首頁

硫酸鈣晶須基本性能及生長機(jī)理

發(fā)布時(shí)間：

2023-11-13

晶須是指以單晶形式生長成的具有一定長徑比的一種纖維材料，其直徑約為1-100mm，長度約為10-1000mm，長徑比達(dá)到5-1000甚至更高的纖維狀單晶體。

晶須是指以單晶形式生長成的具有一定長徑比的一種纖維材料，其直徑約為1-100mm，長度約為10-1000mm，長徑比達(dá)到5-1000甚至更高的纖維狀單晶體。不含有通常材料中存在的缺陷（晶界、位錯(cuò)、空穴等），原子高度有序，強(qiáng)度接近于完整晶體的理論值，晶須具有一定的橫截面形狀、完整的外形、完整的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是目前已知強(qiáng)度最大的固體，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，可作為復(fù)合材料的增強(qiáng)和改性組分。然而，國內(nèi)外現(xiàn)已開發(fā)出的晶須材料，如碳化硅晶須、氮化硅晶須、氧化鋁晶須等多數(shù)價(jià)格高昂、制備工藝復(fù)雜，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。
硫酸鈣晶須，也就是石膏晶須，是無水硫酸鈣的纖維狀單晶體，白色疏松針狀物，具有完善的結(jié)構(gòu)、完整的外形、特定的橫截面、穩(wěn)定的尺寸，其平均長徑比一般為30-80。和其他無機(jī)晶須相比，硫酸鈣晶須性價(jià)比高、原料資源豐富、制備工藝簡單、價(jià)格低廉，是綠色環(huán)保材料，可用作增強(qiáng)材料、摩擦材料、環(huán)保過濾材料、涂料紙張?zhí)畛洳牧系?，有著廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

        1、硫酸鈣晶須概述
        硫酸鈣晶須有三種，分別為無水硫酸鈣（CaSO₄）晶須、半水硫酸鈣（CaSO₄·0.5H₂O）晶須和二水硫酸鈣（CaSO₄·2H₂O）晶須。均為蓬松狀白色固體，纖維狀或針狀單晶體形態(tài)。其中，無水硫酸鈣晶須在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用前景最好，可以作為中等強(qiáng)度的增強(qiáng)劑。其物理性質(zhì)為：相對分子質(zhì)量為 136.14，直徑為 0.1-2mm、長度為 20-150mm、長徑比為 10-100；熔點(diǎn)為 1450℃，相對密度為 2.96，莫氏硬度為 3-4，拉伸強(qiáng)度為 2.058Gpa，彈性模量為 176.4Gpa。
        二水硫酸鈣晶須相對分子質(zhì)量為 172.18，長徑比一般為 15-100，耐熱性、硬度、強(qiáng)度均較差；室溫下就會風(fēng)化脫水，110℃左右繼續(xù)脫水成為無定形的粉體。因此，其在工業(yè)應(yīng)用方面收到了一定的限制，不被看好。
       半水硫酸鈣晶須相對分子質(zhì)量為 145.15，長徑比、耐熱性、硬度和強(qiáng)度均介于二水和無水硫酸鈣晶須之間，在 160℃左右脫水成為無定形的硫酸鈣粉體。工業(yè)應(yīng)用時(shí)，可先將其轉(zhuǎn)化為無水硫酸鈣晶須使用。
        硫酸鈣晶須物理化學(xué)性能比較好，表1是硫酸鈣晶須與其他晶須性能及價(jià)格的比較。從表中可以看出，雖然硫酸鈣晶須在力學(xué)性能方面略遜于現(xiàn)有開發(fā)的一些優(yōu)良晶須，但是其具有很強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢。其原料多、成本低、制備方法相對簡單，是一種性能多樣的非金屬綠色環(huán)保材料，可用于工程塑料、造紙、剎車片等眾多領(lǐng)域，擁有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

表 1 硫酸鈣晶須與其他晶須性能及價(jià)格比較表

2、硫酸鈣晶須的生長機(jī)理
無水硫酸鈣晶須的生長過程可以歸納為如下步驟：溶解→重結(jié)晶→脫水成型，具體反應(yīng)如下:

硫酸鈣晶須是一種單晶體，其生長過程主要遵循軸向螺旋錯(cuò)位生長機(jī)理，符合 Harlman 和 Perdoek 等人提出的周期鏈理論。硫酸鈣的晶體結(jié)構(gòu)是以[SO₄^2-]四面體與 Ca²⁺相互聯(lián)結(jié)，形成了平行于（010）面的雙層軸向，是晶體生長的主要方向，正是由于其軸向和側(cè)面存在的生長速率差異，完成了其形態(tài)一維位錯(cuò)延伸。生石膏溶解，釋放出結(jié)晶水；當(dāng)溶解后的生石膏達(dá)到過飽和狀態(tài)時(shí)，重結(jié)晶形成晶核；晶體在晶核的基礎(chǔ)上生長，軸向強(qiáng)健生長速率最快呈螺旋位錯(cuò)增殖，側(cè)面生長緩慢甚至停滯；晶體沿軸向不斷尖端生長位錯(cuò)延伸，形成了硫酸鈣晶須的最終形態(tài)。
此外，半水和二水硫酸鈣晶須不太穩(wěn)定，容易在潮濕的空氣中或水溶液發(fā)生水化反應(yīng)，導(dǎo)致其物理化學(xué)性質(zhì)及晶體形貌發(fā)生變化，針對這方面的研究比較多，結(jié)果表面其水化過程和機(jī)理符合溶解析晶理論。水化反應(yīng)影響了硫酸鈣晶須的存放及使用，因此通常對硫酸鈣晶須還需要進(jìn)行一定穩(wěn)定化處理，諸如高溫煅燒、添加穩(wěn)定劑、表面改性處理等。