◇ 粘土分散液の電気化学

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層状ケイ酸塩鉱物

表 1 . 粘土鉱物の分類
族	種	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	Na_x(Al_2-xMg_x)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	Li_x(Al_2-xMg_x)Si₄O₁₀(OH)₂·4H₂O(X<0.33)	クニピア-M	精製
	サポナイト	Na_xMg₃(Si_4-xAl_x)O₁₀(OH)₂(X<0.33)	スメクトン-SA	水熱合成
	スチーブンサイト	Na_0.3Mg_3-xSi₄O₁₀(OH)₂	スメクトン-ST	水熱合成
	ヘクトライト	Na_0.3(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

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

粘土材料の双極子モーメント

図 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

図 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。

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。

図ヘクトライト水分散液のボルタモグラム

まだないしょ

表 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）	100	1114
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±250	636
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）	>?	410	9.9	534

粘土分散液の化学はるか

♥公聴会をお楽しみに！！♥♥

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）

積層された粘土シート

電極上に配向した粘土ファイバー

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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．

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

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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図 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

図 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

(鈴木,2007)
(鈴木,2017)
○田邉悠. 粘土材料の液晶化による電気的配向現象におけるエネルギーデバイスとしての可能性 . ２０１９年電気化学秋季大会, 山梨大学甲府キャンパス. 2019.

粘土基礎講座Ⅰ http://www.cssj2.org/

○田邉悠. 粘土材料の液晶化による電気的配向現象におけるエネルギーデバイスとしての可能性 . ２０１９年電気化学秋季大会, 山梨大学甲府キャンパス. 2019.
○今井直人, 中野伊織, 長岡功大, 白谷貴明, 伊藤智博, 立花和宏, 仁科辰夫. 粘土分散液中の粘土粒子とその乾燥後の構造解析 . 平成30年度　化学系学協会東北大会, 秋田大学手形キャンパス. 2018.
樋口翔太. 粘土鉱物の電気化学への応用 . 山形大学物質化学工学科 , 卒業論文 , 2016. https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/developer/Asp/Youzan/Academic/@Thesis.asp?nThesisID=593, （参照 2020-7-15）.
○白谷　貴明，樋口　翔太，関口　理希，伊藤　智博，立花　和宏，仁科　辰夫. アルミニウムアノード酸化皮膜に粘土鉱物が接触したときの電気化学的挙動 . 第33回金属のアノード酸化皮膜の機能化部会（ARS）熱海コンファレンス, 伊豆山研修センター. 2016.
白谷貴明，樋口翔太,関口理希，伊藤智博，立花和宏，仁科辰夫. 粘土鉱物分散水溶性ゲルを使用した電池のアルミニウム酸化皮膜の抵抗低減メカニズム . 平成28年度　化学系学協会東北大会, いわき明星大学. 2016.