Einfluss der Anisotropie

Katharina Porsch 17. Juli 2003
Matr.-Nr.: 40627
Oberseminar Geoökologie:
Einfluss der Anisotropie auf das Phasendiagramm eines Na-Montmorillonits
(Zusammenfassung der gleichnamigen Studienarbeit)
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis.............................................................................................................................................. 1
Abbildungsverzeichnis ...................................................................................................................................... 1
Tabellenverzeichnis........................................................................................................................................... 1
Bildverzeichnis.................................................................................................................................................. 1
Vorwort ............................................................................................................................................................. 1
1. Einleitung ...................................................................................................................................................... 2
1.1. Tone und Tonminerale ........................................................................................................................... 2
1.2. Kolloidale Tondispersionen ................................................................................................................... 2
1.3. Gelbildung.............................................................................................................................................. 3
1.4. Vorausgegangene Studien...................................................................................................................... 3
1.4.1. Studie synthetischer monodisperser Tonmineralsysteme (Laponite) ............................................. 3
1.4.2. Studie eines natürlichen Tonminerals (Montmorillonite Wyoming).............................................. 4
2. Durchführung ................................................................................................................................................ 5
3. Ergebnisse ..................................................................................................................................................... 1
3.1. Thermodynamische Zustandsgleichung................................................................................................. 6
3.2. Rheologie ............................................................................................................................................... 6
3.3. Doppelbrechung ..................................................................................................................................... 8
4. Diskussion ..................................................................................................................................................... 9
5. Zusammenfassung ....................................................................................................................................... 10
6. Literaturangabe............................................................................................................................................ 11
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Phasendiagramm des Dispersions-Gel- ................................................................................................ 4
Abb. 2: Zustandsgleichung der Laponitsuspension .......................................................................................... 4
Abb. 3: osmotischer Druck in Abhängigkeit von der Feststoffkonzentration für die drei
Montmorillonitsuspensionen bei einer ionischen Stärke von E-5 mol/l ................................................... 6
Abb. 4: G’ in Abhängigkeit von der Frequenz für verschiedene Feststoffkonzentrationen von SWy2 Gel1 und
einer ionischen Stärke von E-2 mol/l........................................................................................................ 7
Abb. 5: G’ in Abhängigkeit von (C-C 0 ) für SWy2 Gel1 bei verschiedenen ionischen Stärken ........................ 7
Abb. 6: Rheologisches Phasendiagramm für die drei Montmorillonitdispersionen.......................................... 9
Abb. 7: Einfluss der Größe der Tonmineralschichten ....................................................................................... 9
Abb. 8: Phasendiagramm von Swy2 Gel1....................................................................................................... 10
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Feststoffgehalte der ersten doppelbrechenden Probe für die drei Montmorillonitdispersionen bei
bestimmten ionischen Stärken I................................................................................................................ 8
Bildverzeichnis
Bild 1: Zylinder gefüllt mit NaCl-Dextran-Lösung und mit Tonsuspension gefüllten Membranen ................. 5

Vorwort
Das weite Anwendungsspektrum von Tonen ist auf ihre spezifischen Eigenschaften zurückzuführen, wie z.B.
Wasserbindevermögen, Quellung, hohe Adsorptionskapazität gegenüber anorganische und organischen
Stoffen, Abdichtungsvermögen, Thixotropie, Plastizität und nicht-newtonsches Fließverhalten.
Für ihren optimalen Einsatz sind aber weiterhin wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich, da einige
ihre Eigenschaften noch nicht gut verstanden sind, so z.B. die Gelbildung von Tonsuspensionen.
Das Ziel dieser Arbeit war es, dieses Problem genauer zu untersuchen, wobei Montmorillonitdispersionen
mit drei unterschiedlichen Größen der Tonmineralschichten untersucht wurden.
1. Einleitung
1.1. Tone und Tonminerale
Tone sind nicht verfestigte Sedimentgesteine, die aus Mineralpartikeln mit einem Durchmesser kleiner 20
µm bestehen. Die meisten dieser Partikel sind blättchenförmige silikatische Tonminerale mit einem
Durchmesser kleiner 2 µm. [1]
Tonminerale bestehen aus [SiO 4 ]-Tetraeder- und [M(O,OH) 6 ]-Oktaederschichten. Sie werden nach
folgenden Kriterien unterschieden, zum einen nach der Anzahl der Tetraeder- und Oktaederschichten, die ein
Tonmineral aufbauen, zum anderen nach der Besetzung der Oktaederplätze. Sind diese von zweiwertigen
Kationen besetzt, so bezeichnet man das Tonmineral als trioktaedrisch, sind sie von dreiwertigen Kationen
besetzt, so bezeichnet man das Tonmineral als dioktaedrisch. [1] Je nach Aufbau der Schichten unterscheidet
man Zweischichtminerale, bestehend aus einer Tetraeder- und einer Oktaederschicht, Dreischichtminerale,
aufgebaut aus einer Oktaederschicht zwischen zwei Tetraederschichten und Vierschichtminerale aus zwei
Tetraeder- und zwei Oktaederschichten. [2]
Bei den Dreischichtmineralen unterscheidet man zudem geladene und ungeladene Minerale. Die Ladung
entsteht durch Substitution der Si 4+ -Ionen in den Tetraedern durch Al 3+ -Ionen oder Fe 3+ -Ionen oder durch
Substitutionen der Oktaederplätze, wobei dreiwertige Kationen der dioktaedrischen Tonminerale durch
zweiwertige und zweiwertige Kationen der trioktaedrischen Tonminerale durch einwertige ersetzt werden.
Durch die Substitution entsteht eine negative Schichtladung, die durch Kationen in den Zwischenschichten
ausgeglichen wird. Für mittlere Schichtladungen können die Zwischenschichtkationen hydratisiert sein, was
zu einer Zunahme des Schichtabstandes führt. Daher werden diese Tonminerale als quellfähig bezeichnet. [2]
Montmorillonite sind dioktaedrische Tonminerale und die am häufigsten auftretenden Smektite, eine Gruppe
der quellfähigen Dreischichtminerale. Die negative Ladung der Schichten entsteht durch die Substitution
dreiwertiger Kationen in den Oktaedern durch Mg 2+ -Ionen. [2]
1.2. Kolloidale Tondispersionen
Wenn Schichtsilikate in Wasser oder eine verdünnte Elektrolytlösung gegeben werden, wird der
Schichtabstand so groß, dass die Schichten auseinander fallen und eine kolloidale Dispersion aus einzelnen
Schichten bzw. dünnen Schichtpaketen entsteht. [4]
Die Konzentration der Gegenionen (Kationen) im Dispersionsmedium nimmt exponentiell vom Tonmineral
zur umgebenden Lösung hin ab. Die Konzentration der Co-Ionen (Anionen) dagegen verhält sich genau
umgekehrt. [4]
Bei Null Kelvin würde es theoretisch eine Kationenschicht, die Stern-Schicht, um jedes Tonmineral geben.
Mit zunehmender Temperatur verlassen mehr und mehr Kationen die Stern-Schicht und bilden eine diffuse
Doppelschicht um das Tonmineral. Die Ausdehnung der Doppelschicht ist unter anderem abhängig von der
Elektrolytkonzentration der umgebenden Lösung. Je größer die Konzentration, desto dünner die diffuse
Doppelschicht. [4]
2

In einer kolloidalen Dispersion befindet sich die dispergierte Phase in einem Zustand höherer freier Energie
als im Reinzustand. Eine Energiebarriere verhindert den Übergang der dipsergierten Phase in einen Zustand
niedrigerer freier Energie und verhindert somit das Verschwinden der dispergierten Phase. [3]
Dies gilt auch für Tondispersionen mit geringen Elektrolytkonzentrationen. Mit zunehmender
Elektrolytkonzentration wird die diffuse Doppelschicht allerdings dünner und die Energiebarriere wird
kleiner. Ist letztere klein genug, können sich die dispergierten Tonschichten annähern und koagulieren,
wodurch das kolloidale System zerstört wird. [4]
1.3. Gelbildung
Quellfähige Tonminerale besitzen die Fähigkeit bei niedrigen Feststoffkonzentrationen ( typisch sind
Konzentrationen < 2 M-%) thixotrope Gele zu bilden. Trotz verschiedener Lösungsansätze (wie z.B.
Kartenhausstruktur aufgrund anziehender Kanten-Flächen Wechselwirkungen [4], abstoßende Flächen-
Flächen Wechselwirkungen [9] [10]) bleibt die genaue Struktur und Bildung der Gele unklar.
1.4. Vorausgegangene Studien
1.4.1. Studie synthetischer monodisperser Tonmineralsysteme (Laponite)
Mourchid et al. [5] haben das Phasendiagramm von wässrigen, kolloidalen Laponitdispersionen untersucht.
Laponit ist ein künstlicher Ton, der sehr gut klare und durchscheinende Gele bildet. [6] Die anisotropen
Tonschichten haben alle ungefähr einen Durchmesser von 300 Å und eine Dicke von10 Å.
Die Zustandsgleichung der Laponite wurde mit Hilfe von osmotischen Stress Experimente erstellt. Durch
rheologische Messungen wurde der Übergang und das erscheinen der „mechanischen“ Phase ermittelt.
Folgende Ergebnisse konnten gewonnen werden: [5]
• Die Feststoffkonzentration und die ionische Stärke sind zwei der Faktoren durch die das System
kontrolliert wird.
• Der Dispersions-Gel-Übergang erfolgt ohne eine makroskopische Separation der Phasen. Mit
zunehmender ionischer Stärke findet der Dispersions-Gel-Übergang bei niedrigeren
Feststoffkonzentrationen statt. (s.
• Abb. 1)
• Für niedrige Feststoffkonzentrationen nimmt der osmotische Druck zu, erreicht dann ein
Pseudoplateau, das die Dispersions- von der Gelphase trennt und steigt für höhere
Feststoffkonzentrationen wieder an, wobei der osmotische Druck umso kleiner ist, je größer die
Salzkonzentration ist (s.
• Abb. 2).
• Proben mit Feststoffkonzentrationen größer als die am Ende des Pseudoplateaus sind
doppelbrechend.
• Die Stelle dieser Sonderbarkeit in der Zustandsgleichung zeigt einen thermodynamischen Übergang
an, der mit dem des Phasenübergangs korrespondiert.
3

Abb. 1: Phasendiagramm des Dispersions-Gel-
Übergangs, Ergebnisse rheologischer (•) und
(o) osmotischer Messungen [5]
Abb. 2: Zustandsgleichung der Laponitsuspension für
verschiedene ionische Stärken: I = 10 -4 M (•), 5*10 -3 M (o)
und 10 -2 M (!). [5]
1.4.2. Studie eines natürlichen Tonminerals (Montmorillonite Wyoming)
Die Grundlage dieser Studienarbeit ist die Arbeit von Dominique Poly [7], die die Eigenschaften einer
kolloidalen Montmorillonit Wyoming Suspension untersuchte. Rheologische Experimente wurden mit
osmotischen Stress Experimenten kombiniert, sowie die doppelbrechenden Eigenschaften der Suspension
untersucht.
Es konnte beobachtet werden, dass der Dispersion-Gel-Übergang der Montmorillonitsuspension nicht
identisch mit dem der Laponitsuspension ist. Für die Montmorillonitsuspension tritt er bei höheren
Feststoffkonzentrationen auf und ist weniger von der ionischen Stärke abhängig.
Der Hauptunterschied zwischen den beiden Tonmineralen ist die Größe ihrer elementaren Tonschichten, die
des Montmorillonits sind im Gegensatz zu denen des Laponits unterschiedlich groß. Um den Einfluss der
Anisotropie auf die Dispersions- und Geleigenschaften zu untersuchen, wurde die Montmorillonitsuspension
mehrmals zentrifugiert und drei Suspensionen mit unterschiedlich großen Tonmineralschichten gewonnen.
Erste Untersuchungen zeigten, dass die Partikelgröße auf das Verhalten der Tonsuspension einen großen
Einfluss hat.
Dieses Phänomen sollte in dieser Studie weiter untersucht werden und zwar unter folgenden
Aufgebestellungen:
• Erzeugen der thermodynamischen Zustandsgleichungen für jede der drei Suspensionen.
• Eine vollständige Charakterisierung der rheologischen Eigenschaften der erhaltenden Proben.
• Untersuchung der doppelbrechenden Eigenschaften der Proben.
4

2. Durchführung
Der für die Untersuchungen verwendete Ton war ein Na + -reicher Montmorillonit Wyoming, im folgenden
SWy2 abgekürzt (Smektit Wyoming, 2 ist eine Sequenznummer). Er wurde über die “Clay Minerals
Society” bezogen. [8]
Durch Zentrifugieren der Montmorillonitdispersion wurden drei Dispersionen mit unterschiedlich großen
Tonmineralschichten gewonnen, im Folgenden SWy2 Gel1, SWy2 Gel2, SWy2 Gel3 genannt. Die
durchschnittlichen Schichtgrößen betrugen 412 nm (SWy2 Gel1), 296 nm (SWy2 Gel2)und 75 nm (SWy2
Gel3).
Die Konzentrationen der drei Suspensionen betrugen jeweils 12 g/l.
Für die osmotischen Stress Experimente wurden NaCl-Dextran-Lösungen sowohl mit unterschiedlichen
Dextrankonzentrationen (ein Zucker) als auch mit unterschiedlichen NaCl-Konzentrationen hergestellt.
Die Tonsuspensionen wurden in Membranen gefüllt. Diese wurden mit Clips oder Fäden so verschlossen,
das möglichst keine Luft mehr in der Membran war, so dass diese in der NaCl-Dextran-Lösung nicht
aufschwammen. Die gefüllten Membranen wurden anschließend in Standzylinder, gefüllt mit einer NaCl-
Dextran-Lösung, gegeben und mit Parafilm verschlossen, um Evaporation und Kontamination der NaCl-
Dextran-Lösung vor allem mit Piltzen, aber auch mit Bakterien, zu verhindern. Die Zylinder wurden für vier
Wochen im dunklen gelagert.
Bild 1 zeigt gefüllte Membranen in der Na-Cl-Dextran-Lösung.
Parafilm
Zylinder mit NaCl-Dextran-Lösung
Clip
Membranen mit Tonsuspension
Bild 1: Zylinder gefüllt mit NaCl-Dextran-Lösung und mit Tonsuspension
gefüllten Membranen
Nach vier Wochen, nachdem sich ein Gleichgewicht zwischen der NaCl-Dextran-Lösung und den
Tonsuspensionen eingestellt hatte, wurden die Membranen aus der NaCl-Dextran-Lösung genommen. Die
Suspension wurde in kleine Gefäße umgefüllt und luftdicht mit Parafilm verschlossen. Aus der NaCl-
Dextran-Lösung wurden Proben genommen, um den endgültigen osmotischen Druck der Lösung mittels
HPLC zu bestimmen.
Die Suspensionen wurden hinsichtlich ihres Feststoffgehaltes und ihres rheologischen und optischen/
doppelbrechenden Verhaltenes untersucht.
5

3. Ergebnisse
3.1. Thermodynamische Zustandsgleichung
Um den Einfluss der Schichtgröße der Montmorillonitminerale zu untersuchen, wurde der osmotische Druck
in Abhängigkeit von der Feststoffkonzentrationen bei bestimmten ionischen Stärken für die drei
Montmorillonitsuspensionen SWy2 Gel1, SWy2 Gel2 und SWy2 Gel3 dargestellt. Der Verlauf der Kurven
war für jede ionische Stärke ähnlich, so dass hier nur exemplarisch das Diagramm für die ionische Stärke E-
5 mol/l abgebildet ist. (s. Abb. 3)
E-5 SWy2
Gel1 Gel2 Gel3
osmotischer Druck [Pa]
4000
3000
2000
1000
0
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00
Feststoffgehalt [g/l]
Abb. 3: osmotischer Druck in Abhängigkeit von der Feststoffkonzentration für die drei Montmorillonitsuspensionen bei
einer ionischen Stärke von E-5 mol/l
Für niedrige Feststoffkonzentrationen steigt der osmotische Druck an, wobei für den gleichen osmotischen
Druck die Feststoffkonzentration für SWy2 Gel1 niedriger ist als die für SWy2 Gel2, dessen
Feststoffkonzentration wiederum niedriger ist als die für SWy2 Gel3.
Innerhalb des Pseudoplateaus ist eine Unterscheidung der drei Suspensionen nicht möglich. Für alle drei
Suspensionen hat der osmotische Druck einen Wert von ca. 500 Pa.
Am Ende des Pseudoplateaus und in dem folgenden Bereich nimmt der osmotische Druck mit zunehmender
Feststoffkonzentration zu. Für den selben osmotischen Druck hat SWy2 Gel3 die kleinste
Feststoffkonzentration und SWy2 Gel1 die größte. Das Verhalten ist also umgelehrt im Vergleich zum ersten
Bereich.
3.2. Rheologie
Die rheologischen Eigenschaften der Proben wurden untersucht, in dem auf die Proben ein konstanter Druck
ausgeübt wurde und die Rotationsfrequenz des Rhemoterkegels variierte.
Der Elastizitätsmodul G’ wurde in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen. Die Diagramme wurden für
alle drei Suspensionen bei allen ionischen Stärken erstellt. Hier ist nur das Diagramm für SWy2 Gel1 bei
einer ionischen Stärke von E-2 mol/l abgebildet (s. Abb. 4).
Wenn es sich bei der zu untersuchenden Dispersion um ein Gel handelt, so ist G’ mehr oder weniger
konstant und mindestens eine Zehnerpotenz größer als das Viskositätsmodul G’’. Letzteres wurde
beobachtet, hier aber nicht abgebildet.
In dem oben abgebildeten Beispiel ist G’ für eine Tonkonzentration >22,5 g/l annähernd konstant.
6

SWy2 Gel1 E-2
100000
G' [Pa]
10000
1000
100
10
1
22,5 g/l
32,1 g/l
43,1 g/l
38,6 g/l
53,1 g/l
59,3 g/l
59,8 g/l
0,1
0,01 0,1 1 10
Frequenz [Hz]
Abb. 4: G’ in Abhängigkeit von der Frequenz für verschiedene Feststoffkonzentrationen von SWy2 Gel1 und einer
ionischen Stärke von E-2 mol/l
Um die Gelbildung der Dispersionen genauer zu untersuchen, wurde G’ für alle Proben bei allen ionischen
Stärken gegen die Feststoffkonzentration aufgetragen. C 0 , die Schwellenfeststoffkonzentration, wurde
ermittelt, indem die Kurven von G’ gegen (C-C 0 ) einer Montmorillonitdipsersion bei allen ionischen Stärken
überlagert wurden.
Dies ist beispielhaft für SWy2 Gel1 in Abb. 5 dargestellt.
1,4 10 4 0 5 10 15 20 25 30 35
G' at 1 Hz (Pa)
1,2 10 4
1 10 4
8000
6000
4000
10 -5 C
0
=24
10 -4 C
0
= 23.5
10 -3 C
0
= 25.5
10 -2 C
0
= 27
y = 3,7834 * x^(2,2549) R= 0,99713
y = 1,1086 * x^(2,6408) R= 0,9366
y = 0,36051 * x^(3,0068) R= 0,99422
y = 4,1576 * x^(2,2706) R= 0,99492
2000
0
C-C 0
(g/l)
Abb. 5: G’ in Abhängigkeit von (C-C 0 ) für SWy2 Gel1 bei verschiedenen ionischen Stärken
7

Wie bereits für die Laponitdispersionen zu beobachten war, können die Kurven durch folgendes Gesetz
beschrieben werden:
G’(0) = A(C-C 0 ) α (1) [5]
Der Exponent α liegt für die Montmorillonitdispersionen zwischen zwei und drei. Für Laponitdispersionen
ist α = 2,35, so dass man vermuten kann, dass dieses Verhalten typisch ist für viele quellfähige Tonminerale.
3.3. Doppelbrechung
Allgemein war zu beobachten, dass, wenn eine Probe einer bestimmten Dispersion bei einer bestimmten
ionischen Stärke doppelbrechend war, alle folgenden Proben der gleichen Dispersion bei der gleichen
ionischen Stärke mit höherem Feststoffgehalt ebenfalls doppelbrechend waren.
Tab. 1 zeigt die Feststoffgehalte der ersten doppelbrechenden Proben je Montmorillonitdispersion für
bestimmte ionische Stärken.
I [mol/l] SWy2 Gel1 [g/l] SWy2 Gel2 [g/l] SWy2 Gel3 [g/l]
E-2 38,6 25,9 15,8
E-3 40,7 32,3 16,4
E-4 25,8 30,9 18,7
E-5 24,9 28,3 15,6
Tab. 1: Feststoffgehalte der ersten doppelbrechenden Probe für die drei Montmorillonitdispersionen bei bestimmten
ionischen Stärken I
Für SWy2 Gel1 und SWy Gel2 ist die Feststoffkonzentration der ersten doppelbrechenden Probe bei I= E-2
mol/l kleiner als bei I = E-3 mol/l. Für alle ionischen Stärken kleiner E-2 mol/l nimmt die
Feststoffkonzentration der ersten doppelbrechenden Probe mit abnehmender ionischer Stärke ab.
Für SWy2 Gel3 nimmt die Feststoffkonzentration der ersten doppelbrechenden Probe mit abnehmender
ionischer Stärke zu. Außer bei einer ionischen Stärke von E-5 mol/l nimmt der Feststoffgehalt wieder ab und
ist ähnlich dem bei I = E-2 mol/l.
8

4. Diskussion
Abb. 6 stellt das rheologische Phasendiagramm der drei Montmorillonitdispersionen dar.
Der Feststoffgehalt bei dem der Dispersions-Gel-Übergang erfolgt wird durch die Schwellenkonzentration
C 0 gegeben.
sol-gel-transition
ionic strength [mol/l
1
0 10 20 30 40 50
flocs
0,1
0,01
0,001
0,0001
Swy2 Gel1
SWy2 Gel2
SWy2 Gel3
0,00001
clay content (C0) [g/l]
Abb. 6: Rheologisches Phasendiagramm für die drei Montmorillonitdispersionen
Für SWy2 Gel2 und SWy2 Gel3 ist eine Richtungsänderung des Anstiegs der Kurven, die den Dispersions-
Gel-Übergang darstellen, zu beobachten. Diese Änderung konnte auch für Laponitdispersionen beobachtet
werden. Im Falle der Montmorillonitdispersionen ist die Änderung aber weniger stark ausgeprägt, was
eventuell auf die höhere Anisotropie des Montmorillonits zurückzuführen ist oder auf eventuelle
Mikrokoagulation der Partikel bei hohen ionischen Stärken.
Die Kurve für SWy2 Gel1 zeigt dagegen für alle ionischen Stärken einen positiven Anstieg.
Es ist zu erkennen, dass je größer die Tonminerale sind, desto größer ist die Feststoffkonzentration C 0 , bei
der der Dispersion-Gel-Übergang erfolgt.
Der Einfluss der Tonmineralgröße wird deutlicher, wenn man sich Abb. 7 betrachtet, in der die Werte des
Dispersion-Gel-Übergangs gegen die durchschnittliche Tonmineralgröße aufgetragen sind. Es scheint, dass
der Dispersions-Gel-Übergang linear von der Tonmineralgröße abhängig ist.
Einfluss der Schichtgröße
Dispersion-Gel-Übergang [g/l]
30
25
20
15
10
5
0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
durchschnittliche Größe der Tonmineralschichten [nm]
E-2 mol/l
E-3 mol/l
E-4 mol/l
E-5 mol/l
Abb. 7: Einfluss der Größe der Tonmineralschichten
9

Abb. 8 zeigt das Phasendiagramm von SWy2 Gel1, in dem die Ergebnisse der rheologischen und
thermodynamischen Untersuchungen sowie der Doppelbrechung zusammengestellt wurden.
Phasendiagramme wurden auch für SWy2 Gel2 und SWy2 Gel3 erstellt, diese hier aber nicht abgebildet.
phase diagram SWy2 Gel1
ionic strength [mol/l]
1
0 10 20 30 40 50 60
flocs
0,1
0,01
0,001
sol gel
0,0001
start of palteau
first birefringent sample
end of plateau
C0
0,00001
clay content [g/l]
Abb. 8: Phasendiagramm von Swy2 Gel1
Für die drei Dispersionen stimmen die Werte für C 0 ungefähr mit den Werten des Feststoffgehaltes für den
Beginn des Pseudoplateaus überein. Die Schwellenwertkonzentration C 0 kann folglich gut mit Hilfe des
Diagramms der thermodynamischen Zustandsgleichung geschätzt werden und beide sind gute Indikatoren
für die Feststoffkonzentration bei der der Dispersions-Gel-Übergang erfolgt. Ähnliche Ergebnisse wurden
auch für Laponit beobachtet. Dies zeigt, dass der Dispersion-Gel-Übergang mit der Thermodynamik
verbunden ist.
Laponitdispersionen waren doppelbrechend für Feststoffkonzentration die denen des zweiten Anstiegs des
osmotischen Drucks in der thermodynamischen Zustandsgleichung entsprachen. Dies zeigte den Übergang
von einem isotropen zu einem nematischen Gel an. Aus den Phasendiagrammen der
Montmorillonitdispersionen ist erkennbar, dass der Feststoffgehalt der ersten doppelbrechenden Probe nicht
mit dem Feststoffgehalt am Ende des Pseudoplateaus übereinstimmt. Die Feststoffkonzentration der ersten
dopplebrechenden Probe ist in fast allen Fällen kleiner als die am Ende des Pseudoplateaus. In einigen Fällen
ist sie identisch mit der Feststoffkonzentration des Dispersions-Gel-Überganges oder sogar kleiner, d.h. das
auch Proben im Dispersionszustand doppelbrechend sein können.
Die Betrachtung der Resultate zeigt, dass die Unterscheidung zwischen isotropen und nematischen Gel
ungesicherter erscheint.
5. Zusammenfassung
Das Ziel dieser Studie war es, den Einfluss der Tonmineralgröße auf die Gelbildung einer
Montmorillonitdispersion zu untersuchen. Hiefür wurden drei Suspensionen mit drei unterschiedlichen
durchschnittlichen Schichtgrößen erzeugt.
Diese Arbeit basierte unter anderem auf Studien mit Laponitdispersionen, ein gut untersuchter synthetischer
Ton.
Wie für Laponitdispersionen konnten auch für die drei Montmorillonitdispersionen drei Bereiche der
thermodynamischen Zustandsgleichung unterschieden werden.
Für Laponit zeigte der Beginn des Pseudoplateaus den Dispersion-Gel-Übergang an und dessen Ende den
Übergang vom isotropen zum nematischen Gel.
10

Für Montmorillonit stimmt die Schwellenkonzentration, die den Dispersion-Gel-Übergang anzeigt, mit dem
Beginn des Pseudoplateaus überein. Diese Verhalten scheint also typisch für viele quellfähige Tone zu sein.
Im Gegensatz dazu, kann beim Montmorillonit die Doppelbrechung als Indikator für den Übergang von
einem isotropen zu einem nematischen Gel nicht beobachtet werden. Proben des Pseudoplateaus und sogar
des Dispersionszustandes können doppelbrechend sein.
In dieser Arbeit wurde nur eine Schichtladung untersucht. Um eine allgemeingültigere Vorstellung von dem
Verhalten natürlicher Tone und den Einflussfaktoren ihres Verhaltens zu bekommen, sind weiter
Untersuchungen mit anderen Tonmineralen (, die eine andere Schichtladung haben,) notwendig.
6. Literaturangabe
[1] G. Lagaly, H. M. Köster (1993): Tone und Tonminerale in Tonminerale und Tone: Struktur,
Eigenschaften, Anwendungen und Einsatz in Industrie und Umwelt; Hrsg. K. Jasmund, G. Lagaly;
Steinkopf Verlag Darmstadt; S.1-32
[2] H. M. Köster, U. Schwertmann (1993): Beschreibung einzelner Tonminerale in Tonminerale
und Tone: Struktur, Eigenschaften, Anwendungen und Einsatz in Industrie und Umwelt; Hrsg. K.
Jasmund, G. Lagaly; Steinkopf Verlag Darmstadt; S. 33-88
[3] D. H. Everett (1988): basic principles of colloid sience; The Royal Society of Chemistry;
London
[4] G. Lagaly (1993): Reaktionen von Tonmineralen in Tonminerale und Tone: Struktur,
Eigenschaften, Anwendungen und Einsatz in Industrie und Umwelt; Hrsg. K. Jasmund, G. Lagaly;
Steinkopf Verlag Darmstadt; S.89-167
[5] A. Mourchid, A. Delville, J. Lambard, E. Lécolier and P. Levitz: phase diagram of colloidal
dispersions of anisotropic charged particles: equilibrium properties, structures, and rheology of
laponite suspensions; Langmuir 1995, 11, 1942-1950
[6] G. Lagaly (1993): Praktische Verwendung von Einsatzmöglichkeiten von Tonen in Tonminerale
und Tone: Struktur, Eigenschaften, Anwendungen und Einsatz in Industrie und Umwelt; Hrsg. K.
Jasmund, G. Lagaly; Steinkopf Verlag Darmstadt; S.358-427
[7] D. Poly (2002): Propriétés colloïdales des suspensions argileuses ; rapport DEA géosciences de
l’environnement de 3 ème année à l’ENSG d’ INPL, Nancy
[8] http://cms.lanl.gov/sourceclays.htm
[9] I.C. Callaghan, R. Ottewill: interparticle forces in montmorillonite gels; Faraday Discuss. Chem.
Soc., 1974, 57, p. 110-118.
[10] J.D.F. Ramsay,P. Lindner: small angle neutron scattering investigations of the structure of
thixotropic dispersions of smectite clay colloids; J. Chem.Soc. Faraday Trans., 1993, 89, p. 4207-
4214
11