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

ABSTRACT

Mainly 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：Al

2O

3

·2SiO

2

·2H

2

O，其晶体结构式是：Al

4

（Si

4

O

10

）（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（SiO

4）和一层铝氧八面体[AlO

2

(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Al

2O

3

·4SiO

2

·nH

2

O(n通常大于2)。它的晶体结构式是Al

4

（Si

8

O

20

）

（OH）

4·nH

2

O.

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20～30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[AlO

2(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[AlO

2(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。