علم سرامیک

واکنشهاي گرمائي کائولينيت و

محاسبة پرت حرارتي آن

دگرگونيهاي ساختاري کائولينيت

رس هاي از نوع کائولن مجموعه اي از دگرگوني هاي فازي را در هنگام عمليات حرارتي در هوا و در فشار اتمسفريک از خود نشان مي دهند.

دِهيدروکسيلاسيون گرماگير (Endothermic dehydroxylation) يا به بيان ديگر آب زدائي (dehydration) در گسترة دمائي ۶۰۰-۵۵۰ درجه سلسيوس آغاز مي شود تا متاکائولن نامنظم (Al₂Si₂O₇) را به وجود آورد. مشاهده شده است که از دست رفتنِ هيدروکسيل (-OH) تا دماي ۹۰۰˚C ادامه مي يابد و به اُگزولاسيون (oxolation) تدريجي متاکائولن نسبت داده مي شود (منبع شمارة 1 را ببينيد). به دليل عدم توافق تاريخي که در مورد طبيعتِ فاز متاکائولن وجود دارد، بررسي وسيع منجر به اين توافق عمومي شده است که متاکائولن آميختة ساده اي از سيليس بي ريخت (SiO₂ آمورف) و آلومينا (Al₂O₃) نيست؛ بلکه يک ساختار بي شکل پيچيده است که در نتيجة انباشتن لايه هاي شش گوش (هگزاگونال) خود، يک نظم با دامنة کمي بلندتر را برقرار مي دارد (منبع شمارة 1 را ببينيد).

2 Al₂Si₂O₅(OH)₄ → 2 Al₂Si₂O₇ + 4 H₂O

گرم کردن بـيـشتر تا ˚C ۹۵۰-۹۲۵متـاکـائولن را به يک اسپـينل آلـومينيوم-سيليسيوم ناقص (Si₃Al₄O₁₂) تبديل مي کند که گاهي اوقات نيز به عنوان يک ساختار نوع آلوميناي گاما به آن اشاره مي شود.

2 Al₂Si₂O₇ → Si₃Al₄O₁₂ + SiO₂

بر اثر تکليس (کلسيناسيون) تا حدود ˚C ۱۰۵۰ فاز اسپينل (Si₃Al₄O₁₂) جوانه مي زند و مطابق واکنش زير به مولايت (mullite, 3Al₂O₃·2SiO₂) و کريستوباليت بسيار بلوري (SiO₂) استحاله مي يابد:

3 Si₃Al₄O₁₂ → 2 Si₂Al₆O₁₃ + 5 SiO₂

پرت حرارتي کائولينيت خالص چه قدر است؟

ساختار کائولينيت را مي توان به صورت Al₂Si₂O₅(OH)₄ يا Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O با جرم مولي ۱۴/۲۱۰ gr/mol نشان داد. بر اثر گرما دادن تا ˚C ۶۰۰ آب شيميائي (پيوندي و نه آب فيزيکي يا آزاد که به آساني بر اثر تبخير خارج مي شود و در فرمول شيميائي در نظر گرفته نمي شود) به صورت دو مولکول آب (با جرمي حدود gr ۳۶) خارج مي شود و متاکائولن نامنظم تشکيل مي گردد. چون کائولينيت ترکيب ديگري در ساختار خود ندارد تا با از دست دادنِ آن کاهش وزن پيدا کند، پس پرت حرارتي (Loss of ignition, L.O.I.) کائولينيت خالص برابر خواهد بود با:

13/17 = 100 × (14/210 / (14/174 – 14/210) = L.O.I. _{Pure Kaolinite}

بنابراين، هر چه پرت حرارتيِ يک مادة معدني رسي بالاتر باشد و تا دماي حدود ˚C ۱۲۵۰پديدة انبساط (به جاي انقباض در اثر پخت) رخ دهد، محتواي کائولينيت آن مادة اوليه بالاتر است؛ به شرطي که کربناتها و سولفاتها در آن حضور نداشته باشند.

منابع:

1) Kaolinite

۲) Mullite

۳) Clay structures