以脫硫石膏制備α型半水石膏晶須的研究

周曉東,姚傳捷,鄧曉清,王明洋,余冬冬,孔曾杰,張文波,王升高*

(1.武漢東湖高新技術(shù)股份有限公司,湖北 武漢 430074;2.武漢工程大學(xué)湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

石膏晶須(石膏纖維) 是指半水或無水硫酸鈣的纖維狀單晶體,是發(fā)展較快的具有性能良好、價格低廉的特點的新型功能材料.它具有抗拉強度高、彈性模量大等特點,可作為低成本、高價值的工業(yè)材料應(yīng)用,在樹脂、橡膠、涂料、造紙、磨擦材料、環(huán)保材料等工業(yè)有著極為廣闊的應(yīng)用前景[1-3].α型半水石膏與β型半水石膏相比具有可塑性好強度高等優(yōu)點.本文以脫硫石膏為原料,采用水熱法實現(xiàn)了二水硫酸鈣向半水硫酸鈣的轉(zhuǎn)化,獲得了微米級α型半水石膏晶須.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所使用的脫硫石膏取自武漢東湖高新技術(shù)股份有限公司大別山環(huán)保科技分公司.十二烷基磺酸鈉、EDTA、檸檬酸、尿素等均為分析純試劑.

1.2 實驗方法

將脫硫石膏和水配成一定質(zhì)量分數(shù)的料漿,置于不銹鋼反應(yīng)釜中,加熱到一定溫度,在飽和蒸汽壓力下持續(xù)反應(yīng)一段時間后,過濾、干燥即得到最終產(chǎn)品.利用XD-5A以及JSM-5510LV對產(chǎn)物的晶型結(jié)構(gòu)及表面形貌進行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對硫酸鈣晶須結(jié)晶過程的影響

文獻[4]給出了二水、半水硫酸鈣和水體系的飽和蒸氣壓P2,1/2與同溫度下純水的飽和蒸氣壓P和溫度T之間的關(guān)系式為

lgP2,1/2=lgP+1.483-567.7/T

(1)

反應(yīng)的焓變?yōu)?/p>

△H=-756.076+21.775T-

0.018 5T>0

(2)

由式(2)知,半水硫酸鈣的生成是一個吸熱反應(yīng).袁致濤等人[5]發(fā)現(xiàn)當溫度達到110 ℃時已經(jīng)有少量的半水石膏晶須生成,持續(xù)加熱半水石膏會大量生成.

圖1示出了不同溫度條件下持續(xù)加熱10 h產(chǎn)物的XRD圖譜,從中可以看出,在100 ℃下只有二水石膏,110 ℃下有部分半水石膏形成,120 ℃下產(chǎn)物則全為半水石膏.從節(jié)能的角度而言120 ℃是較合適的半水石膏的制備溫度.

2.2 轉(zhuǎn)晶劑對半水石膏晶須的影響

在120 ℃的反應(yīng)溫度和10 h的高壓反應(yīng)時間下,加入不同的轉(zhuǎn)晶劑,如十二烷基磺酸鈉,EDTA,尿素,檸檬酸,其生成的石膏晶須的質(zhì)量,形貌都不相同.表1列出了使用不同轉(zhuǎn)晶劑的產(chǎn)物的生成情況.

表1 使用不同轉(zhuǎn)晶劑生成的半水石膏晶須的生成情況

圖1 不同溫度下生成物的XRD圖

圖2為不同轉(zhuǎn)晶劑生成物的XRD圖.從中可以看出,以十二烷基磺酸鈉為轉(zhuǎn)晶劑時,XRD的強度大.分析此圖可得,此為α型半水石膏的XRD.而以尿素為轉(zhuǎn)晶劑產(chǎn)物的XRD的三主峰和十二烷基磺酸鈉一致,但強度明顯低于以十二烷基磺酸鈉為轉(zhuǎn)晶劑產(chǎn)物的XRD,很有可能為β型半水石膏.喻德高[6]等人分析出α、β型半水石膏的譜線基本上一致,并都與41—0224卡片上數(shù)據(jù)相符,說明它們的晶體結(jié)構(gòu)是相同的,但它們的強度差異較大,特別是三強峰,這是由于α型半水石膏的結(jié)晶度遠高于β型半水石膏.而以EDTA為轉(zhuǎn)晶劑時產(chǎn)物主要為二水石膏,以檸檬酸為轉(zhuǎn)晶劑時產(chǎn)物主要為CaSO4·0.15H2O.通過比較以十二烷基磺酸鈉為轉(zhuǎn)晶劑有利于α型半水石膏的形成,其形貌見圖3所示.

十二烷基磺酸鈉為轉(zhuǎn)晶劑的作用機理主要歸結(jié)于十二烷基磺酸鈉是一種表面活性劑,其具有降低表面張力,增大表面活性的作用.所以十二烷基磺酸鈉對結(jié)晶的力度、晶形等會有影響.加入十二烷基磺酸鈉,可以降低晶體的成核速率,增加晶體的成長速率,且十二烷基磺酸鈉很容易在石膏晶須的某些晶面和邊緣棱角處選擇性吸附,抑制該部位的成長,而且更容易在小晶體上吸附,從而能產(chǎn)生大量的晶須.

圖2 不同轉(zhuǎn)晶劑生成物的XRD圖

圖3 以十二烷基磺酸鈉為轉(zhuǎn)晶劑時所獲得的α型半水石膏的SEM照片

3 結(jié) 語

以脫硫石膏為原料,以十二烷基磺酸鈉為轉(zhuǎn)晶劑,在120 ℃下持續(xù)加熱10 h,可獲得結(jié)構(gòu)良好的微米級α型半水石膏晶須.

參考文獻:

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[6]喻德高,楊新亞,楊淑珍,等.半水石膏性能與微觀結(jié)構(gòu)的探討[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2006,28(5):27-29.