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海泡石的物理属性及发色原理探究

  • 2015-11-20 14:54:44
  • 作者:独孤求败|
  • 来源: 本站原创 |
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自进了2支海泡石烟斗后,开始对海泡石的各种问题纠结不断,粉斗和石斗的风波未平,又开始对海泡石的发色钻起了牛角尖。翻阅了论坛上有关海泡石发色的探讨和技巧帖子,同时又查阅了网上与海泡石材料相关的文章,现把自己对海泡石微观结构与烟斗吸水发色关系的摘录以及粗浅理解贴上来,供斗友参考谈论:

1)石斗发色各不相同:与海泡石晶体结构及其它矿物含量有关
2)在斗柄首先发色:水气含量、石斗温度和有关
3)斗钵外壁发色:除了与2相关的因素外,还与海泡石脱色分散性能以及上蜂蜡温度有关

一,首先说物理化学性能
从网络上摘录了海泡石部分物理化学性能的描述归纳如下:
1)外观:颜色多变,有白色、浅黄、浅灰、黑绿,条呈白色,不透明,触感光滑且粘舌
2)硬度:莫氏硬度在2~2.5之间
3)耐高温:在350度的高温下,结构不发生变化,耐高温性能达1500-1700度
4)吸咐性:吸收大于自身重量150%的水
5)体质轻,密度为1~2.2g/cm3
6)收缩率低,可塑性好,能溶于盐酸
7)海泡石具有极强的吸附、脱色和分散等性能
8)造型性、绝缘性、抗盐度都非常好

二,石斗发色各不相同
海泡石属斜方晶系或单斜晶系,属层链状结构的含水富镁硅酸盐矿物。在链状结构中也含有层状结构类型的小单元,属2∶1型。它们所不同的是这种单元层与单元层之间的孔道不同。海泡石的单元层孔洞可加宽到3.8×9.8Å[8],最大者可以5.6×11.0Å[6],即可容纳更多的水分子(即沸石水)。
同时,又因它的三维立体键结构和Si-O-Si键把细链拉在一起,使其具沿一向延长的特殊晶形,故颗粒呈棒状。结构中所构成的开式沟枢与晶体长轴平行,这种沟枢对极性分子的吸附性能极强。



在海泡石的巨大纳米孔中主要存在8个沸石水和4个结构水,而4个羟基水(OH)存在于三八面体结构中。从这三种水的在晶体结构中的位置就可以判断出,羟基水是最难排除的,实际热分析结果也是如此[ 3][14]。最易排除的是沸石水,而结构水一般分两步排除,排除温度一般在200-350℃和350-500℃

天然海泡石,根据其成矿形态特征,可分为热液型海泡石和沉积型海泡石两种。热液型海泡石,纤维状结构发育比较完整,粗大,含量高,宏观层状结构明显;常呈石棉状,规模较小。在图中,可以看到比较纯的发育较好的海泡石纤维结构,比较规则地排列,在低分辨率下,呈粗大地束状集中:



而沉积型海泡石矿纤维状结构细小,呈毛发状、针状,宏观上矿物呈层状和块状。海泡石常呈土状,规模较大,灰色或灰白色。比重轻,干粉末可漂浮于水面,以舌舔之具有强的吸着感,投入水中吸水甚速,并呈浆糊状,粘性极强。海泡石粘土在偏光显微镜下 呈浪状结构。在图中,可以看到明显的毛发状海泡石纤维结构,纤维细小,并与其他矿物粘合在一起,这是典型的粘土海泡石矿物:



根据上面的描述,可以判断用于烟斗的海泡石是沉积型海泡石,即纤维结构发育不完全,且与其它矿物结合在一起,所以我推测,如果石斗纤维含量高且分布均匀的海泡石应该吸水性好、石质细腻,而且发色可能会更均匀;反之,含其它矿物多的石斗可能材质较粗糙且发色不易均匀;另外,如果杂志中含有海洋生物矿石较多的石斗,产生腥味的可能较大。

三,在斗柄首先发色
大家知道石斗发色的本质就是烟草燃烧产生的有色微粒,被带入石斗并在石斗中传递导致,那么影响这一物理化学变化的主要因素是什么?这些因素是怎样产生作用?哪些是关键因素?

我们先看温度这个因素,烟草燃烧除产生烟气微粒外还带来温度的上升,在网上搜索了一下,有关烟草温度描述如下:卷烟830度-900度左右、纯手工卷制雪茄烟700度-780度左右、半叶卷雪茄烟750度-830度左右、机卷雪茄烟800度-880度左右。所以猜测斗内烟草燃烧时的温度范围可能是750度-900度,那么在这种温度下,海泡石的物理化学性能将产生怎样的变化?下面的一组试验数据非常有趣,通过这些数据我们基本可以对海泡石在不同温度和湿度条件下的吸水、失水性能有一个大概的了解。

在工业加工海泡石过程中有一个活化加工过程,海泡石的活化大致上可以分为两大类,
一类是反应生成方法(化学方法),一种是机械处理方法(物理方法)。化学方法可使其内部结晶组织和化学成分发生变化;物理方法能改变其几何形状、孔隙率和比表面积。这里我们主要谈物理方法中的热活化,我猜测这和抽斗时或上蜂蜡时对海泡石的加热效果类似,先看下图:



海泡石纤维的活化温度跟比表面积、孔容和孔径的关系如图3所示。实验结果表明活化在100℃以内,孔径基本无变化,而比表面积和孔容增加,此时水分子从孔里或空隙间逸出,使得堵塞孔开放,则孔分布增加,比表面积和孔容增大。100~150℃比表面积和孔容继续增大,而孔径略有下降,导致此原因是由于纤维孔及空间隙中大量水分子产生热运动,拥挤到径口使得径口显得狭小。活化温度超过150℃后,孔内和孔间隙里水分子开始减少,出口水分子浓度降低,孔径增大。当200℃时沸石水和孔间水基本全部失去,此时比表面积和孔容最大,吸附性最强。200~250℃比表面积基本相等,吸附性也基本相等,孔容和孔径下降。250℃以后孔径继续增大,而比表面积和孔容都减小,即吸附性下降。由此可以看出海泡石的孔径过大或过小(以致于闭合),不能使比表面积最大,导致吸附性变弱,要想达到最大吸附性(即最大比表面积)活化温度必须控制在200~250℃之间为宜。

我不知道石斗在点燃烟草时径向的温度分布,原则上内壁温度最高外壁最低,且刚开始燃烧烟草时温度会由内向外变化。从图中可以推测由于石斗的温度分布不同,同一石斗沿径向的孔隙大小变化会不同,处于200-250度位置的海泡石孔隙最大,烟尘微粒会随水份一起被传递到孔隙最大出,我猜测这也是为什么斗柄首先发色的原因,因为此处的水汽含量最大且温度也较高。斗钵虽然温度也高,但是由于水汽少,被带入的烟尘微粒也较少。看来除温度外,水汽是第二个主要因素。

下面的两个试验把水汽在海泡石中的传递过程描绘得很清楚,先看吸水试验:


如图4所示。从图可以看出,200℃时吸湿量最大,200~250℃间的吸湿实验值基本相近。而活化温度越高的纤维吸湿最大点向高湿度方向移动,说明吸湿量越大。孔径越大,比表面积越小,吸湿性也越小。而活化温度在200~250℃之间,湿度增大,吸湿量也增大。这个结果与上面的最佳活化温度非常吻合。

再看失水试验:



如图5所示。从图可以看出200℃时放湿量最大,200~250℃间的放湿实验值也基本相近。活化温度越高的纤维放湿最大点随着湿度减小而增大,说明放湿量越大,孔径越大,比表面积越小,放湿性越小。而活化温度在200~250℃之间,随湿度减小,放湿量将增大。这一结果也与最佳活化温度非常吻合。

总之,海泡石纤维经200~250℃活化处理后,纤维孔分布最多,比表面积最大,本身达到最大吸湿量和放湿量。吸湿量和放湿量还与外界湿度有关系,高湿度进行吸湿,低湿度进行放湿,这是由于水分子的浓度而决定的。当外界水分子浓度改变,海泡石纤维内部水分子也随着相应变化,这样海泡石纤维随着周围环境湿度的改变而发生变化。这也是为什么有斗友说过,烟尘微粒会由内输送到外,因此我猜测海泡石斗的径向颜色分布应该是递增而不是递减。

四,斗钵外壁发色
明白了海泡石的热活化导致的物理化学变化,也就不难理解斗钵外壁为什么发色会比斗柄慢。另外,还有两个因素会对外壁发色产生影响:一是,海泡石的吸附脱色性能也会让外壁因吸收烟尘微粒、空气中杂质、手汗等发生颜色变化;二是,因上蜡以及上蜡产生的高温导致外壁吸收微粒而变色,且吹风产生的温度会影响微粒在斗壁中的流动和传递。

总归上述,我猜测让海泡石斗变色的关键因素是:温度、水汽、烟尘和蜂蜡。

如果用于实践应用我们是否可以假设:
1)增加烟草湿度可以加快发色?
2)增加斗钵湿度可以加快发色?
3)在潮湿气候抽斗可以加快发色?
4)抽斗时冷却斗柄可以让发色均匀?
5)烟雾闷罐加色时,是否可以提高罐内湿度?
6)上蜡时选择颜色深的蜂蜡?
7)其它有色无害的微粒通过加热或添加入蜂蜡?

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