材料化学功能及检测——授课课件

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各测试粒度方法异同点
• 由于各种粒度测定方法的物理基础不同,同一样品用不同的测定方法得到的 粒度的物理意义甚至粒度大小也不相同。
筛分方法——筛分径(以筛孔尺寸表示) 显微镜、计数法、激光粒度分析仪——统计径 沉降法——等效径(即等于具有相同沉降的球体的直径) 透过法和吸附法——比表面直径 • 各种方法测定中所得参数不同: 能测粒度分布的方法有:显微镜、计数器、激光粒度分析仪等 只能测定平均粒径的有:透过法、吸附法
1-100 0.1-150
0.1-1000
粒度分布 粒度分布
激光 光衍射 激光粒度仪

光子相干 光子相干粒度仪
1-176
粒度分布 粒度分布
小孔通过法
库尔特粒度仪
0.3-200 粒度分布、个数计量
流体透过法
气体透过粒度仪
0.01-100 表面积、平均粒度
Hale Waihona Puke Baidu吸附法
BET吸附仪
0.003-3 表面积、平均粒度
(2)膨胀容 膨胀容是指1克试样浸于一定水中发生膨
胀后的容积。即粉状无机非金属材料因晶层吸 水而使体积膨胀。单位为毫升/克样。一般来 说,膨胀容越大越好。
(3)悬浮性能及检测 悬浮性:粉状无机非金属材料微粒均匀分散,
悬浮于水中而不易沉淀的性质。工业上称为泥浆稳 定性。
机理:水分散体系中的固相颗粒非常细小,而 颗粒表面常常吸附带同号电荷的离子,固而相互排 斥,不发生凝聚。
• 频率分布 表示各个粒径相对应的颗粒的百分含量(微分型)。
• 累积分布 表示小于(或大于)某粒径的颗粒占全部颗粒的百分 数与该颗粒的关系。
百分含量的基准可以是颗粒个数、体积、质量 (或长度、面积)
(3) 粉体粒度的测定
本世纪以来,已经发展了多种粒度测量方法,这些 方法在实践中不断得到改进和完善。
材料化学功能及检测
化学功能是材料与外界的物质交换或能量交换而形成的有用效应。 其有如下表现形式:
a. 特种陶瓷多具有特异功能:对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电 信号进行检测的仪器 );
b. 相当于以化学反应结果向外部输电的化学电池和双层电容器; c. 从外部供给电或光等能量,利用化学变化使物质迁移的化学泵; d. 使材料着色的电致变色效应; e. 使化学反应顺利进行的催化剂和催化剂载体; f. 固定化酶:通过吸附、键合、交联或包埋等方式将游离酶固定于某介 质上或其中,以提高酶分子的利用率、稳定性和机械性。。 g. 使物质实现分离的过滤器等。如利用吸附性和离子交换性可将沸石、
(4) 显微镜检测法
优点:可以直接观察颗粒的形貌,可以准确地得到球型度、长径比等特 殊数据。
缺点:代表性差,操作复杂,速度慢,不宜分析粒度范围宽的样品。
2. 吸蓝量的测定 吸蓝量是指细分散状无机非金属矿物材料分散于溶液中,具有吸附
次甲基蓝的能力,其吸附量称为吸蓝量。以100克试样吸附次甲基蓝的摩 尔数或克数表示。
3.影响材料吸附性能的因素:
(1) 结构单元层边缘断键的影响; (2) 比表面积大小的影响: 如:蒙脱石的比表面积为50-840 m2/g
高岭土的比表面积为10-20 m2/g 伊利石的比表面积为65-180 m2/g 粘土矿物的层状构造和粘土的微粒特征都决定了粘土有发育 的过渡孔和微孔结构,具较大的表面。 离子交换作用和人工酸处理可以增大粘土比表面,增强吸附 性能。
化学吸附
机理 分子相互作用 力引起的凝聚 现象
由剩余价力引 起的吸附,吸 附分子接近吸 附剂表面时, 相互作用的成 分间发生电子 重新分配而形 成化学键
特点
1、吸附没有选择性,且可达几个分子的 厚度而形成多的分子层;
2、分子间力较弱,吸附势较小,通常为 几千卡/克分子。也较易脱附;
3、吸附速度一般较大,易于达到平衡;
粒度测量的分类方法
方法分类
测量装置
测量范围 (μm )
测量结果
直接观察法
放大投影仪、图象分析 仪(与光学、电子显微 镜相联)
1-100 粒度分布、形态参数
0.001-10
筛分法
电磁振动式、 音波振动式
38-1000 粒度分布的直方图
5-56
沉降 法
重力 离心力
比重计、比重天平、 沉降天平、光透过式 光透过式、X射线透过式
4、物理吸附表现为吉布斯自由能的减少, 是一种自发放热过程。
1、被吸附分子不能沿吸附剂表面移动, 属“定点吸附”(定点吸附是指吸附剂表 面每个活性中心只吸附一个分子)。 化学 吸附是选择性吸附,在吸附剂与吸附质间 可以形成单分子层吸附;
2、化学吸附的吸附势往往很大,一般为 10-100千克/克分子。
根据吸附剂所含孔隙的大小,可把吸附剂分为三种极限结构 类型:
大孔吸附剂 (>200nm) 过渡孔吸附剂(1.5~200nm) 微孔吸附剂 (0.5 ~1.5nm) 很多天然粘土都属于过渡孔吸附剂,沸石属微孔吸附剂。但 是,许多工业吸附剂的孔隙大小差异很大,多属于混合类型吸附 剂。
2.吸附机理
类型 物理吸附
大孔(>200nm):比表面积小,在0.5-2 m2/g之间,其表面吸附 可忽略不计。大孔是通向吸附剂颗粒内部的粗通道。
(二) 吸附性能的工艺指标及检测 材料吸附性能工艺指标有: 粒度(细度) 吸附量 比表面积和孔结构 吸蓝量 胶质价、膨润值
1. 粒度研究与检测 材料颗粒的粒度和形状能显著影响粉末及其产品的性质和
其吸附原理:置换反应。膨润土吸附次甲基蓝的机制
被吸附的次甲基蓝阳离子[C16H18N3S]+,绝大部分被束缚在材料的晶层间。 (从溶液中测得的Cl-没有减少,说明次甲基蓝的Cl-未进入材料的晶层 间。)
测定吸蓝量的方法:滴定法。
二、分散性能及检测
粉体材料在水介质中易于呈现胶体状态,表现出明显的水化特性和 优良的造浆性能,这些性能主要应用于钻井泥浆、涂料等领域。
(2) 沉降法 优点:原理直观,分辨率较高,价格及运行成低。 缺点:测量速度慢,不能处理不同密度的混合物。结果受环境因素(比如温 度)和人为因素影响较大。
(3) 筛分法
优点:成本低,使用容易。
缺点:对小于400目(38u)的干粉很难测量。测量时间越长,得 到的结果就越小,这是为颗粒不断调整它们自己来通过筛孔,所以要得 到一致的结果,必须使测量次数及操作方法标准化。不能测量射流或乳 浊液;在测量针状样品时这会得到一些奇怪的结果,比如加工前和加工 后的筛余量差不多。
高水化状态时,d0=1.84-2.14nm 吸附有机物质时,d0=4.8nm 对水化性能的检测指标有:胶质价、膨润值和膨胀容。
(1)胶质价 粉状无机非金属材料与水按比例搅混后,
加入一定量的氧化镁,静置24小时后形成凝胶 质的体积,成为胶质价。单位为ml/15克。胶 质价显示试样颗粒分散和水化的程度,是粉状 无机非金属材料分散性、亲水性和膨胀性的综 合表现。
JC322-82“瓷土悬浮性能测定方法” 。 将试样加水研磨成均匀糊状,并使之分散于一 定体积水中,经一定时间(一般为20分钟)后,观 察由于泥浆沉淀出现液面的体积大小,即为悬浮性 能的大小。
硅藻土、膨润土、膨胀珍珠岩、硅酸钙、二氧化硅、氧化铝等制成助 滤剂、净化剂、脱色剂等; h. 传感器:用TiO2-V2O5、磷灰石、MgCr2O4 、MgFe2O4制成湿度传感 器、气体传感器等。
材料的化学功能具体有:
吸附性能 离子交换性能 催化性能 反应性能
一、吸附性能 (一) 基本概念: 1. 吸附性能 物质在材料表面或微孔容积内积聚的现象。吸附与固体内、外表面 分子(原子)处于受力不平衡状态有关,从而有吸引它种微粒(离子或 分子)达到平衡的天然性质。 吸附过程:固体物质 吸附剂,气相和液相内的被吸附物质称为吸 附质。吸附性能已广泛用于从气体或液体介质中脱除杂质。 吸附过滤材料:能对气体、液体、固体等通过物理、化学或物理化学方 法进行有效吸附和过滤,从而达到介质间分离、提纯、净化目的材料。
各种粒度测试方法的优缺点
(1) 激光法 优点:测试范围宽(最好的激光粒度仪的测量范围是0.04-2000um,一般的 也能达到0.1-300um),测试速度快(1-3分钟/次),自动化程度高,操作简 便,重复性和真实性好,可以测试干粉样品,可以测量混合粉、乳浊液和雾 滴等。 缺点:不宜测量粒度分布很窄的样品,分辨率相对较低。
细分散状无机非金属矿物材料都含有多种形式的水。如:
蒙脱石含有三种水,即:粘土粒或晶面的自由水、晶层间的吸附水、 进入结构的结构水。其中,晶层间的吸附水状况及数量对粘土的水化性 能及有关理化性能有明显影响。如蒙脱石吸水(或有机物质)发生膨胀 使晶层间距增大:
当含 2H20时,d0=1.24nm 4H20时,d0=1.54nm
不仅可以测定粒度分布、平均粒径、 比表面积,还可绘制直方图和累 积粒度特性曲线,如激光粒度分析仪
• 各种粒度测定方法中,有的较简单、费用较低,但测定时间较长、精度较低; 而有的测定时间短、精度较高,但费用也较高,而且仪器结构复杂。
• 在选择测定方法时,需要综合考虑物粒的粒度分布范围,物料的数量性质、 测定的目的、要求的精度以及投资费用和测定成本等。
用途,对粒度和形状的测量日益受到人们的重视。
序号
产品种类
对性质要求
对颗粒形状要求
1 涂料、墨水、化妆品 固着力强、反光效果好 片状颗粒
2 橡胶填料
增强性和耐磨性
非长形颗粒
3 塑料填料
高冲击强度
长形颗粒
4 炸药引暴物
稳定性
光滑球形颗粒
5 洗涤剂和食品工业 流动性
球形颗粒
6 磨料
研磨性
多角形
粒度特性的表示法有: 单个颗粒的粒径表示方法 粒群的平均直径 粒度分布
(3)孔隙结构 材料的吸附性能的好坏,主要取决于材料所具有不同大小孔隙的
内部结构。其空隙大小分为:
微孔(0.5-1.5nm):指与吸附分子相近的孔隙。工业吸附剂微孔 总容积一般不超过0.5cm3/g。微孔的吸附空间被吸附分子所充填。因 此,孔容与孔径是重要参数。
过渡孔(1.5-200nm):孔壁包含了吸附剂物质的大量原子或分 子。过渡孔吸附作用不是表现在整个孔隙容积上,实际上只发生在离 孔壁很近的一段距离上,在孔隙表面发生(蒸气的)单分子层和多分子 层吸附。即按毛细凝聚机理发生过渡孔的充填,形成连续分子层。过渡 孔的主要参数为比表面、孔容以及孔容孔隙大小的分布函数。过渡孔 比表面积一般为10-400m2/g。过渡孔也是吸附质进入微孔的主要通道。
(1)颗粒的粒径
颗粒的粒径的表示方法
颗粒的大 小用其在空间 中所占据的线 性尺寸表示。
将一颗粒 放于每边与其 相切的长方体 中。L、b、h 称为三轴径。
(2) 粒径分布
实际粉体大都是由粒度不等的颗粒组成的多粒度 系统。一般用表格、图形和函数来表示颗粒群的分布 状态。
粒度分布是指连续的、不同粒级(以μm、mm或 筛孔网目表示)范围内,各粒级颗粒所占的重量百分 比。
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