HOME 教育状況公表 令和3年10月29日

粘土分散液の電気化学

仁科・伊藤(智)研究室

20210826 nendo 非公表 グループ 外部グループ sheet 実験台1 実験台2 はるか のぶ
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層状ケイ酸塩鉱物

  1 粘土鉱物の分類
化学式 製品名 製造方法 用途
カオリナイト (1:1層) カオリナイト 1:1層で、層間に水がないため、焼結可能。陶磁器などに使う()。
スメクタイト (2:1層) モンモリロナイト
Nax(Al2-xMgx)Si4O10(OH)2·4H2O(X<0.33)
クニピア-F 精製 ベントナイトの主成分。 1:2層で、高温でも固まらない。鋳鉄の鋳型などに使う。
Li+モンモリロナイト
Lix(Al2-xMgx)Si4O10(OH)2·4H2O(X<0.33)
クニピア-M 精製
サポナイト
NaxMg3(Si4-xAlx)O10(OH)2(X<0.33)
スメクトン-SA 水熱合成
スチーブンサイト Na0.3Mg3-xSi4O10(OH)2 スメクトン-ST 水熱合成
ヘクトライト Na0.3(Mg,Li)3-xSi4O10(OH)2 スメクトン 水熱合成

はるか Stevensite は Montmorillonite の八面体シートの 2Al を 3Mg で置換したもの 、幾つ か教科書を見ると少し記載が曖昧なところが有ります。層電荷が小さい、混合物ではないかなど。ベン トナイトは鉱物種名では有りません。米国ワイオミング州の Fort Benton 層中に産出する粘土に対して 命名されています。主として Montmorillonite を主体とする粘土をベントナイトと呼んでいます。スメ クタイトグループの鉱物にクリストバライト、石英、沸石などを含むことが一般的です。


粘土の分極

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電場によって回転する粘土粒子
©K.Tachibana

液晶としての粘土分散液

粘土分散液は、 粘土ではありません。粘土は鉱物です。 でも粘土分散液は、粘土粒子と分散媒からなる複合材料です。 粘土分散液は液晶です。

(鈴木,2007)

緒言


液晶材料の双極子モーメント

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液晶材料の双極子モーメントと導電率
©

ヘクトライト

粘土材料の双極子モーメント

アルミニウムイオン マグネシウムイオン (-) ナトリウムイオン (+)
  1 クニミネ工業(株)のHPより転載・改変 https://www.kunimine.co.jp/bent/basic.html

アルミニウムイオンと、同型置換されたマグネシウムイオンがあります。 そこは、電荷が足りない分、負の電荷を帯びます。 その電荷を補償するのが、層間のナトリウムイオンです。 こうして、離れたところにある負の電荷と正の電荷で、双極子モーメントが生じます。


粘土分散液の双極子モーメント

粘土鉱物の分散

(-)マグネシウムイオン ナトリウムイオン(+) 50 nm 0.1 nm 1 nm 10 nm
  2 クニミネ工業(株)のHPより転載・改変 https://www.kunimine.co.jp/bent/basic.html

ヘクトライトは、層間に水が配位したカチオンが入り込むため、膨潤し、粘性の高い液体となります。

一方でカオリナイトは1:1型構造なので,層間に水が入り込みづらいので,膨潤せず分散があまりできません.

同型置換により負に帯電した粘土の単位層や水酸基に水和したカチオンがクーロン力によって結合することで固定点となります.

負に帯電した粘土の単位層とカチオンとで双極子をもつことになります.

層間が水で膨潤した粘土分散液でも、 負の電荷と正の電荷で、双極子モーメントが生じます。 このような双極子モーメントを持つクラスターは、ダイレクタとなります。 ふだんは粘性力が支配ですが、振動を受けて流れが生じたり、電場がかかったりすると 慣性力が支配的になります。 このような現象は、粘土分散液の液晶性の発現に寄与します。


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電場によって回転する粘土粒子
©K.Tachibana

局所平均双極子モーメント

注目する原子を中心に、半径rの球を考え、 その球の内側に存在する電荷と距離から、双極子モーメントを計算したグラフである。


双極子モーメントと誘電率


最近わかったこと。

-1.5-1-0.500.511.522.521.510.50-0.5-1-1.5-2水の安定領域 電圧 V vs. Zn/Zn(OH)2 /V 電流 I /mA ヘクトライト水分散液 緩衝溶液
ヘクトライト水分散液のボルタモグラム

まだないしょ
  2  粘土分散液の粒径と導電率
試料名
(製造元、型番)
粒径/nm 導電率/μS/cm pH 粘度/mPa·s
スチーブンサイト2wt%/水分散液
( クニミネ工業、 スメクトン-ST 2wt%/水分散液)
30±10 2450
ヘクトライト2wt%/水分散液
( クニミネ工業、 スメクトン-SWN 2wt%/水分散液)
50 1594
サポナイト2wt%/水分散液
( クニミネ工業、 スメクトン-SA 2wt%/水分散液)
1001114
モンモリロナイト2wt%/水分散液
(クニミネ工業、 クニピア-F 2wt%/水分散液)
350±250636
Li+置換モンモリロナイト2wt%/水分散液
(クニミネ工業、 クニピア-M 2wt%/水分散液)
>?4109.9534
粘土分散液の化学 はるか

♥公聴会をお楽しみに!!♥♥
  3
https://www.kunimine.co.jp/bent/basic.html
モンモリロナイトの単位結晶は、Si(ケイ素)とO(酸素)の四面体がシート状に連なった四面体シートと、Al(アルミニウム)とOH(水酸基)の八面体がシート状に連なった八面体シートからなっており、1枚の八面体シートが2枚の四面体シートに挟まれた、サンドウィッチ構造をしています。これをケイ酸塩層(単位層)と呼びます。しかし、実際は八面体シート中の3価の陽イオンであるAlが、部分的に2価の陽イオンであるMg(マグネシウム)に置き換わっています。このことを同形置換と呼びます。その結果、単位層面では電荷が不足し、負(マイナス)電荷を帯びています。そのため、電荷のバランスをとるために、単位層間に正(プラス)電荷を持つイオンが取り込まれています。これを層間陽イオンと呼びます。

粘土ファイバー(ディスコチック液晶)

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粘土ファイバー(ディスコチック液晶)
©K.Tachibana

積層された粘土シート

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積層された粘土シート
©K.Tachibana
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/54299/c1/C1_Project/nendo/nendo_sheet/nendo_sheet.asp

電極上に配向した粘土ファイバー

粘土ファイバーが金属表面に配向してる?
nendo_sheet.asp nendo_fiber_wrl.asp nendo_sheet_wrl.asp

粘土の3Dデータ

以下にCa型モンモリロナイトのUnit Cellに 含まれる原子の空間位置座標(3Dデータ)から構成した球棒モデルを示す.

Ca型モンモリロナイトのUnit Cell
©2020Tanabe

クニピアおよびスメクトンとは (出典:©KUNIMINE INDUSTRIES CO., LTD.)

液晶分子の並び方もいろいろ (出典:井上 均)
はるか

クニピア・スメクトン くすだ たなべ スライド いおり 分散 コロイド 層状複水酸化物 http://www.cssj2.org/wp-content/uploads/clay_25.pdf 粘土 分散 液晶 チクソトロピー
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粘土分散液の光学的観察
©Haruka

136
粘土/水分散液温度分布測定セル
©
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/54299/c1/Extra_Syllabus/2020_R02/20201118/e133/20201118_e133.asp

Potential E / V vs.Ag/AgClCurrent I / mA-1.000.001.001.00.50.0-0.5-1.0 L 467.77539341917 72.5000602858321 L 82.2248034310222 217.4999999999 L 467.775196568978 72.5000000001003 L 467.77539341917 72.5000602858321 L 82.2248034310222 217.4999999999 L 467.775196568978 72.5000000001003
  4 キャパシタCVシミュレーション
シミュレーション条件は、E0=0V, Ehigh=0.7V, Elow=-0.7V, v=10V/s, Cd=0.05mF, Rs=100Ωである。
粘土分散液の電気化学 10.情報処理概論 9.エネルギー化学

参考文献

粘土基礎講座Ⅰ http://www.cssj2.org/

QRコード
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/54299/c1/C1_Project/nendo.asp

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