材料性能检测课件：3化学性能2（第一章）.ppt

1、 化学功能化学功能是材料与外界的物质交换或能量交换而形成的有用效应。是材料与外界的物质交换或能量交换而形成的有用效应。其有如下其有如下表现形式：表现形式： a. 特种陶瓷特种陶瓷多具有特异功能多具有特异功能：对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电 信号进行检测的仪器信号进行检测的仪器 ）；）； b. 相当于以化学反应结果向外部输电的相当于以化学反应结果向外部输电的化学电池化学电池和和双层电容器双层电容器； c. 从外部供给电或光等能量，利用化学变化使物质迁移的从外部供给电或光等能量，利用化学变化使物质迁移的化学泵化学泵； d. 使材料着色的使材料着色的电致变色

2、效应电致变色效应； e. 使化学反应顺利进行的使化学反应顺利进行的催化剂和催化剂载体催化剂和催化剂载体； f. 固定化酶固定化酶：通过吸附、键合、交联或包埋等方式将游离酶固定于某通过吸附、键合、交联或包埋等方式将游离酶固定于某介介 质上或其中，以提高酶分子的利用率、稳定性和机械性。质上或其中，以提高酶分子的利用率、稳定性和机械性。 g. 使物质实现分离的过滤器等使物质实现分离的过滤器等。如利用。如利用吸附性吸附性和和离子交换性离子交换性可将沸石、可将沸石、 硅藻土、膨润土、膨胀珍珠岩、硅酸钙、二氧化硅、氧化铝等制成助硅藻土、膨润土、膨胀珍珠岩、硅酸钙、二氧化硅、氧化铝等制成助 滤剂、净化剂、脱

3、色剂等；滤剂、净化剂、脱色剂等； h. 传感器：传感器：用用TiO2-V2O5、磷灰石、磷灰石、MgCr2O4 、MgFe2O4制成湿度传感制成湿度传感 器、气体传感器等。器、气体传感器等。2.3 2.3 材料化学功能及检测材料化学功能及检测 材料的化学功能具体有：材料的化学功能具体有： 吸附性能吸附性能 离子交换性能离子交换性能 催化性能催化性能 反应性能反应性能 一、吸附性能一、吸附性能 （一）（一） 基本概念：基本概念： 1 吸附性能吸附性能 物质在材料物质在材料表面或微孔容积内积聚表面或微孔容积内积聚的现象。吸附与固体内、外表面的现象。吸附与固体内、外表面分子（原子）处于受力不平衡状态

4、有关，从而有吸引它种微粒（离子或分子（原子）处于受力不平衡状态有关，从而有吸引它种微粒（离子或分子）达到平衡的天然性质。分子）达到平衡的天然性质。 吸附过程：固体物质吸附过程：固体物质 吸附剂吸附剂，气相和液相内的被吸附物质称为，气相和液相内的被吸附物质称为吸吸附质。附质。吸附性能已广泛用于从气体或液体介质中脱除杂质。吸附性能已广泛用于从气体或液体介质中脱除杂质。 吸附过滤材料：吸附过滤材料：能对气体、液体、固体等通过物理、化学或物理化学方能对气体、液体、固体等通过物理、化学或物理化学方法进行有效吸附和过滤，从而达到介质间分离、提纯、净化目的材料。法进行有效吸附和过滤，从而达到介质间分离、提纯

5、、净化目的材料。 根据吸附剂所含孔隙的大小，可把吸附剂分为三种极限结构根据吸附剂所含孔隙的大小，可把吸附剂分为三种极限结构类型：类型： 大孔吸附剂大孔吸附剂 （200nm） 过渡孔吸附剂（过渡孔吸附剂（1.5200nm） 微孔吸附剂微孔吸附剂 （0.5 1.5nm） 很多天然粘土都属于过渡孔吸附剂，沸石属微孔吸附剂。但很多天然粘土都属于过渡孔吸附剂，沸石属微孔吸附剂。但是，许多工业吸附剂的孔隙大小差异很大，多属于混合类型吸附是，许多工业吸附剂的孔隙大小差异很大，多属于混合类型吸附剂。剂。2.吸附机理吸附机理类型类型机理机理特点特点物理吸附物理吸附分子相互作用分子相互作用力引起的力引起的凝聚凝聚

6、现象现象1、吸附没有选择性，且可达几个分子的、吸附没有选择性，且可达几个分子的厚度而形成多的分子层；厚度而形成多的分子层；2、分子间力较弱，吸附势较小，通常为、分子间力较弱，吸附势较小，通常为几千卡几千卡/克分子。也较易脱附；克分子。也较易脱附；3、吸附速度一般较大，易于达到平衡；、吸附速度一般较大，易于达到平衡；4、物理吸附表现为吉布斯自由能的减少，、物理吸附表现为吉布斯自由能的减少，是一种自发放热过程。是一种自发放热过程。化学吸附化学吸附由剩余价力引由剩余价力引起的吸附，吸起的吸附，吸附分子接近吸附分子接近吸附剂表面时，附剂表面时，相互作用的成相互作用的成分间发生电子分间发生电子重新分配而

7、形重新分配而形成化学键成化学键1、被吸附分子不能沿吸附剂表面移动，、被吸附分子不能沿吸附剂表面移动，属属“定点吸附定点吸附”(定点吸附是指吸附剂表定点吸附是指吸附剂表面每个活性中心只吸附一个分子面每个活性中心只吸附一个分子)。 化学化学吸附是选择性吸附，在吸附剂与吸附质间吸附是选择性吸附，在吸附剂与吸附质间可以形成单分子层吸附；可以形成单分子层吸附；2、化学吸附的吸附势往往很大，一般为、化学吸附的吸附势往往很大，一般为10-100千克千克/克分子。克分子。 3.影响材料吸附性能的因素影响材料吸附性能的因素: (1) 结构单元层边缘断键的影响；结构单元层边缘断键的影响； (2) 比表面积大小的影

8、响：比表面积大小的影响： 如：蒙脱石的比表面积为如：蒙脱石的比表面积为50-840 m2/g 高岭土的比表面积为高岭土的比表面积为10-20 m2/g 伊利石的比表面积为伊利石的比表面积为65-180 m2/g 粘土矿物的层状构造和粘土的微粒特征都决定了粘土有发育的过渡孔和微孔结构，具较大的表面。 离子交换作用和人工酸处理可以增大粘土比表面，增强吸附性能。 （3）孔隙结构）孔隙结构 材料的吸附性能的好坏，主要取决于材料所具有不同大小孔隙的材料的吸附性能的好坏，主要取决于材料所具有不同大小孔隙的内部结构。其空隙大小分为内部结构。其空隙大小分为: 微孔（微孔（0.5-1.5nm）:指与吸附分子相近

9、的孔隙。工业吸附剂微孔指与吸附分子相近的孔隙。工业吸附剂微孔总容积一般不超过总容积一般不超过0.5cm3/g。微孔的吸附空间被吸附分子所充填。因。微孔的吸附空间被吸附分子所充填。因此，孔容与孔径是重要参数。此，孔容与孔径是重要参数。 过渡孔（过渡孔（1.5-200nm）：孔壁包含了吸附剂物质的大量原子或分：孔壁包含了吸附剂物质的大量原子或分子。子。过渡孔吸附作用不是表现在整个孔隙容积上，实际上只发生在离过渡孔吸附作用不是表现在整个孔隙容积上，实际上只发生在离孔壁很近的一段距离上，在孔隙表面发生孔壁很近的一段距离上，在孔隙表面发生(蒸气的蒸气的)单分子层和多分子单分子层和多分子层吸附。层吸附。即

10、按毛细凝聚机理发生过渡孔的充填即按毛细凝聚机理发生过渡孔的充填,形成连续分子层。形成连续分子层。过渡过渡孔的主要参数为比表面、孔容以及孔容孔隙大小的分布函数。孔的主要参数为比表面、孔容以及孔容孔隙大小的分布函数。过渡孔过渡孔比表面积一般为比表面积一般为10-400m2/g。过渡孔也是吸附质进入微孔的主要通道。过渡孔也是吸附质进入微孔的主要通道。 大孔（大孔（200nm）：）：比表面积小，在比表面积小，在0.5-2 m2/g之间，其表面吸附之间，其表面吸附可忽略不计。大孔是通向吸附剂颗粒内部的粗通道。可忽略不计。大孔是通向吸附剂颗粒内部的粗通道。（二）（二） 吸附性能的工艺指标及检测吸附性能的工

11、艺指标及检测 材料吸附性能工艺指标有：材料吸附性能工艺指标有： 粒度（细度）粒度（细度） 吸附量吸附量 比表面积和孔结构比表面积和孔结构 吸蓝量吸蓝量 胶质价、膨润值胶质价、膨润值 1. 粒度研究与检测粒度研究与检测 材料颗粒的粒度和形状能显著影响粉末及其产品的性质和材料颗粒的粒度和形状能显著影响粉末及其产品的性质和用 途 ， 对 粒 度 和 形 状 的 测 量 日 益 受 到 人 们 的 重 视 。用 途 ， 对 粒 度 和 形 状 的 测 量 日 益 受 到 人 们 的 重 视 。序号序号产品种类产品种类对性质要求对性质要求对颗粒形状要求对颗粒形状要求1涂料、墨水、化妆品涂料、墨水、化妆品

12、固着力强、反光效果好固着力强、反光效果好 片状颗粒片状颗粒2橡胶填料橡胶填料增强性和耐磨性增强性和耐磨性非长形颗粒非长形颗粒3塑料填料塑料填料高冲击强度高冲击强度长形颗粒长形颗粒4炸药引暴物炸药引暴物稳定性稳定性光滑球形颗粒光滑球形颗粒5洗涤剂和食品工业洗涤剂和食品工业流动性流动性球形颗粒球形颗粒6磨料磨料研磨性研磨性多角形多角形粒度特性的表示法有：粒度特性的表示法有： 单个颗粒的粒径表示方法单个颗粒的粒径表示方法 粒群的平均直径粒群的平均直径 粒度分布粒度分布 （1）颗粒的粒径颗粒的粒径的表示方法颗粒的粒径的表示方法 颗粒的大颗粒的大小用其在空间小用其在空间中所占据的线中所占据的线性尺寸表示

13、。性尺寸表示。 将一颗粒将一颗粒放于每边与其放于每边与其相切的长方体相切的长方体中。中。L、b、h 称为称为三轴径三轴径。（2） 粒径分布粒径分布 实际粉体大都是由粒度不等的颗粒组成的多粒度实际粉体大都是由粒度不等的颗粒组成的多粒度系统。一般用表格、图形和函数来表示颗粒群的分布系统。一般用表格、图形和函数来表示颗粒群的分布状态。状态。 粒度分布是指连续的、不同粒级（以粒度分布是指连续的、不同粒级（以m、mm或或筛孔网目表示）范围内，各粒级颗粒所占的重量百分筛孔网目表示）范围内，各粒级颗粒所占的重量百分比。比。 频率分布频率分布 表示各个粒径相对应的颗粒的百分含量（微分型）。表示各个粒径相对应的

14、颗粒的百分含量（微分型）。 累积分布累积分布 表示小于（或大于）某粒径的颗粒占全部颗粒的百分表示小于（或大于）某粒径的颗粒占全部颗粒的百分数与该颗粒的关系。数与该颗粒的关系。 百分含量的基准可以是颗粒个数、体积、质量百分含量的基准可以是颗粒个数、体积、质量（或长度、面积）（或长度、面积）（3） 粉体粒度的测定 本世纪以来，已经发展了多种粒度测量方法，这些本世纪以来，已经发展了多种粒度测量方法，这些方法在实践中不断得到改进和完善。方法在实践中不断得到改进和完善。 粒度测量的分类方法粒度测量的分类方法 方法分类 测量装置测量范围（m ） 测量结果直接观察法直接观察法放大投影仪、图象分析放大投影仪、

15、图象分析仪（与光学、电子显微仪（与光学、电子显微镜相联）镜相联）1-100 0.001-10粒度分布、形态参数粒度分布、形态参数筛分法筛分法电磁振动式、电磁振动式、音波振动式音波振动式38-1000 5-56 粒度分布的直方图粒度分布的直方图沉降沉降法法重力重力比重计、比重天平、比重计、比重天平、沉降天平、光透过式沉降天平、光透过式1-100 0.1-150 粒度分布粒度分布离心力离心力光透过式、光透过式、X X射线透过式射线透过式0.1-1000 粒度分布粒度分布激光激光法法光衍射光衍射激光粒度仪激光粒度仪1-176 粒度分布粒度分布光子相干光子相干光子相干粒度仪光子相干粒度仪粒度分布粒度分

16、布小孔通过法小孔通过法库尔特粒度仪库尔特粒度仪0.3-200 粒度分布、个数计量粒度分布、个数计量流体透过法流体透过法气体透过粒度仪气体透过粒度仪0.01-100 表面积、平均粒度表面积、平均粒度吸附法吸附法BETBET吸附仪吸附仪0.003-3 表面积、平均粒度表面积、平均粒度各测试粒度方法异同点各测试粒度方法异同点 由于各种粒度测定方法的物理基础不同，同一样品用不同的测定方法得到的由于各种粒度测定方法的物理基础不同，同一样品用不同的测定方法得到的粒度的物理意义甚至粒度大小也不相同。粒度的物理意义甚至粒度大小也不相同。 筛分方法筛分方法筛分径（以筛孔尺寸表示）筛分径（以筛孔尺寸表示） 显微镜

17、、计数法、激光粒度分析仪显微镜、计数法、激光粒度分析仪统计径统计径 沉降法沉降法等效径（即等于具有相同沉降的球体的直径）等效径（即等于具有相同沉降的球体的直径） 透过法和吸附法透过法和吸附法比表面直径比表面直径 各种方法测定中所得参数不同：各种方法测定中所得参数不同： 能能测粒度分布测粒度分布的方法有：显微镜、计数器、激光粒度分析仪等的方法有：显微镜、计数器、激光粒度分析仪等 只能测定只能测定平均粒径平均粒径的有：透过法、吸附法的有：透过法、吸附法 不仅可以测定粒度分布、平均粒径、不仅可以测定粒度分布、平均粒径、 比表面积，还可绘制直方图和累比表面积，还可绘制直方图和累积粒度特性曲线，如积粒度

18、特性曲线，如激光粒度分析仪激光粒度分析仪 各种粒度测定方法中，有的较简单、费用较低，但测定时间较长、精度较低；各种粒度测定方法中，有的较简单、费用较低，但测定时间较长、精度较低；而有的测定时间短、精度较高，但费用也较高，而且仪器结构复杂。而有的测定时间短、精度较高，但费用也较高，而且仪器结构复杂。 在选择测定方法时，需要综合考虑物粒的粒度分布范围，物料的数量性质、在选择测定方法时，需要综合考虑物粒的粒度分布范围，物料的数量性质、测定的目的、要求的精度以及投资费用和测定成本等。测定的目的、要求的精度以及投资费用和测定成本等。各种粒度测试方法的优缺点各种粒度测试方法的优缺点 (1) 激光法激光法

19、优点：测试范围宽（最好的激光粒度仪的测量范围是优点：测试范围宽（最好的激光粒度仪的测量范围是0.04-2000um，一般的，一般的也能达到也能达到0.1-300um），测试速度快（），测试速度快（1-3分钟分钟/次），自动化程度高，操作简次），自动化程度高，操作简便，重复性和真实性好，可以测试干粉样品，可以测量混合粉、乳浊液和雾便，重复性和真实性好，可以测试干粉样品，可以测量混合粉、乳浊液和雾滴等。滴等。 缺点：不宜测量粒度分布很窄的样品，分辨率相对较低。缺点：不宜测量粒度分布很窄的样品，分辨率相对较低。 (2) 沉降法沉降法 优点：原理直观，分辨率较高，价格及运行成低。优点：原理直观，分辨率

20、较高，价格及运行成低。 缺点：测量速度慢，不能处理不同密度的混合物。结果受环境因素（比如温缺点：测量速度慢，不能处理不同密度的混合物。结果受环境因素（比如温度）和人为因素影响较大。度）和人为因素影响较大。 (3) 筛分法筛分法 优点：成本低，使用容易。优点：成本低，使用容易。 缺点：对小于目（缺点：对小于目（u）的干粉很难测量。测量时间越长，得）的干粉很难测量。测量时间越长，得 到的结果就越小，这是为颗粒不断调整它们自己来通过筛孔，所以要得到的结果就越小，这是为颗粒不断调整它们自己来通过筛孔，所以要得到一致的结果，必须使测量次数及操作方法标准化。不能测量射流或乳到一致的结果，必须使测量次数及操

21、作方法标准化。不能测量射流或乳浊液；在测量针状样品时这会得到一些奇怪的结果，比如加工前和加工浊液；在测量针状样品时这会得到一些奇怪的结果，比如加工前和加工后的筛余量差不多。后的筛余量差不多。 (4) 显微镜检测法显微镜检测法 优点：可以直接观察颗粒的形貌，可以准确地得到球型度、长径比等特优点：可以直接观察颗粒的形貌，可以准确地得到球型度、长径比等特殊数据。殊数据。 缺点：代表性差，操作复杂，速度慢，不宜分析粒度范围宽的样品。缺点：代表性差，操作复杂，速度慢，不宜分析粒度范围宽的样品。2 吸蓝量的测定吸蓝量的测定 吸蓝量是指细分散状无机非金属矿物材料分散于溶液中，具有吸附吸蓝量是指细分散状无机非

22、金属矿物材料分散于溶液中，具有吸附次甲基蓝的能力，其吸附量称为吸蓝量。以次甲基蓝的能力，其吸附量称为吸蓝量。以100克试样吸附次甲基蓝的摩克试样吸附次甲基蓝的摩尔数或克数表示。尔数或克数表示。 其吸附原理：置换反应。其吸附原理：置换反应。膨润土吸附次甲基蓝的机制 被吸附的次甲基蓝阳离子被吸附的次甲基蓝阳离子C16H18N3S+，绝大部分被束缚在材料的晶层间。，绝大部分被束缚在材料的晶层间。（从溶液中测得的（从溶液中测得的Cl-没有减少，说明次甲基蓝的没有减少，说明次甲基蓝的Cl-未进入材料的晶层未进入材料的晶层间。）间。） 测定吸蓝量的方法：滴定法。测定吸蓝量的方法：滴定法。二、分散性能及检测

23、二、分散性能及检测 粉体材料在水介质中易于呈现胶体状态，表现出明显的水化特性和粉体材料在水介质中易于呈现胶体状态，表现出明显的水化特性和优良的造浆性能，这些性能主要应用于钻井泥浆、涂料等领域。优良的造浆性能，这些性能主要应用于钻井泥浆、涂料等领域。 细分散状无机非金属矿物材料都含有多种形式的水。如：细分散状无机非金属矿物材料都含有多种形式的水。如： 蒙脱石含有三种水，即：粘土粒或晶面的蒙脱石含有三种水，即：粘土粒或晶面的自由水自由水、晶层间的晶层间的吸附水吸附水、进入结构的进入结构的结构水结构水。其中，晶层间的吸附水状况及数量对粘土的水化性其中，晶层间的吸附水状况及数量对粘土的水化性能及有关理

24、化性能有明显影响。如蒙脱石吸水（或有机物质）发生膨胀能及有关理化性能有明显影响。如蒙脱石吸水（或有机物质）发生膨胀使晶层间距增大：使晶层间距增大： 当含当含 2H20时，时，d0=1.24nm 4H20时，时，d0=1.54nm 高水化状态时，高水化状态时，d0=1.84-2.14nm 吸附有机物质时，吸附有机物质时，d0=4.8nm 对水化性能的检测指标有：胶质价、膨润值和膨胀容。对水化性能的检测指标有：胶质价、膨润值和膨胀容。（1）胶质价）胶质价 粉状无机非金属材料与水按比例搅混后，粉状无机非金属材料与水按比例搅混后，加入一定量的氧化镁，静置加入一定量的氧化镁，静置24小时后形成凝胶小时后

25、形成凝胶质的体积，成为胶质价。单位为质的体积，成为胶质价。单位为ml/15克。胶克。胶质价显示试样颗粒分散和水化的程度，是粉状质价显示试样颗粒分散和水化的程度，是粉状无机非金属材料分散性、亲水性和膨胀性的综无机非金属材料分散性、亲水性和膨胀性的综合表现。合表现。（2）膨胀容）膨胀容 膨胀容膨胀容是指是指1克试样浸于一定水中发生膨克试样浸于一定水中发生膨胀后的容积。即粉状无机非金属材料因晶层吸胀后的容积。即粉状无机非金属材料因晶层吸水而使体积膨胀。单位为毫升水而使体积膨胀。单位为毫升/克样。一般来克样。一般来说，膨胀容越大越好。说，膨胀容越大越好。（3）悬浮性能及检测）悬浮性能及检测 悬浮性悬浮

26、性：粉状无机非金属材料微粒均匀分散，：粉状无机非金属材料微粒均匀分散，悬浮于水中而不易沉淀的性质。工业上称为悬浮于水中而不易沉淀的性质。工业上称为泥浆稳泥浆稳定性定性。 机理：水分散体系中的固相颗粒非常细小，而机理：水分散体系中的固相颗粒非常细小，而颗粒表面常常颗粒表面常常吸附带同号电荷的离子吸附带同号电荷的离子，固而相互，固而相互排排斥斥，不发生凝聚。，不发生凝聚。 JC322-82“瓷土悬浮性能测定方法瓷土悬浮性能测定方法” 。 将试样加水研磨成均匀糊状，并使之分散于一将试样加水研磨成均匀糊状，并使之分散于一定体积水中，经一定时间（一般为定体积水中，经一定时间（一般为20分钟）后，观分钟）后，观察由于泥浆沉淀出现察由于泥浆沉淀出现液面的体积大小液面的体积大小，即为悬浮性即为悬浮性能的大小。能的大小。