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。

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Si 4+被Al 3+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：K 2O ·3Al 2O 3·6SiO 2·2H 2O 。

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H 3O +
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K 2（Al ，Fe ，Mg ）4（Si ，Al ）3O 20（OH ）4·nH 2O 。

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K 2O 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究，进一步掌握各种粘土的应用性能。

随着我国科技水平的不断提高和科技人员的不断努力，我国对粘土矿物的应用也将取得突破性进展。

参考文献
[1]李家驹．日用陶瓷工艺学．北京：中国轻工业出版社，1999．
[2]陆佩文.无机材料科学基础．武汉：武汉理工大学出版社，1996.
[3]苏云卿．硅酸铝质耐火材料．北京：冶金工业出版社，1989．。