Studies in the rheology of clay-water systems

Abstract

The swelling of a series of sodium montmorillonite clays, and the thixotropy and gel strength of the clay sols, has been studied as a function of solids content, and the effects of varying p_H, exchangeable sodium content, shape and size of the dispersed particles have been investigated.

The sol-gel transformation follows the kinetics of a sixth order reaction with respect to solids content; and the rate of gelation depends on the size and shape of the dispersed clay platelets. The optimum gel strength of heterocoagulated systems varies as the sixth power of the solids content (c), and of intrinsic viscosity [η]; and the strongest gels at constantc[η] values are obtained with systems of large well-formed platelets. Needles and fluffy particles lead to lower gel strengths.

A simple geometric model has been postulated to explain the experimental data, based on Hermans' hypothesis, that in thixotropic gels the strength of all the junction points is appreciably constant, and that the optimum gel strength depends mainly on the number of junction points.

Zusammenfassung

Es wurde die Quellung einer Reihe von Natrium-Montmorilloniten sowie die Thixotropie und Gel-Festigkeit von Ton-Solen als Funktion der Konzentration der festen Phase geprüft, ferner die Auswirkungen von P_H-Variationen, austauschbarem Natriumgehalt, Gestalt und Größe der dispergierten Teilchen untersucht.

Der Sol- und Gel-Übergang folgt den Regeln einer Reaktion 6. Ordnung in bezug auf den Gehalt an festem Anteil. Die Geschwindigkeit der Gelierung hängt von Größe und Gestalt der dispergierten Ton-Plättchen ab. Die optimale Gelfestigkeit von einem hetero-disperskoagulierten System variiert mit der 6. Potenz der Konzentration an festem Anteil und mit der Intrinsic-Viskosität (η). Die festesten Gele bei konstanten Werten von c, (η) werden mit Systemen von großen, gut geformten Plättchen erhalten. Nadeln und flockige Teilchen führen zu weniger großen Gelfestigkeiten.

Ein einfaches geometrisches Modell wird vorgeschlagen, um die experimentellen Daten zu erklären, das auf der Grundlage von Hermans Hypothese beruht, daß in thixotropen Gelen die Festigkeit aller Bindungspunkte im wesentlichen konstant ist und daß die Gelfestigkeit hauptsächlich von der Zahlder Bindungspunkte abhängt.