کائولینیت این ماده معدنی مهم صنعتی، یک کانی سیلیکات لایه ای است و در ساختار مولکولی اش دارای یک ورقه سیلیکای چهار ضلعی (SiO) می باشد که از طریق اتم های اکسیژن به یک ورق هشت ضلعی آلومینا (AlO) متصل می شود.
سنگ هایی که سرشار از کائولینیت هستند به عنوان کائولن یا رس چین شناخته می شوند. کائولینیت دارای ظرفیت انقباض، متورم شدن و همچنین ظرفیت تبادل کاتیونی کم (۱ تا ۱۵ میکروگرم/۱۰۰ گرم) است.
این یک ماده معدنی نرم، خاکی، معمولاً سفید (خاک رس فیلوسیلیکات دوقطبی) می باشد که توسط هوازدگی شیمیایی مواد معدنی سیلیکات آلومینیوم مانند فلدسپات تولید می شود و دارای شماره ۷-۷۴-۱۳۱۸ :CAS می باشد.
ساختار کائولینیت
ساختار کائولینت ، پیوندهای هیدروژنی بین لایه را نشان می دهد که در مقایسه با سایر مواد معدنی خاک رس، از نظر شیمیایی و ساختاری ساده است. این ماده به عنوان کانی رس ۱: ۱ یا TO توصیف می شود زیرا کریستال های آن از لایه های چیده شده TO تشکیل شده است.
هر لایه TO شامل یک ورق چهار ضلعی (T) است که از یون های سیلیکون و اکسیژن متصل به یک ورق هشت وجهی (O) متشکل از یون های اکسیژن، آلومینیوم و هیدروکسیل تشکیل شده است. ورق T به این دلیل نامیده می شود که هر یون سیلیکون توسط چهار یون اکسیژن احاطه شده و یک چهار گوش را تشکیل می دهد.
ورق O به این دلیل نامیده می شود که هر یون آلومینیوم توسط شش یون اکسیژن یا هیدروکسیل در گوشه های یک هشت گوش احاطه شده است. دو ورقه در هر لایه از طریق یون های اکسیژن مشترک به شدت به هم پیوند خورده اند، در حالی که لایه ها از طریق پیوند هیدروژنی بین اکسیژن در سطح خارجی ورق T یک لایه و هیدروکسیل در سطح بیرونی ورق O لایه بعدی پیوند می خورند.
تحولات ساختاری
رس های گروه کائولینیت تحت عملیات حرارتی هوا در فشار اتمسفر، تحت یک سری تغییرات فازی قرار می گیرند. آسیاب کردن کائولینیت منجر به تشکیل یک فاز آمورفیزه مکانیکی مشابه متاکائولین می شود، اگرچه خواص این جامد کاملاً متفاوت است و انرژی زیادی برای تبدیل کائولینیت به متاکائولین مورد نیاز می باشد.
در دمای زیر ۱۰۰ درجه سانتی گراد، و قرار گرفتن در معرض هوای خشک به آرامی آب مایع را از کائولن خارج می کند. حالت نهایی این تحول “خشک چرم” نامیده می شود. بین ۱۰۰ درجه سانتیگراد و حدود ۵۵۰ درجه سانتی گراد، هرگونه آب مایع باقی مانده از کائولینیت خارج می شود.
حالت نهایی این تحول “خشک شدن استخوان” نامیده می شود. در سراسر این محدوده دمایی، دفع آب برگشت پذیر است: اگر کائولن در معرض آب مایع قرار گیرد، دوباره جذب می شود و به شکل ذرات ریز خود تجزیه می شود. تحولات بعدی برگشت پذیر نیستند و نشان دهنده تغییرات شیمیایی دائمی هستند.
متاکائولین
کم آبی ناشی از گرمازدگی کائولینیت در دمای ۵۵۰-۶۰۰ درجه سانتی گراد شروع می شود و متاکائولین نامنظمی ایجاد می کند، اما از دست دادن مداوم هیدروکسیل تا دمای ۹۰۰ درجه سانتی گراد مشاهده می شود.
اگرچه از لحاظ تاریخی اختلاف نظر زیادی در مورد ماهیت مرحله متاکائولین وجود داشت، اما تحقیقات گسترده منجر به یک اجماع عمومی شد که متاکائولین مخلوط ساده ای از سیلیس آمورف (SiO۲) و آلومینا (Al۲O۳) نمی باشد و یک ساختار آمورف پیچیده است که به دلیل انباشته شدن لایه های شش ضلعی آن، نظمی طولانی تر (اما نه کاملاً بلوری) را حفظ می کند.
اسپینل
حرارت بیشتر در دمای ۹۲۵-۹۵۰ درجه سانتیگراد، متاکائولین را به اسپینل آلومینیوم-سیلیکون تبدیل می کند که گاهی اوقات به عنوان ساختار نوع گاما آلومینا نیز نامیده می شود:
مولیت پلاتلت
پس از کلسیناسیون بالای ۱۰۵۰ درجه سانتی گراد، فاز اسپینل هسته می شود و به مولیت پلاکت و کریستوبالیت بسیار کریستالی تبدیل می شود:
مولیت سوزنی
سرانجام، در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتی گراد، شکل “سوزنی” مولایت ظاهر می شود که افزایش قابل توجهی در مقاومت ساختاری و مقاومت در برابر حرارت ارائه می دهد. این یک تحول ساختاری است اما شیمیایی نیست.
پیدایش و سنتز
وقتی بخواهیم تشکیل کائولنیت را در شرایط جوی با برون یابی داده های ترمودینامیکی از سنتزهای موفق تر درجه حرارت بالا توضیح دهیم، با مشکلات روبرو می شویم. لا ایگلسیا و وان اوستروایک-گاستوچه (۱۹۷۸) تصور می کردند که شرایط هسته ای شدن این ماده را می توان از نمودارهای پایداری بر اساس داده های انحلال استنباط کرد.
به دلیل عدم دستیابی به نتایج قانع کننده در آزمایشات خود، مجبور شدند به این نتیجه برسند که عوامل دیگری که هنوز ناشناخته هستند در هسته دمای پایین کائولینیت دخیل هستند. به دلیل مشاهده میزان تبلور بسیار کند کائولینیت از محلول در دمای اتاق، فریپیات و هربیلون (۱۹۷۱) وجود انرژی های فعالسازی بالا را در هسته دمای پایین کائولینیت فرض کردند.
در دماهای بالا، به نظر می رسد مدل های ترمودینامیکی تعادلی برای توصیف انحلال و هسته دهی کائولینیت رضایت بخش هستند، زیرا انرژی حرارتی برای غلبه بر موانع انرژی دخیل در فرایند هسته زایی کافی است. اهمیت سنتزها در دمای محیط و فشار اتمسفر برای درک مکانیسم دخیل در هسته گذاری مواد معدنی خاک در غلبه بر این موانع انرژی نهفته است.
موارد استفاده از کائولینیت
استفاده اصلی از کائولینیت معدنی (حدود ۵۰ درصد از مواقع) تولید کاغذ است. استفاده از آن براق بودن برخی از درجه های کاغذ روکش دار را تضمین می کند. کائولن همچنین به دلیل قابلیت های خود در القا و تسریع لخته شدن خون شناخته شده است.
در آوریل ۲۰۰۸ میلادی، موسسه تحقیقات پزشکی نیروی دریایی ایالات متحده استفاده موفقیت آمیز از تزریق آلومینوسیلیکات مشتق از کائولینیت را در گازهای سنتی، که از نظر تجاری با نام QuikClot Combat Gauze شناخته می شود، اعلام کرد که هنوز همستات انتخابی برای همه شاخه های ارتش ایالات متحده است.
کائولن در سرامیک (جزء اصلی چینی است)، در خمیر دندان، به عنوان یک ماده پخش کننده نور در لامپ های رشته ای سفید، در لوازم آرایشی، در مواد عایق صنعتی به نام Kaowool (نوعی پشم معدنی)، در کرم های محافظ پوست قبل از کار، در رنگ برای گسترش دی اکسید تیتانیوم (TiO) و موارد بسیار دیگری به کار برده می شود.
این ماده در کشاورزی ارگانیک به عنوان اسپری روی محصولات برای جلوگیری از آسیب حشرات و در مورد سیب، برای جلوگیری از سوزش آفتاب استفاده می شود.
ایمنی در کاربرد
گاهی انسان ها برای سلامتی یا سرکوب گرسنگی کائولن می خورند! روشی که به ژئوفاژی معروف است که مصرف آن در بین زنان، به ویژه در دوران بارداری بیشتر می باشد. این عمل همچنین در جمعیت کمی از زنان آمریکایی آفریقایی تبار در جنوب ایالات متحده مشاهده شده است، در آنجا به کائولن خاک سفید، گچ یا خاک رس سفید می گویند.
افراد می تواننداز طریق تنفس پودر یا تماس چشمی در محل کار در معرض کائولن قرار بگیرند. اداره ایمنی و بهداشت شغلی (OSHA) محدودیت قانونی وحد مجاز قرار گرفتن در معرض کائولن در محل کار را ۱۵ میلی گرم در متر مکعب در متر مکعب کل و ۵ میلی گرم در متر مکعب قرار گرفتن در معرض تنفس در یک روز کاری ۸ ساعته تعیین کرده است.
نتایج تحقیقات نشان می دهد که استفاده از کائولینیت در مهندسی ژئوتکنیک می تواند جایگزین ایلیت ایمن تری شود، به ویژه اگر حضور آن کمتر از ۱۰/۸٪ از کل توده سنگ باشد.