自進了2支海泡石煙斗后,開始對海泡石的各種問題糾結(jié)不斷,粉斗和石斗的風波未平,又開始對海泡石的發(fā)色鉆起了牛角尖。翻閱了論壇上有關(guān)海泡石發(fā)色的探討和技巧帖子,同時又查閱了網(wǎng)上與海泡石材料相關(guān)的文章,現(xiàn)把自己對海泡石微觀結(jié)構(gòu)與煙斗吸水發(fā)色關(guān)系的摘錄以及粗淺理解貼上來,供斗友參考談論:

1)石斗發(fā)色各不相同:與海泡石晶體結(jié)構(gòu)及其它礦物含量有關(guān)

2)在斗柄首先發(fā)色:水氣含量、石斗溫度和有關(guān)

3)斗缽外壁發(fā)色:除了與2相關(guān)的因素外,還與海泡石脫色分散性能以及上蜂蠟溫度有關(guān)

一,首先說物理化學性能從網(wǎng)絡上摘錄了海泡石部分物理化學性能的描述歸納如下:

1)外觀:顏色多變,有白色、淺黃、淺灰、黑綠,條呈白色,不透明,觸感光滑且粘舌

2)硬度:莫氏硬度在2~2.5之間

3)耐高溫:在350度的高溫下,結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化,耐高溫性能達1500-1700度

4)吸咐性:吸收大于自身重量150%的水

5)體質(zhì)輕,密度為1~2.2g/cm3

6)收縮率低,可塑性好,能溶于鹽酸

7)海泡石具有極強的吸附、脫色和分散等性能

8)造型性、絕緣性、抗鹽度都非常好

二,石斗發(fā)色各不相同

海泡石屬斜方晶系或單斜晶系,屬層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂硅酸鹽礦物。在鏈狀結(jié)構(gòu)中也含有層狀結(jié)構(gòu)類型的小單元,屬2∶1型。它們所不同的是這種單元層與單元層之間的孔道不同。海泡石的單元層孔洞可加寬到3.8×9.8?[8],最大者可以5.6×11.0?[6],即可容納更多的水分子(即沸石水)。
同時,又因它的三維立體鍵結(jié)構(gòu)和Si-O-Si鍵把細鏈拉在一起,使其具沿一向延長的特殊晶形,故顆粒呈棒狀。結(jié)構(gòu)中所構(gòu)成的開式溝樞與晶體長軸平行,這種溝樞對極性分子的吸附性能極強。

在海泡石的巨大納米孔中主要存在8個沸石水和4個結(jié)構(gòu)水,而4個羥基水(OH)存在于三八面體結(jié)構(gòu)中。從這三種水的在晶體結(jié)構(gòu)中的位置就可以判斷出,羥基水是最難排除的,實際熱分析結(jié)果也是如此[ 3][14]。最易排除的是沸石水,而結(jié)構(gòu)水一般分兩步排除,排除溫度一般在200-350℃和350-500℃
天然海泡石,根據(jù)其成礦形態(tài)特征,可分為熱液型海泡石和沉積型海泡石兩種。熱液型海泡石,纖維狀結(jié)構(gòu)發(fā)育比較完整,粗大,含量高,宏觀層狀結(jié)構(gòu)明顯;常呈石棉狀,規(guī)模較小。在圖中,可以看到比較純的發(fā)育較好的海泡石纖維結(jié)構(gòu),比較規(guī)則地排列,在低分辨率下,呈粗大地束狀集中:

而沉積型海泡石礦纖維狀結(jié)構(gòu)細小,呈毛發(fā)狀、針狀,宏觀上礦物呈層狀和塊狀。海泡石常呈土狀,規(guī)模較大,灰色或灰白色。比重輕,干粉末可漂浮于水面,以舌舔之具有強的吸著感,投入水中吸水甚速,并呈漿糊狀,粘性極強。海泡石粘土在偏光顯微鏡下 呈浪狀結(jié)構(gòu)。在圖中,可以看到明顯的毛發(fā)狀海泡石纖維結(jié)構(gòu),纖維細小,并與其他礦物粘合在一起,這是典型的粘土海泡石礦物:

根據(jù)上面的描述,可以判斷用于煙斗的海泡石是沉積型海泡石,即纖維結(jié)構(gòu)發(fā)育不完全,且與其它礦物結(jié)合在一起,所以我推測,如果石斗纖維含量高且分布均勻的海泡石應該吸水性好、石質(zhì)細膩,而且發(fā)色可能會更均勻;反之,含其它礦物多的石斗可能材質(zhì)較粗糙且發(fā)色不易均勻;另外,如果雜志中含有海洋生物礦石較多的石斗,產(chǎn)生腥味的可能較大。
三,在斗柄首先發(fā)色大家知道石斗發(fā)色的本質(zhì)就是煙草燃燒產(chǎn)生的有色微粒,被帶入石斗并在石斗中傳遞導致,那么影響這一物理化學變化的主要因素是什么?這些因素是怎樣產(chǎn)生作用?哪些是關(guān)鍵因素?

我們先看溫度這個因素,煙草燃燒除產(chǎn)生煙氣微粒外還帶來溫度的上升,在網(wǎng)上搜索了一下,有關(guān)煙草溫度描述如下:卷煙830度-900度左右、純手工卷制雪茄煙700度-780度左右、半葉卷雪茄煙750度-830度左右、機卷雪茄煙800度-880度左右。所以猜測斗內(nèi)煙草燃燒時的溫度范圍可能是750度-900度,那么在這種溫度下,海泡石的物理化學性能將產(chǎn)生怎樣的變化?下面的一組試驗數(shù)據(jù)非常有趣,通過這些數(shù)據(jù)我們基本可以對海泡石在不同溫度和濕度條件下的吸水、失水性能有一個大概的了解。
在工業(yè)加工海泡石過程中有一個活化加工過程,海泡石的活化大致上可以分為兩大類,一類是反應生成方法(化學方法),一種是機械處理方法(物理方法)。化學方法可使其內(nèi)部結(jié)晶組織和化學成分發(fā)生變化;物理方法能改變其幾何形狀、孔隙率和比表面積。這里我們主要談物理方法中的熱活化,我猜測這和抽斗時或上蜂蠟時對海泡石的加熱效果類似,先看下圖:

海泡石纖維的活化溫度跟比表面積、孔容和孔徑的關(guān)系如圖3所示。實驗結(jié)果表明活化在100℃以內(nèi),孔徑基本無變化,而比表面積和孔容增加,此時水分子從孔里或空隙間逸出,使得堵塞孔開放,則孔分布增加,比表面積和孔容增大。100~150℃比表面積和孔容繼續(xù)增大,而孔徑略有下降,導致此原因是由于纖維孔及空間隙中大量水分子產(chǎn)生熱運動,擁擠到徑口使得徑口顯得狹小。活化溫度超過150℃后,孔內(nèi)和孔間隙里水分子開始減少,出口水分子濃度降低,孔徑增大。當200℃時沸石水和孔間水基本全部失去,此時比表面積和孔容最大,吸附性最強。200~250℃比表面積基本相等,吸附性也基本相等,孔容和孔徑下降。250℃以后孔徑繼續(xù)增大,而比表面積和孔容都減小,即吸附性下降。由此可以看出海泡石的孔徑過大或過小(以致于閉合),不能使比表面積最大,導致吸附性變?nèi)?要想達到最大吸附性(即最大比表面積)活化溫度必須控制在200~250℃之間為宜。
我不知道石斗在點燃煙草時徑向的溫度分布,原則上內(nèi)壁溫度最高外壁最低,且剛開始燃燒煙草時溫度會由內(nèi)向外變化。從圖中可以推測由于石斗的溫度分布不同,同一石斗沿徑向的孔隙大小變化會不同,處于200-250度位置的海泡石孔隙最大,煙塵微粒會隨水份一起被傳遞到孔隙最大出,我猜測這也是為什么斗柄首先發(fā)色的原因,因為此處的水汽含量最大且溫度也較高。斗缽雖然溫度也高,但是由于水汽少,被帶入的煙塵微粒也較少。看來除溫度外,水汽是第二個主要因素。
下面的兩個試驗把水汽在海泡石中的傳遞過程描繪得很清楚,先看吸水試驗:

如圖4所示。從圖可以看出,200℃時吸濕量最大,200~250℃間的吸濕實驗值基本相近。而活化溫度越高的纖維吸濕最大點向高濕度方向移動,說明吸濕量越大。孔徑越大,比表面積越小,吸濕性也越小。而活化溫度在200~250℃之間,濕度增大,吸濕量也增大。這個結(jié)果與上面的最佳活化溫度非常吻合。再看失水試驗:

如圖5所示。從圖可以看出200℃時放濕量最大,200~250℃間的放濕實驗值也基本相近。活化溫度越高的纖維放濕最大點隨著濕度減小而增大,說明放濕量越大,孔徑越大,比表面積越小,放濕性越小。而活化溫度在200~250℃之間,隨濕度減小,放濕量將增大。這一結(jié)果也與最佳活化溫度非常吻合。

總之,海泡石纖維經(jīng)200~250℃活化處理后,纖維孔分布最多,比表面積最大,本身達到最大吸濕量和放濕量。吸濕量和放濕量還與外界濕度有關(guān)系,高濕度進行吸濕,低濕度進行放濕,這是由于水分子的濃度而決定的。當外界水分子濃度改變,海泡石纖維內(nèi)部水分子也隨著相應變化,這樣海泡石纖維隨著周圍環(huán)境濕度的改變而發(fā)生變化。這也是為什么有斗友說過,煙塵微粒會由內(nèi)輸送到外,因此我猜測海泡石斗的徑向顏色分布應該是遞增而不是遞減。

四,斗缽外壁發(fā)色

明白了海泡石的熱活化導致的物理化學變化,也就不難理解斗缽外壁為什么發(fā)色會比斗柄慢。另外,還有兩個因素會對外壁發(fā)色產(chǎn)生影響:一是,海泡石的吸附脫色性能也會讓外壁因吸收煙塵微粒、空氣中雜質(zhì)、手汗等發(fā)生顏色變化;二是,因上蠟以及上蠟產(chǎn)生的高溫導致外壁吸收微粒而變色,且吹風產(chǎn)生的溫度會影響微粒在斗壁中的流動和傳遞。
總歸上述,我猜測讓海泡石斗變色的關(guān)鍵因素是:溫度、水汽、煙塵和蜂蠟。

如果用于實踐應用我們是否可以假設:

1)增加煙草濕度可以加快發(fā)色?

2)增加斗缽濕度可以加快發(fā)色?

3)在潮濕氣候抽斗可以加快發(fā)色?

4)抽斗時冷卻斗柄可以讓發(fā)色均勻?

5)煙霧悶罐加色時,是否可以提高罐內(nèi)濕度?

6)上蠟時選擇顏色深的蜂蠟?

7)其它有色無害的微粒通過加熱或添加入蜂蠟?