石膏的“变身”:硫酸钙晶须


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[导读]  硫酸钙晶须,又称石膏晶须,是硫酸钙的纤维状单晶体,白色疏松针状物,具有完善的结构、完整的外形、特定的横截面、稳定的尺寸。

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硫酸钙晶须为何物???






硫酸钙晶须的结构特点


硫酸钙晶须,又称石膏晶须,是硫酸钙的纤维状单晶体,白色疏松针状物,具有完善的结构、完整的外形、特定的横截面、稳定的尺寸。具有颗粒状填料的细度、短纤维填料的长径比、耐高温、耐酸碱性、抗化学腐蚀、韧性好、电绝缘性好、强度高、易进行表面处理,与树脂塑料、橡胶相容性好,能够均匀分散,具有优良的增强功能和阻燃性。


硫酸钙晶须基本性能参数


目前市面上的硫酸钙晶须主要分为3种:二水硫酸钙晶须、半水硫酸钙晶须、无水硫酸钙晶须,3种不同结构的晶须在常压下具有4种变体。



常压下不同硫酸钙晶须的4种变体



硫酸钙晶须:石膏的“变身”


生成硫酸钙晶须的主要原料是石膏,石膏作为硫酸钙晶须制备的前驱体,大量出自开采天然石膏矿。近年来,由于天然石膏开采带来的矿难、次生灾害不断严重破坏及污染开采地自然资源,如今利用廉价原材料如脱硫石膏、磷石膏、废卤废渣、冶金废水等,成为硫酸钙晶须制备的新趋势。


目前,硫酸钙晶须的制备方法主要有常压酸化法、水热合成法、离子交换法与微乳法。


常压酸化法


常压酸化法是原材料在一定温度的酸性环境中达到过饱和的状态,借助温度对硫酸钙溶解度的影响,实现硫酸钙的溶解与析出结晶,再经过滤、洗涤、干燥等工艺得到产品。


常压酸化法制备硫酸钙晶须工艺流程


优点:对设备的要求较低,有效降低成本。


缺点:得到的产品产率低,质量差,且溶液呈强酸性,对设备腐蚀性大,废液处理成本高,导致生产成本增加。


水热合成法


水热合成法针对硫酸钙难溶的特点,在一定温度、一定压力下以水溶液作为反应体系,促使硫酸钙溶解、结晶析出晶体。反应前驱体经粉碎研磨后,与水配成一定浓度的料浆,并调节好pH,经预热后将反应物放入反应釜中,反应一段时间后经过滤、洗涤、干燥、解聚精制得到最终产品。



水热合成法制备硫酸钙晶须工艺流程


优点:有效地解决了硫酸钙难溶解的难题,通过釜内反应实现合成与晶化一步完成,生产出形貌完整、粒度均匀,团聚较少的硫酸钙晶须。


缺点:存在设备密闭性要求高,生产过程可视性低,生产成本高等问题。


离子交换法


离子交换法是以离子交换树脂为模板,将离子交换树脂与硫酸盐溶液混合,利用离子交换树脂对溶液中不同离子的选择性,将溶液中的离子与树脂中的可交换离子进行交换,然后过滤干燥得到产品。



离子交换法制备硫酸钙晶须工艺流程


优点:无需洗涤可直接干燥处理,产品形貌完整,纯度高,另外该方法操作简单,对设备要求低,能耗低,离子交换树脂可以循环利用,大大地降低了生产成本。


缺点:运用到工业实际生产中仍然需要不断改进,开发选择性差,容量大,抗氧化的离子型交换树脂,倾力开发新材料,实现投资小,收益大的良好局面。


微乳液法


微乳法是无机材料制备中一种传统的方法,含Ca2+与SO42-的2种微乳液混合,借助表面活性剂改变界面性质,经搅拌、静置、过滤、洗涤等工艺得到产品。



微乳液法制备硫酸钙晶须工艺流程


优点:可以使晶须的形貌得到有效的控制,可以达到纳米级别,并且工艺简单,对设备要求低。


缺点:工业实际生产难度大;实验过程中参与反应的表面活性剂、助表面活性剂等对产品的形貌结构与尺寸影响较大,但是这方面研究尚不完善。


硫酸钙晶须的应用


在造纸中应用


硫酸钙晶须化学性质稳定,白度高,且具有很强的吸附性,若在造纸时加入硫酸钙晶须,不仅降低植物纤维的消耗,而且减少造纸废水的排放,市场应用前景较广阔。


在复合材料中应用


硫酸钙晶须具有直径小、长度短、强度高以及耐高温性能显著等特性,因而赋予高分子材料理想的物理性能和加工性能。晶须在聚合物中起到骨架作用,从而能收到外载荷作用时有效传递应力,阻止聚合物基体裂纹扩展,显著提高聚合物材料如LLDPE薄膜、聚己内酯等的力学性能。


在沥青中应用


硫酸钙晶须能与沥青较好的融合,硫酸钙晶须改性的高模量沥青混合料可以在不降低混合料低温性能的同时,有效地提高混合料的高温稳定性、水稳性和抗疲劳性能。硫酸钙晶须可作为沥青填料使用,它对提高沥青的软化温度有着决定性的影响。


在涂料中应用


硫酸钙晶须具有优良的耐热、防腐蚀、防火、绝缘等物理化学性质,将其分散在涂料中能够增强其性能和节约成本。可应用于防水、防火等多功能涂料中。


在催化剂中应用


硫酸钙晶须具有良好的催化性,对催化合成醋酸正丁酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯等酯合成反应的催化效率高,酯化产率达90%以上,且催化剂重复使用次数几乎不影响其催化性能。


在医学中应用


硫酸钙晶须是一种优良的骨传导材料,具有良好的生物相容性。


在摩擦材料中应用


硫酸钙晶须可以代替有毒的石棉有效的增强摩擦材料的耐拉伸强度、弹性和稳定性。


在废水中应用


硫酸钙晶须具有大的比表面积和表面自由能,可应用到废水中重金属离子的去除。


在其他方面的应用


硫酸钙晶须由于其无毒、廉价、表面积大、晶须简单完整等优点,在饮品行业中被用作啤酒、饮料、矿泉水的过滤材料;在保温、隔音材料行业中被用作改性剂,大大提高材料的机械性能,实用价值高,工业生产简单,经济效益明显。


小结


硫酸钙晶须是一种绿色环保、性能好、价格低廉的新型晶须材料,我国自20世纪80年代末期才开始对硫酸钙晶须进行研究,起步较晚,但发展却较为迅速,研究与应用均已处于国际领先位置。硫酸钙晶须良好的特性,使其具有广阔的应用前景。另外对硫酸钙晶须进行纳米产物掺杂改性,使其兼具纳米产物特殊性能,可争取更大的发展空间。

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