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硫酸钙晶须基本性能及生长机理

硫酸钙晶须基本性能及生长机理

作者:博凯利晶须  发布时间:2019-04-23 13:14    浏览量:

  晶须是指以单晶形式生长成的具有一定长径比的一种纤维材料,其直径约为1-100mm,长度约为10-1000mm, 长径比达到5-1000甚至更高的纤维状单晶体。不含有通常材料中存在的缺陷(晶界、位错、空穴等),原子高度有序,强度接近于完整晶体的理论值,晶须具有一定的横截面形状、完整的外形、完整的内部结构,是目前已知强度最大的固体,具有优良的力学性能,可作为复合材料的增强和改性组分。然而,国内外现已开发出的晶须材料,如碳化硅晶须、氮化硅晶须、氧化铝晶须等多数价格高昂、制备工艺复杂,限制了其应用领域的拓展。

  硫酸钙晶须,也就是石膏晶须,是无水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,其平均长径比一般为30-80。和其他无机晶须相比,硫酸钙晶须性价比高、原料资源丰富、制备工艺简单、价格低廉,是绿色环保材料,可用作增强材料、摩擦材料、环保过滤材料、涂料纸张填充材料等,有着广阔的应用前景和实用价值。

  

硫酸钙晶须基本性能及生长机理

 

  1、硫酸钙晶须概述

  硫酸钙晶须有三种,分别为无水硫酸钙(CaSO4)晶须、半水硫酸钙(CaSO4·0.5H2O)晶须和二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)晶须。均为蓬松状白色固体,纤维状或针状单晶体形态。其中,无水硫酸钙晶须在工业生产中的应用前景最好,可以作为中等强度的增强剂。其物理性质为:相对分子质量为 136.14,直径为 0.1-2mm、长度为 20-150mm、长径比为 10-100;熔点为 1450℃,相对密度为 2.96,莫氏硬度为 3-4,拉伸强度为 2.058Gpa,弹性模量为 176.4Gpa。

  二水硫酸钙晶须相对分子质量为 172.18,长径比一般为 15-100,耐热性、硬度、强度均较差;室温下就会风化脱水,110℃左右继续脱水成为无定形的粉体。因此,其在工业应用方面收到了一定的限制,不被看好。

  半水硫酸钙晶须相对分子质量为 145.15,长径比、耐热性、硬度和强度均介于二水和无水硫酸钙晶须之间,在 160℃左右脱水成为无定形的硫酸钙粉体。工业应用时,可先将其转化为无水硫酸钙晶须使用。

  硫酸钙晶须物理化学性能比较好,表1是硫酸钙晶须与其他晶须性能及价格的比较。从表中可以看出,虽然硫酸钙晶须在力学性能方面略逊于现有开发的一些优良晶须,但是其具有很强的价格优势。其原料多、成本低、制备方法相对简单,是一种性能多样的非金属绿色环保材料,可用于工程塑料、造纸、刹车片等众多领域,拥有广阔的工业应用前景。

  表 1 硫酸钙晶须与其他晶须性能及价格比较表

  

硫酸钙晶须基本性能及生长机理

 

  2、硫酸钙晶须的生长机理

  无水硫酸钙晶须的生长过程可以归纳为如下步骤:溶解→重结晶→脱水成型,具体反应如下:

  

硫酸钙晶须基本性能及生长机理

 

  硫酸钙晶须是一种单晶体,其生长过程主要遵循轴向螺旋错位生长机理,符合 Harlman 和 Perdoek 等人提出的周期链理论。硫酸钙的晶体结构是以[SO42-]四面体与 Ca2+相互联结,形成了平行于(010)面的双层轴向,是晶体生长的主要方向,正是由于其轴向和侧面存在的生长速率差异,完成了其形态一维位错延伸。生石膏溶解,释放出结晶水;当溶解后的生石膏达到过饱和状态时,重结晶形成晶核;晶体在晶核的基础上生长,轴向强健生长速率最快呈螺旋位错增殖,侧面生长缓慢甚至停滞;晶体沿轴向不断尖端生长位错延伸,形成了硫酸钙晶须的最终形态。

  此外,半水和二水硫酸钙晶须不太稳定,容易在潮湿的空气中或水溶液发生水化反应,导致其物理化学性质及晶体形貌发生变化,针对这方面的研究比较多,结果表面其水化过程和机理符合溶解析晶理论。水化反应影响了硫酸钙晶须的存放及使用,因此通常对硫酸钙晶须还需要进行一定稳定化处理,诸如高温煅烧、添加稳定剂、表面改性处理等。

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