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

1)石斗發色各不相同:與海泡石晶體結構及其它礦物含量有關

2)在斗柄首先發色:水氣含量、石斗溫度和有關

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

一,首先說物理化學性能從網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,結構不發生變化,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,石斗發色各不相同

海泡石屬斜方晶系或單斜晶系,屬層鏈狀結構的含水富鎂硅酸鹽礦物。在鏈狀結構中也含有層狀結構類型的小單元,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構和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。結構中所構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個結構水,而4個羥基水(OH)存在于三八面體結構中。從這三種水的在晶體結構中的位置就可以判斷出,羥基水是最難排除的,實際熱分析結果也是如此[ 3][14]。最易排除的是沸石水,而結構水一般分兩步排除,排除溫度一般在200-350℃和350-500℃
天然海泡石,根據其成礦形態特征,可分為熱液型海泡石和沉積型海泡石兩種。熱液型海泡石,纖維狀結構發育比較完整,粗大,含量高,宏觀層狀結構明顯;常呈石棉狀,規模較小。在圖中,可以看到比較純的發育較好的海泡石纖維結構,比較規則地排列,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構細小,呈毛發狀、針狀,宏觀上礦物呈層狀和塊狀。海泡石常呈土狀,規模較大,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 呈浪狀結構。在圖中,可以看到明顯的毛發狀海泡石纖維結構,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,即纖維結構發育不完全,且與其它礦物結合在一起,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、石質細膩,而且發色可能會更均勻;反之,含其它礦物多的石斗可能材質較粗糙且發色不易均勻;另外,如果雜志中含有海洋生物礦石較多的石斗,產生腥味的可能較大。
三,在斗柄首先發色大家知道石斗發色的本質就是煙草燃燒產生的有色微粒,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?這些因素是怎樣產生作用?哪些是關鍵因素?

我們先看溫度這個因素,煙草燃燒除產生煙氣微粒外還帶來溫度的上升,在網上搜索了一下,有關煙草溫度描述如下: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生怎樣的變化?下面的一組試驗數據非常有趣,通過這些數據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)。化學方法可使其內部結晶組織和化學成分發生變化;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、孔容和孔徑的關系如圖3所示。實驗結果表明活化在100℃以內,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,導致吸附性變弱,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,原則上內壁溫度最高外壁最低,且剛開始燃燒煙草時溫度會由內向外變化。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。這一結果也與最佳活化溫度非常吻合。

總之,海泡石纖維經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,海泡石纖維內部水分子也隨著相應變化,這樣海泡石纖維隨著周圍環境濕度的改變而發生變化。這也是為什么有斗友說過,煙塵微粒會由內輸送到外,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色會比斗柄慢。另外,還有兩個因素會對外壁發色產生影響: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、手汗等發生顏色變化;二是,因上蠟以及上蠟產生的高溫導致外壁吸收微粒而變色,且吹風產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色?

2)增加斗缽濕度可以加快發色?

3)在潮濕氣候抽斗可以加快發色?

4)抽斗時冷卻斗柄可以讓發色均勻?

5)煙霧悶罐加色時,是否可以提高罐內濕度?

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?