولن
در اين گفتار اثر كاتيونهاي قليائي بر روي رئولوژي كائولن در يك بازه وسيع غلظت و با تمركز بر روي سطوح ميلي مولار غلظت مورد مطالعه قرار گرفته است. ديسپرسيون جزئي كائولن به كمك سديم پولي اكريليك اسيدي كه در معرض افزودن نمكهاي كلرايد قليائي قرار گرفته، اساس تستهاي مطالعه حاضر را تشكيل داده است.هرچه سايز كاتيونهاي قليائي افزايش مي يابد، جذب ويژه آنها بر روي سطوح رس به نحو قابل ملاحظه اي افزايش يافته و خواص ويسكوالاستيك سيستم لخته شده را تغيير مي دهند.اثر كاتيونها هنگامي اهميت مي يابد كه آنيونهاي متوازن سازنده ضعيف وجود داشته باشند. هرچند آنيونهاي آگلومره شونده اي از قبيل بوراتها،سيليكاتها و فسفاتها نيز مي توانند به كمك جذب ويژه بر روي سطح ذرات رسي به ديسپرسيون سيستم دوغابه رس مساعدت نمايند .افزايش غلظت كاتيون و اثر ناشي از آن ، مالاً موجب تخريب ثبات سوسپانسيون مي گردد. رئولوژي دوغابه هاي ديسپرسه أي با درصد جامد بالا نسبت به حتي چند ده ميلي مولار نوسان در غلظت تركيب آلكاليها – كه معمولا در توليد بدنه هاي سراميكي با آن مواجه مي گرديم – حساس مي باشند. تماس و برخورد كاتيونهاي قليائي موجب چيرگي بر آثاري مي گردد كه معمولا در خلال توليد با آنها برخورد مي نماييم.
كائولن را مي توان مركب از لايه هاي مولكولي سيليس و آلومين ، با يك وجه داراي خواص سيليس گونه و يك وجه داراي خواص آلومين گونه دانست .ساختار كريستالي كائولن از يك سيستم مجاور دو لايه أي شامل لايه تتراهدرال سيليكا و اكتاهدرال آلومين تشكيل شده است. لايه هاي انباشته اين جفت هاي تركيبي سيليكا -آلومين اساس تشكيل ذرات رس محسوب مي گردند. هم ارتباط بين اين ساختار با رفتار ذرات رسي و نيز رفتار مجزاي سيليكا و آلومين در سوسپانسيونهاي مائي از جمله تلاشهاي اين گفتار است.
فلزات قليائي خاكي دو ظرفيتي رل بسيار مهمي در دوغابه هاي سراميكي ايفا مي نمايند . لخته كنندگي بحراني كلسيم و منيزيم دو ظرفيتي تنها در محدوده غلظتي حدود يك دهم غلظت كاتيونهاي قليائي تك ظرفيتي ظاهر مي گردد، و اين بازه به خوبي توسط نوسانات سختي آب مصرفي پوشش داده شده و لذا آثار شاخصي بر روي رفتار رئولوژيك دوغابه ها به جاي ميگذارد. سهم كاتيونهاي قليائي تك ظرفيتي در اينگونه دوغابه ها كاملا تحت اثر كاتيونهاي دو ظرفيتي قرار ميگيرد. معهذا به منظور شناخت طبيعت رفتاري كائولن ناچاريم نقش نمكهاي قليائي تك ظرفيتي را نيز مورد مطالعه قرار دهيم.
با مطالعه منحنيهاي جريان حاصله براي هر سوسپانسيون يك ناحيه خطي را در مقياس log-log نرخ برش بر حسب ويسكوزيته مشاهده مینماییم .شيب اين ناحيه خطي،و نيز دنباله آن كه داراي نرخ برش بالايي ميباشد، براي همه سوسپانسيونها يكسان مي باشد. انديس گذاري هر منحني جريان به كمك ويسكوزيته ظاهري در يك نرخ برش مشخص (1/S) ، روش مؤثري جهت برسي وضعيت هر دوغابه است . رسم منحنی ويسكوزيته ظاهري بر حسب غلظت كاتيون فلزي اضافه شده در حالی که كه هر سوسپانسيون حاوي 18.4 ميلي مول كاتيون (Na^+) حاصل از روانساز باشد و متعاقبا برازش منحني غلظت بر حسب داده هاي ويسكوزيته ظاهري به كمك يك تابع انتقالي يكنواخت، و محاسبه ريشه مشتق دوم منحنيهاي حاصله مي تواند نقطه انحناي تغييرات شاخص ويسكوزيته را تعيين نماید. اين نقطه عطف منحني به كمك “غلظت لختگي بحراني“ هر سري از قليائيها، به نحو مناسبي تعيين مي گردد . نتايج آشكارا نشان میدهند كه فلزات قليائي تك ظرفيتي در غلظتهايي بالاتر از سطح آستانه انها، اثر لخته كنندگي شديدي بر روي كائولن دارند. هر يك از كلرايدهاي قليائي داراي يك آستانه غلظت هستند كه در آن ويسكوزيته دوغابه كائولن به موازات افزايش غلظت به شدت و سريعا افزايش مي يابد .وضعيت نهايي دوغابه هاي لخته شده اختلافات ظريفي را براي هر كاتيون فلزي نشان میدهند. هرچند كه كميت “غلظت لختگي بحراني”كاتيون فلزي ، درجايي كه ويسكوزيته به سرعت تغيير مينمايد براي كليه كاتيونهاي فلزي قليائي تا حد قابل توجهي يكسان است. در این مطالعه هرسوسپانسيون حاوي 18.4 ميلي مول [Na^+] حاصل از سديم پولي اكريلات اسيدي (NaPAA) ميبود كه به عنوان روانساز مورد استفاده قرار گرفت. دوغابه ها هنگامي به “ غلظت لختگي بحراني “ خود رسيدند كه حدودا 7 ميلي مول كاتيون [M^+] اضافي به سيستم وارد گرديد ، كه ماحصل آن افزايش غلظت تركيب قليائيها به 25 ميلي مول می باشد.اختلاف جزئي و ظريفي بين مقادير غلظتهاي لختگي بحراني تعيين شده وجود دارد. تفاوتهاي مورد اشاره دلالت بر آن دارند كه “غلظت لختگي بحراني” با افزايش عدد اتمي يا شعاع يوني تا حدي كاهش مي يابند. تحقيقات نشان داده اند كه اثر كاتيونهاي منيزيم و كلسيم در سيستمهاي مشابه تقريبا افزايشي بوده و هر يك اثر ديگري را تشديد مي نمايند. افزودن كاتيونها همواره با ورود آنيونهاي متوازن كننده بار همراه مي گردد .هر فلز قليائي يك تك بار مثبت را نگاه مي دارد . هر كاتيون فلزي هيدراته نيز تقريبا حجم مشابهي را در فضاي حلال اشغال نموده و بواسطه نيروهاي الكترواستاتيك دسترسي مشابهي به سطح رسيها به دست ميآورد .لختگي دوغابه هاي كائولن ديسپرس شده به كمك خنثي سازي (حداقل جزئي) بارهاي منفي سطوح پايه سيليكاي رس حاصل مي شود ، بارهاي منفي كه موجب اعمال دافعه بين ذرات و جدانگاهداشتن آنها از يكديگر مي گردند. رفتار كائولن نسبت به نمكهاي يوني و روانسازهاي پولي آنيونيك را بر اساس ساختار و شيمي مولكولي آن تحليل مي نمايند .ذرات سيليكاي كلوئيدي بواسطه ساختار اسيدي سطح سيليكا، در نزديكي PH خنثي، بار منفي به دست مي آورند . اكسيدهاي پل بسته واقع بر روي سطح، با آب وارد واكنش شده و گروههاي سيلانول اسيدي ايجاد مي نمايند. تعادل پايه اسيدي گروههاي سيلانول موجب اعمال بار منفي بر روي ذرات سيليكاته و پروتونهاي آزاد مي گردد. سطح آلوميناي ذرات كائولن بالعكس مي بايست در سوسپانسيونهاي مائي پروتونها را جذب و در نزديكي PH خنثي بار مثبت پيدا نمايد. سطح منفي سيليكا ، سطح مثبت آلومينا و نيز لبه هاي سطوح رسي تعيين كننده شمار متعددي از صفات مشخصه مشاهده شده كائولن هستند .در ابتدا ، و در نزديكي PH خنثي سوسپانسيون كائولن مي بايست بواسطه بارهاي مخالف واقع بر روي سطوح روبرو در يك ذره رسي، فلوكوله گردد. افزودن عوامل شيميائي كنشگر سطحي به منظور ديسپرس كردن كائولن در آب ضروري است. در واقع ساختار كتابچه أي توده هاي انباشته كائولن به معني بارهاي متناوب بر روي سطوح لايه أي مخالف مي باشد. اين ملاحظه به تنهايي دلالت بر آن دارد كه، بار سطوح پايه أي كائولن به مراتب مهمتر از آثار لبه ها در تعيين مينرالوژي كائولن مي باشد. به منظور شكست و جدايش سطوح ساختار كتابچه أي كائولن نياز به اعمال انرژي مكانيكي، و جهت تداوم جدايش اين سطوح از يكديگر نياز به موديفيكاسيون سطحي ذرات مي باشد. بعلاوه اگر نتوان باري بر روي سطوح ورقه أي كائولن ايجاد نمود، انتظار ديسپرس شدن ذرات را نيز نمي توان داشت. اگر بارهاي مهم كائولن عمدتا مربوط به بي قاعدگيهاي لبه باشند، بايد انتظار اين را داشت كه سطوح پايه أي با يك سد انرژي كم برخورد نموده، نيروهاي واندروالس اين سطوح غير باردار را جذب، و ذرات فلوكوله و لخته شوند. اگر هر دو سطح داراي بار منفي يكسان باشند نمي توان انتظار ساختار كتابچه اي توده هاي انباشته ذرات كائولن در طبيعت را داشت. با توجه به اينكه سطوح پايه أي به طور مخالف باردار شده و لبه ها نيز از بار مثبت برخوردارند، مي توان منطق مكانيسم واكنش عوامل روانساز را با كائولن دريافت. روانسازهاي معمول و تجاري شامل نمك سديم سيليكاتها ، فسفاتها و پلي اكريلاتها مي باشند.عملا مشاهده شده است كه دوغابه كائولني كه با مساعدت اين تركيبات روانسازي شده به يك بار منفي رسيده است. اين روانسازهاي پولي آنيونيك سطوح پايه أي سيليكا را كه بار منفي دارند دفع نموده ولذا واكنش آنها با اين سطوح نامحتمل است. اما در عوض واكنش شديدي با سايت هاي مثبت بر روي سطح پايه آلومينا و يا لبه ها دارند. وقتي يك پولي آنيون بر روي بار سطح آلومينا جذب مي شود، حاصل خنثي شدن بار نيست. احتمال دارد كه يك پولي آنيون داراي بار منفي q تنها در تعداد n سايت با سطح اتصال برقرار نمايد كه در آن n << q است. اين اثر موجب مي گردد كه ذرات كائولن بار منفي اضافي را با شدت ( q – n ) جذب نمايند . حاصل آنكه با روانسازي مكفي ، تمامي سطوح ذرات كائولن يك پتانسيل بار منفي به دست آورده كه نهايتا به روانسازي دوغابه حاوي آنها منجر مي گردد .
تهیه کننده : امید هلاکوئی
