海泡石的微观结构与烟斗吸水发色的探讨

摇头

自进了2支海泡石烟斗后，开始对海泡石的各种问题纠结不断，粉斗和石斗的风波未平，又开始对海泡石的发色钻起了牛角尖。翻阅了论坛上有关海泡石发色的探讨和技巧帖子，同时又查阅了网上与海泡石材料相关的文章，现把自己对海泡石微观结构与烟斗吸水发色关系的摘录以及粗浅理解贴上来，供斗友参考谈论：

1）石斗发色各不相同：与海泡石晶体结构及其它矿物含量有关
2）在斗柄首先发色：水气含量、石斗温度和有关
3）斗钵外壁发色：除了与2相关的因素外，还与海泡石脱色分散性能以及上蜂蜡温度有关

一，首先说物理化学性能
从网络上摘录了海泡石部分物理化学性能的描述归纳如下：
1）外观：颜色多变，有白色、浅黄、浅灰、黑绿，条呈白色，不透明，触感光滑且粘舌
2）硬度：莫氏硬度在2~2.5之间
3）耐高温：在350度的高温下，结构不发生变化，耐高温性能达1500-1700度
4）吸咐性：吸收大于自身重量150％的水
5）体质轻，密度为1~2.2g/cm3
6）收缩率低，可塑性好，能溶于盐酸
7）海泡石具有极强的吸附、脱色和分散等性能
8）造型性、绝缘性、抗盐度都非常好

二，石斗发色各不相同
海泡石属斜方晶系或单斜晶系，属层链状结构的含水富镁硅酸盐矿物。在链状结构中也含有层状结构类型的小单元，属2∶1型。它们所不同的是这种单元层与单元层之间的孔道不同。海泡石的单元层孔洞可加宽到3.8×9.8Å[8]，最大者可以5.6×11.0Å[6]，即可容纳更多的水分子(即沸石水)。
同时，又因它的三维立体键结构和Si-O-Si键把细链拉在一起，使其具沿一向延长的特殊晶形，故颗粒呈棒状。结构中所构成的开式沟枢与晶体长轴平行，这种沟枢对极性分子的吸附性能极强。

在海泡石的巨大纳米孔中主要存在8个沸石水和4个结构水，而4个羟基水（OH）存在于三八面体结构中。从这三种水的在晶体结构中的位置就可以判断出，羟基水是最难排除的，实际热分析结果也是如此[ 3][14]。最易排除的是沸石水，而结构水一般分两步排除，排除温度一般在200－350℃和350－500℃

天然海泡石，根据其成矿形态特征，可分为热液型海泡石和沉积型海泡石两种。热液型海泡石，纤维状结构发育比较完整，粗大，含量高，宏观层状结构明显；常呈石棉状，规模较小。在图中，可以看到比较纯的发育较好的海泡石纤维结构，比较规则地排列，在低分辨率下，呈粗大地束状集中：

而沉积型海泡石矿纤维状结构细小，呈毛发状、针状，宏观上矿物呈层状和块状。海泡石常呈土状，规模较大，灰色或灰白色。比重轻，干粉末可漂浮于水面，以舌舔之具有强的吸着感，投入水中吸水甚速，并呈浆糊状，粘性极强。海泡石粘土在偏光显微镜下 呈浪状结构。在图中，可以看到明显的毛发状海泡石纤维结构，纤维细小，并与其他矿物粘合在一起，这是典型的粘土海泡石矿物：

根据上面的描述，可以判断用于烟斗的海泡石是沉积型海泡石，即纤维结构发育不完全，且与其它矿物结合在一起，所以我推测，如果石斗纤维含量高且分布均匀的海泡石应该吸水性好、石质细腻，而且发色可能会更均匀；反之，含其它矿物多的石斗可能材质较粗糙且发色不易均匀；另外，如果杂志中含有海洋生物矿石较多的石斗，产生腥味的可能较大。

一，三，在斗柄首先发色
大家知道石斗发色的本质就是烟草燃烧产生的有色微粒，被带入石斗并在石斗中传递导致，那么影响这一物理化学变化的主要因素是什么？这些因素是怎样产生作用？哪些是关键因素？


我们先看温度这个因素，烟草燃烧除产生烟气微粒外还带来温度的上升，在网上搜索了一下，有关烟草温度描述如下：卷烟830度-900度左右、纯手工卷制雪茄烟700度-780度左右、半叶卷雪茄烟750度-830度左右、机卷雪茄烟800度-880度左右。所以猜测斗内烟草燃烧时的温度范围可能是750度－900度，那么在这种温度下，海泡石的物理化学性能将产生怎样的变化？下面的一组试验数据非常有趣，通过这些数据我们基本可以对海泡石在不同温度和湿度条件下的吸水、失水性能有一个大概的了解。

在工业加工海泡石过程中有一个活化加工过程，海泡石的活化大致上可以分为两大类，
一类是反应生成方法(化学方法)，一种是机械处理方法(物理方法)。化学方法可使其内部结晶组织和化学成分发生变化；物理方法能改变其几何形状、孔隙率和比表面积。这里我们主要谈物理方法中的热活化，我猜测这和抽斗时或上蜂蜡时对海泡石的加热效果类似，先看下图：

海泡石纤维的活化温度跟比表面积、孔容和孔径的关系如图3所示。实验结果表明活化在100℃以内，孔径基本无变化，而比表面积和孔容增加，此时水分子从孔里或空隙间逸出，使得堵塞孔开放，则孔分布增加，比表面积和孔容增大。100~150℃比表面积和孔容继续增大，而孔径略有下降，导致此原因是由于纤维孔及空间隙中大量水分子产生热运动，拥挤到径口使得径口显得狭小。活化温度超过150℃后，孔内和孔间隙里水分子开始减少，出口水分子浓度降低，孔径增大。当200℃时沸石水和孔间水基本全部失去，此时比表面积和孔容最大，吸附性最强。200~250℃比表面积基本相等，吸附性也基本相等，孔容和孔径下降。250℃以后孔径继续增大，而比表面积和孔容都减小，即吸附性下降。由此可以看出海泡石的孔径过大或过小（以致于闭合），不能使比表面积最大，导致吸附性变弱，要想达到最大吸附性（即最大比表面积）活化温度必须控制在200~250℃之间为宜。

我不知道石斗在点燃烟草时径向的温度分布，原则上内壁温度最高外壁最低，且刚开始燃烧烟草时温度会由内向外变化。从图中可以推测由于石斗的温度分布不同，同一石斗沿径向的孔隙大小变化会不同，处于200－250度位置的海泡石孔隙最大，烟尘微粒会随水份一起被传递到孔隙最大出，我猜测这也是为什么斗柄首先发色的原因，因为此处的水汽含量最大且温度也较高。斗钵虽然温度也高，但是由于水汽少，被带入的烟尘微粒也较少。看来除温度外，水汽是第二个主要因素。


（待续）



[ 本帖最后由 摇头 于 2011-3-27 19:55 编辑 ]

artpark

就是专业，有理据分析！待续！

蓝刃

摇头兄是个搞科研的人才！
看了半天看的是迷迷糊糊，有点儿材料希望能对您的文章有所帮助：
烟斗内烟草燃烧最高温度和烟草及抽斗方式有直接的关系，最高大约会到620度左右，慢抽的情况下会低至380度左右
一般认为海泡石的发色是蜡质运动的结果，海泡石斗最后要有一道浸蜡（主要是蜂蜡和油等的混合物）的工序，蜡质（主要是蜂蜡）在抽斗受热时会“流动”并带入烟气中的烟油等成分渗入做为多孔矿物的海泡石，斗钵温度过高会导致蜡质向温度低的区域运动，也就是为什么大多数的石斗会从斗柄开始着色，而染色钵的作用就是既不使斗钵温度过高，但又可以保持一定的温度使得蜡质可以“流动”但不会做定向运动，从而使海泡石烟斗均匀着色

以上不知道有没有象您这样的微观化的科学数据做支持，希望能对您有所助益，能够更细致的分析海泡石的着色

有个问题也希望您能帮忙释疑，谢谢！
据我很粗浅的了解，海泡石这种矿物在很多国家都有，无非质量不同，结块性（不知道能不能这么叫？）不如土耳其或南非海泡石，所以别的国家所出产的海泡石多用于建筑等其它用途
您所提到的沉积型海泡石，是否可以理解为土耳其或南非出产的就是沉积型海泡石，其它地区探明的大都是热液型海泡石？如果能利用我们手里海泡石斗的实物来确实这一点那就太好了

感谢分享！

摇头

蓝刃兄：

多谢提供的材料，俺只是没事瞎琢磨。您说的有关蜡质流动的理论可能是对的，这里有2个问题值得探讨，首先海泡石的最大特性就是对水的自我调节作用，所以斗柄发色的关键是温度和水，当然如果蜡分子大小能通过孔隙的化，上蜡肯定能加快发色，否则上蜡只能是让石斗升温并吸收蜡中有色微粒并同时加快石斗内微粒的作用；另外，我们需要量化“温度低”这个概念，从数据上看200－250度是空隙最大化的温度；再有，微粒的输送与水息息相关，这非常吻合海泡石对水的自我调节作用。

有关海泡石的储藏和分类我只能根据资料推测，土耳其的海泡石应该是沉积型的，或者说能做成烟斗的都应该是沉积型，区别是其它矿物的含量以及海泡石纤维的含量。其实我国也有海泡石储藏，不过都是热海型的海泡石，经过活化后用于工业加工或添加剂。

摇头

下面的两个试验把水汽在海泡石中的传递过程描绘得很清楚，先看吸水试验：

如图4所示。从图可以看出，200℃时吸湿量最大，200~250℃间的吸湿实验值基本相近。而活化温度越高的纤维吸湿最大点向高湿度方向移动，说明吸湿量越大。孔径越大，比表面积越小，吸湿性也越小。而活化温度在200~250℃之间，湿度增大，吸湿量也增大。这个结果与上面的最佳活化温度非常吻合。

再看失水试验：

如图5所示。从图可以看出200℃时放湿量最大，200~250℃间的放湿实验值也基本相近。活化温度越高的纤维放湿最大点随着湿度减小而增大，说明放湿量越大，孔径越大，比表面积越小，放湿性越小。而活化温度在200~250℃之间，随湿度减小，放湿量将增大。这一结果也与最佳活化温度非常吻合。

总之，海泡石纤维经200~250℃活化处理后，纤维孔分布最多，比表面积最大，本身达到最大吸湿量和放湿量。吸湿量和放湿量还与外界湿度有关系，高湿度进行吸湿，低湿度进行放湿，这是由于水分子的浓度而决定的。当外界水分子浓度改变，海泡石纤维内部水分子也随着相应变化，这样海泡石纤维随着周围环境湿度的改变而发生变化。这也是为什么有斗友说过，烟尘微粒会由内输送到外，因此我猜测海泡石斗的径向颜色分布应该是递增而不是递减。

一，斗钵外壁发色
明白了海泡石的热活化导致的物理化学变化，也就不难理解斗钵外壁为什么发色会比斗柄慢。另外，还有两个因素会对外壁发色产生影响：一是，海泡石的吸附脱色性能也会让外壁因吸收烟尘微粒、空气中杂质、手汗等发生颜色变化；二是，因上蜡以及上蜡产生的高温导致外壁吸收微粒而变色，且吹风产生的温度会影响微粒在斗壁中的流动和传递。

总归上述，我猜测让海泡石斗变色的关键因素是：温度、水汽、烟尘和蜂蜡。

如果用于实践应用我们是否可以假设：
1）增加烟草湿度可以加快发色？
2）增加斗钵湿度可以加快发色？
3）在潮湿气候抽斗可以加快发色？
4）抽斗时冷却斗柄可以让发色均匀？
5）烟雾闷罐加色时，是否可以提高罐内湿度？
6）上蜡时选择颜色深的蜂蜡？
7）其它有色无害的微粒通过加热或添加入蜂蜡？
。。。

以上纯属本人胡思乱想，仅供各位斗友参考。

[ 本帖最后由 摇头 于 2011-3-27 19:57 编辑 ]

piggy

谢谢分享。
我也查过一些网址，不过一直没找到海泡石与乙醇是否反应的资料。摇头兄有空帮忙啊。

卡拉

呵呵，楼主肯定是理工科的人才~ 学习了。

摇头

楼上的兄弟过奖了，帖子中的图片不太清晰，感兴趣的朋友可以去我的相册查看清晰版的图片，我已上传上述图片至相册中心

夕阳无限好

……科学家抽烟斗的结果……

蓝刃

首先感谢摇头兄的分享！
要是说第一段看的有点儿迷糊，那第二段我就更看不太懂了，我个人觉得为了完善您的推论以下几点是否可以再推敲：

1. 这些研究结果好象都是基于工业用海泡石，而如果如您所说沉积型海泡石用于做斗，而热液型海泡石用于工业，那么这两种海泡石的结构不同，这些实验的数据是否可以借鉴？
2. 斗钵内烟草燃烧的温度从380－620左右，斗钵外的温度大概是40－80度，斗柄的温度能够到达多少没有研究，不过感觉上应该不会超过斗钵外的温度，那么是否可以理解成200－250度的活化处理只能在斗钵内和斗室的一部分厚度内实现，而斗钵外部和斗柄因为没用达到活化的临界温度100度而没有被活化，那么斗钵外部的染色和斗柄最先染色的现象就不能适用于活化现象
3. 关于吸收和释放湿度，如果是考虑和空气中的湿度交互作用，那么是否还要考虑到海泡石吸湿和放湿在一定的温度下的临界点，或者说空气中的湿度是否足以突破这个临界点从而能够和海泡石开始这种活跃的吸湿和放湿的过程
4. 关于海泡石由内而外的渗透染色，我没有理论的支持，记得在另外一个帖子里也提到过，我观察到的染色过程都是双向的，由内而外的染色及外层的染色，因为一些染色很好的海泡石看破损的地方只有内壁和外部一层是有颜色的，中间的部分还是白色，或许一些比较薄的烟斗因为年深日久中间层的颜色也会改变，但是如果是说“烟尘微粒会由内输送到外”而导致染色（或许我理解错了这句话），由我个人的经验看来不太赞同

仓促之中，或许对您的帖子理解有误，如果的确如此先说声抱歉