4712_prednaska9

Report
Přednáška 8
Nanomateriály na bázi jílů

Jílové minerály a jejich nanostruktura

Nanokompozity založené na jílových minerálech –
základní dělení

Přírodní materiály

Některé rozměry v nanoměřítku

Zpracování přírodních NM
◦ Primárně pro komerční účely
◦ Plniva pro polymery, plasty, kompozity
◦ Nanočástice pro kosmetiku

Nejčastější přírodní materiál – minerály v
půdách
◦
◦
◦
◦
◦

Živce (60 %)
Pyroxen a amfibol (17 %)
Křemen (12 %)
Slída (4 %)
Tzv. primární minerály
Minerální podíl pevné fáze půdy
◦
◦
◦
◦
Polydisperzní systém
Disperze (nad 1 mikron)
Koloidní disperze (1 µm – 1 nm)
Molekulární disperze (pod 1 nm)


Druhotné minerály
Vznik zvětráváním primárních minerálů
◦ Ve svrchní vrstvě půdy
◦ Změna chemického a mineralogického složení

Podstatná složka sedimentů a půd
◦ Jíly, jílovce, jílové břidlice
◦ Jíl
 Materiál s obsahem jílových minerálů
 Materiál s částicemi < 2 µm
◦ Časté směsi dvou a více jílových minerálů

Minerál
◦ Anorganická přírodnina
◦ Specifické chemické složení
◦ Charakteristická atomární stavba
 Nejčastěji krystalická
◦ Jako nerost
 Prvek nebo sloučenina, která je za normálních
podmínek krystalická a vznikla jako produkt
geologických procesů

Jílový minerál
◦ Součást jílů
◦ Dávají jílům charakteristické technologické
vlastnosti
 Plasticita
 Sorpční vlastnosti
◦
◦
◦
◦
◦
Silikáty s vrstevnatou strukturou
Oxidy a hydroxidy železa, hliníku, manganu
Oxid křemičitý
Uhličitany
Zeolity
Jílové minerály


Extrémně jemnozrné fylosilikáty
(aluminosilikáty s vrstevnatou strukturou)
Částice pod 2 µm
Vlastnosti

Schopnost sorpce a iontové výměny
◦ Přerušené nenasycené vazby na povrchu (hrany
částic) – Adsorpce
◦ Elektrostaticky – vnitřní povrch částic – mezivrstevní
postory (absorpce)
◦ Smektitové a vermikulitové struktury
Vlastnosti

Schopnost vázat vodu
◦ Volná voda
◦ Hydratační obaly vyměnitelných kationtů
◦ Bobtnání

Chování při zahřívání
◦
◦
◦
◦
Dehydratace
Dehydroxylace
Destrukce struktury (500 – 800°C)
Novotvořené fáze (nad 900°C)
Vlastnosti

Reakce s organickými látkami
◦ Smektity, vermikulity
◦ Organo-jílové komplexy
◦ Čištění a odbarvování olejů, krakování uhlovodíků
Využití jílových minerálů




Průmysl – keramický, stavební, slévárenství,
papírenský, farmaceutický, kosmetický,
potravinářství
Využití – molekulová síta, sorbenty, filtry,
katalyzátory, plniva, suspenze, izolace
Unikátní vlastnosti
Hojný výskyt => nízká cena
Silikáty – struktura

Křemičitany
◦ Si, Al, O, H
◦ Ca, Mg, Fe, K, Zn ad.
◦ Tetraedry
Silikáty – dělení

Podle struktury
◦
◦
◦
◦
◦
◦
Nesosilikáty
Sorosilikáty
Cyklosilikáty
Inosilikáty
Fylosilikáty
Tektosilikáty



Phillos – list
Vrstevnatá struktura
Sítě
◦ Tetraedrické
◦ Oktaedrické

Tetraedrická síť
◦ Centrální atom - Si
◦ Izomorfní substituce
 Al, Mg, Fe
◦ Sdílení vrcholů
◦ Apikální atom O
◦ [Si2O5]2-

Oktaedrická síť
◦ Sdílení vrcholů a poloviny hran
◦ Centrální pozice obsazovány
 Stejnými kationty
 Různými kationty
 Volné
◦ Dělení do skupin
 Trioktaedrické – všechny pozice obsazené
 Dioktaedrické – 1 vakance
 Monooktaedrické – 2 vakance
◦ Anionty
 O, OH, F, Cl
Struktura

2 základní jednotky
◦ Vrstvy
 Tvořené sítěmi
 Různé kombinace
 Spojení sítí
 2 tetraedrické
 Tetraedrická a oktaedrická
◦ Mezivrství

2 základní typy vrstev
◦ 1:1 – tetraedrická + oktaedrická
◦ 2:1 – tetraedrická + oktaedrická + tetraedrická
◦ Spojení pomocí apikálních kyslíků tetraedrické
vrstvy náhradou 2 ze 3 OH- skupin oktaedrické sítě
◦ Zvláštní postavení – chlority – 2:1:1

Identifikace podle strukturních a
krystalochemických vlastností
◦
◦
◦
◦

Typ vrstev
Obsah mezivrství
Náboj vrstvy
Chemické složení
Mezivrstevní prostor
◦ Kationty kovů
◦ Voda

Vrstevný náboj (permanentní)
◦ Izomorfní substituce
◦ Elektroneutralita
 Trioktaedrické – jen Mg2+
 Dioktaedrické – jen Al3+ nebo Fe3+
◦ Náhrada kationty s nižším nábojem

Variabilní náboj
◦ Poruchy ve vazbách na hranách krystalů
◦ Méně než 1% celkového náboje

Náboj kompenzuje mezivrství
Skupina
Typ
vrstev
Mezivrstevní
materiál (náboj)
Minerály
Serpentinu kaolinu
1:1
Bez materiálu, voda
(~0)
Kaolinit, dickit, halloysit,
amesit, serpentinit
Mastku - pyrofylitu
2:1
Bez materiálu (~0)
Mastek, pyrofylit,
Slíd
2:1
Nehydratované
jednomocné kationy
(~0,6 – 1)
Biotit, flogopit, muskovit, illit
Křehkých slíd
2:1
Nehydratované
jednomocné kationy
(~1,8 – 2)
anandit
Smektitů
2:1
Hydratované
vyměnitelné kationy
(~0,2 – 0,6)
Saponit, hektorit,
montmorillonit, beidelit
Vermikulitů
2:1
Hydratované
vyměnitelné kationy
(~0,6 – 0,9)
vermikulit
Chloritů
2:1
Hydroxidová síť
(variabilní)
Klinochlor, donbasit, cookeit






Bílý nebo světle zbarvený (nažloutlý, hnědý,
červený, modrý)
Dokonalá štěpnost
Zvětrávání nebo hydrotermální alterace živců
a dalších aluminosilikátů v kyselém prostředí
1:1
Jedna dioktaedrická a jedna tetraedrická síť
Typické krystaly
◦ 0,5 – 1 µm disky
◦ 100 nm tloušťka

Hydrofilní
Při styku s vodou částice agragují
Vrstvy drženy pohromadě vodíkovými
vazbami
Tloušťka vrstvy: 0,7 nm
Triklinická základní buňka

Kaolin




◦ Majoritní podíl kaolinitu
◦ Slídy, vermikulity, smektity

Samostatná ložiska (kaolin)
Běžná složka jílů, jílovců, hlín a půd

Ložiska:

◦ Karlovarsko
◦ Okolí Plzně

Průmyslové využití
◦ V závislosti na čistotě a vlastnostech
◦ Plavení
◦ Výroba porcelánu, šamotu a další keramiky; výroba
cementu; plnivo do papíru, plastů, pryží, barev, lepidel;
farmacie, kosmetika, chemický průmysl







Výskyt v menší míře
Jemné segmenty s vysokým leskem
Vysoká čistota, nízký obsah Fe a Ti
1:1
Vysoce neuspořádaný materiál
Mezivrství – voda – vodíkové můstky
Ležáky u Mostu

Halloysit nanotrubičky
◦ Podobné uhlíkatým nanotrubičkám
◦ Vznik i v přírodních podmínkách
◦ Extrakce a separace patentově chráněna




Smektity
2:1 fylosilikáty
Bílý, narůžovělý, nažloutlý, nazelenalý nebo nahnědlý
Výskyt
◦
◦
◦
◦

Jemnozrné agregáty
Kusový materiál
Zrnitý materiál
Drobivý materiál
Kusový MMT
◦ Bobtnání
◦ Matný lesk



Běžná složka jílovitých hornin a půd
Bentonit
Mezivrství
◦ Vyměnitelné
hydratované
kationy (Ca, Mg, Na, K)

Izomorfní substituce
◦ Téměř výhradně
oktaedrické pozice

Vznik
◦ Zvětráváním čedičových tufů a sopečných popelů a skel
◦ Zvětráváním serpentinů
◦ Hydrotermální přeměna hornin

Využití
◦
◦
◦
◦
◦
◦
◦
◦
Výplach vrtů
Těsnění vrtů
Keramický průmysl
Ropný, gumárenský průmysl
Kosmetický průmysl
Slévárenství
Čištění olejů, tuků, pitné vody, odpadních vod, plynů
Plnivo při výrobě barev, tužek, mazadel






Vermiculare – červík
Charakteristický tvar krystalů po zahřátí
Vzhledově podobný slídě
Šupinkové agregáty hnědobronzové barvy
Výrazný perleťový lesk
2:1 fylosilikát

Struktura
◦ Vrstvy 2:1
 Dioktaedrické i trioktaedrické formy
◦ Mezivrství





Hydratované kationy
Vrstvy vody – H-můtsky – snadná dehydratace
Mg2+, Ca2+ a Na+
Častá výměna za K+ nebo Ba2+
Přírodní nejčastěji Mg-vermikulit

Hlavní vlastnosti
◦ Schopnost kationtové výměny
 Anorganické kationy
 Organické kationy
◦ Termální expanze





Vzdalování šupinek (olupování)
Mnohonásobné zvětšení objemu
Lehké a silně porézní materiály
Průmyslově prudkým zahřátím na 800 – 1000°C
Široké využití

Využití vermikulitů
◦ Expandované








Zvukově izolační materiál
Tepelně izolační materiál
Protipožární izolace
Střešní krytiny
Omítky
Mazadlo
Protinámrazové materiály
Lehčené betony

Využití vermikulitů
◦ Expandované
 Nízká objemová hmotnost, silná porozita, bobtnavost –
sorbenty
 Zachovává velmi stabilní pH
 Plnivo






Linoleum
Plasty
Barvy
Papír
Asfalt
Gumárenské produkty

Využití vermikulitů
◦ Expandované






Výroba filtrů
Filtry do potravinářských produktů
Nosič chemikálií
Nosič katalyzátorů
Katalyzátory
Zachovává velmi stabilní pH
◦ Neexpandovaný
 Čištění vody (sorpce Pb, Zn, Cd)

Využití
◦ Zemědělství




Především expandovaný
Podestýlky hospodářských zvířat
Zlepšení sorpční vlastnosti půd
Nosič insekticidů

Interkalace
◦ Anorganickými látkami
◦ Organickými látkami

Pilarizace

Nosiče nanočástic
Pro dnešek vše 

similar documents