Characterization of Dehydration-Induced Luminescence of Kaolinite

Abstract

Dehydration-induced luminescence (DIL), the emission of light from a clay paste upon dehydration, was characterized experimentally for a colloidal kaolinite. The relationship between total photon count of the emitted light and film thickness is linear up to a thickness of 30 μm. The photon emission was obtained over a critical range of water contents (25-60%) of the oven-dry clay, and the kinetics of photon emission was presumed to be closely associated with the kinetics of film dehydration. Whether drying proceeded throughout the bulk or via a moving front was undetermined, but in either mode it was preceded by the formation of a thin dry film at the interface with the atmosphere. Grinding of the kaolinite for several minutes by mortar and pestle before paste preparation resulted in an overall increase of photon emission compared to unground kaolinite and in the formation of more than one emission peak, as well as a prolongation of the light emission. This effect on the kinetics of light emittance was observed for about two months after the application of the mechanical stress and suggests a means of detecting the mechanical stress history of a clay.

An estimate was made of the spectral characteristics of the emitted light using optical filters and by incorporating tryptophan and salicylic acid into the kaolinite paste where they acted as fluorescent probes. The latter technique shifted the frequency of the light emitted by the kaolinite from the ultraviolet to the visible range where it was less effectively reabsorbed. The first method showed that the wavelengths of 97% of the emitted light was <460 nm and that 75% of the light had wavelengths <410 nm. The second method showed that the total intensity of DIL increased in the presence of fluorescence molecules, suggesting that the emittance was in the ultraviolet range.

Resümee

Durch Dehydratation induzierte Lumineszenz (DIL), die Lichtemission von Tonpasten aufgrund Dehydratation, wurde experimentell für einen kolloidalen Kaolinit charakterisiert. Die Beziehung zwischen der gesamten Photonenzahl des emittierten Lichtes und der Filmdicke ist bis zu einer Dicke von 30 μm linear. Die Photonenemission wurde für einen kritischen Bereich des Wassergehaltes (25–60%) von Of en-get rock net em Ton gemessen, und es wurde angenommen, daß die Kinetik der Photonenemission sehr eng mit der Kinetik der Filmdehydratation zusammenhängt. Ob die Trocknung im ganzen oder über eine sich bewegende Front erfolgte, war unbestimmt, aber in jedem Fall ging ihr die Bildung eines dünnen trockenen Films an der Grenzfläche mit der Atmosphäre voraus. Das Mahlen des Kaolinites mit Mörser und Pistil! während einiger Minuten vor der Herstellung der Paste führte zu einer generellen Zunahme der Photonenemission im Vergleich zum ungemahlenen Kaolinit und zur Bildung von mehr als einem Emissionspeak, sowie zu einer Verlängerung der Lichtemission. Diese Auswirkung auf die Kinetik der Lichtemission wurde bis zu über zwei Monaten nach der Anwendung der mechanischen Beanspruchung beobachtet und bedeutet eine Methode, die Geschichte der mechanischen Beanspruchung eines Tons aufzudecken.

Es wurde eine Schätzung der spektralen Charakteristike des emittierten Lichtes durchgeführt, indem optische Filter benutzt wurden und indem Tryptophan und Salicylsäure in die Kaolinitpaste eingearbeitet wurden, wo sie als Fluoreszenzmittel wirkten. Die letztere Methode verschob die Frequenz des vom Kaolinit emittierten Lichtes vom Ultraviolett in den sichtbaren Bereich, wo es weniger wirksam readsorbiert wurde. Die erste Methode zeigte, daß die Wellenlängen von 97% des emittierten Lichtes <460 nm waren, und das 75% des Lichtes Wellenlängen <410 nm hatten. Die zweite Methode zeigte, daß die Gesamtintensität des DIL bei der Anwesenheit von Fluoreszenzmolekülen zunahm, was darauf hindeutet, daß die Emissionsfähigkeit im ultravioletten Bereich liegt. [U.W.]

Резюме

Люминесценция, вызываемая дегидратацией (ЛВД) т.е. эмиссия света глиновой пасты во время дегидратации, определялась опытным путем на коллоидальном каолините. Взаимодействие между полным счетом фотонов излучаемого света и толщиной фильма является линейным в диапазоне до величины толщины равной 30 μm. Величина эмиссии фотонов была определена для критического диапазона содержания воды (25-60%) в глине после сушки в печи, а кинетика эмиссии фотонов предполагалась быть близко связанной с кинетикой дегидратации фильма. Неустановлено происходила ли сушка во всей массе или путем движущегося фронта, но в каждом случае формирование тонкого сухого фильма на поверхности контакта с воздухом предшествовало этому процессу. Результатом растирания каолинита перед подготовкой пасты в течение несколько минут при помощи ступки и пестика было увеличение полной эмиссии фотонов по сравнению с величиной для нерастертого каолинита и формирование более, чем одного пика эмиссии, а также продолжение эмиссии света. Этот эффект на кинетику лучеиспускательной способности света, наблюдался примерно в течение двух месяцев после применения механического напряжения. Это указывает на способ выявления истории механического напряжения в глине.

Сделано оценку спектральных характеристик излучаемого света при помощи оптического фильтра и путем включения в каолинитовую пасту триптофана и салициловой кислоты, где они действовали как флуоресцентные образцы. Последняя техника перемещала частоту излучаемого каолинитом света из ультрафиолетовой в видимую область, в которой свет был менее эффективно реабсорбирован. Первый метод указывал на то, что длины волны 97% количества излучаемого света были <460 нм и что 75% количества света имело длину волны <410 нм. Второй метод показал, что полная интенсивность ЛВД увеличивалась в присутствии молекул флуоресценции, указывая на то, что лучеиспускательная способность находилась в ультрафиолетовой области. [E.G.]

Résumé

La luminescence induite par déshydration (DIL), l’émission de lumière d'une pâte d'argile lors de la déshydration, a été caractérisée expérimentalement pour une kaolinite colloidale. La relation entre le compte total de photons de lumière émise, et l’épaisseur du film est linéaire jusqu’à une épaisseur de 30 μm. L’émission de photons a été obtenue pour une gamme critique de teneurs en eau (25-60%) de l'argile sechée au four, et les kinétiques d’émission de photons ont été présumées être associées de manière proche avec les kinétiques de déshydration de film. On n'a pas déterminé si le sechage s'est produit à travers la masse ou via un front avançant, mais dans les deux modes, il a été précedé par la formation d'un film fin et sec à l'interface avec l'atmosphère. Lorsqu'on mout la kaolinite pendant plusieurs minutes à l'aide de mortier et pilon avant la préparation de pâte, le résultat est un accroissement général d’émission de photons comparé à la kaolinite non-moulue, et la formation de plus d'un sommet d’émission, ainsi que la prolongation de l’émission de lumière. Cet effet sur les kinétiques d’émission de lumière a été observé pendant à peu près deux mois après l'application du stress mécanique et suggère un moyen de détection de l'histoire de stress mécanique d'une argile. On a estimé les caractéristiques spectrales de la lumière émise en employant des filtres optiques et en incorporant de la tryptophane et de l'acide salicylique dans la pâte kaolinite où elle se sont comportées comme des probes fluorescentes. Cette dernière technique a deplacé la fréquence de la lumière émise par la kaolinite de la gamme ultraviolette à la gamme visible où elle était moins effectivement réabsorbée. La première méthode a montré que les longueurs d'onde de 97% de lumière émise étaient <460 nm et 75% de la lumière avait des longueurs d'onde <410 nm. La seconde méthode a montré que l'intensité totale de DIL a augmenté en la présence de molécules de fluorescence, suggérant que l’émission était dans la gamme ultraviolette. [D.J.]