CN100334264C - 硫酸钙晶须的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种硫酸钙晶须的制备方法，整个生产以生石膏(CaSO₄·2H₂O)和水为原料，经过原料准备、合成反应、脱水干燥和精制除杂等项工序，其特征在于所选原料生石膏的有效含量达到95以上、白度在90%以上，和自来水混合制得生石膏料浆，经充分乳化后，加入反应器中使其发生化学反应，然后再进入到以后的工序。利用本方法生产的硫酸钙晶须产品性能优良，成本低廉，可在各行业中广泛应用，具有广阔的市场前景。

Description

硫酸钙晶须的制备方法

所属技术领域

本项发明属于矿物加工、非金属材料领域，具体为一种硫酸钙晶须的制备方法。

背景技术

晶须是指具有固定的横截面形状、完整的外形、完善的内部结构、长径比高达5-1000的纤维状单晶体，是复合材料中最为高档的增强组元。以晶须为增强组元可制得性能优异的复合材料。

美国、日本等工业发达国家对晶须的研究与开发极为重视，已有多种晶须得到了应用，例如将碳化硅、氮化硅等类晶须加入到陶瓷之中，能够显著提高陶瓷材料的强度和韧性，但价格十分昂贵，日本东海碳化物公司生产的碳化硅晶须售价900美元/公斤。自20世纪80年代初期开始，我国重点对碳化硅、氮化硅等晶须进行研究，取得了突破性的进展。国产碳化硅晶须的售价为3000-5000元/公斤，和国际价格基本相当。由于晶须的价格过高，其应用领域受到了极大的限制。因而，发挥我国在非金属矿资源方面的优势，研究开发廉价晶须，为塑料、橡胶、涂料、摩擦材料等行业提供优质增强材料(添加剂)，意义重大。

硫酸钙晶须是以天然生石膏为原料，采用先进的工艺及配方生产的半水、无水、死烧硫酸钙纤维状单晶体。硫酸钙晶须具有均匀的结构、完整的外形、特定的横截面、稳定的尺寸，其平均长径比可达50～80。硫酸钙晶须同其它短纤维比较，有极高的机械强度，且价格在晶须行业中最低，有其它晶须无可比拟的性能价格比，因此应用范围具有非常广泛的前景。

生成硫酸钙晶须的主要原料是生石膏。我国具有丰富的生石膏资源，价格低廉，以生石膏为原料合成硫酸钙晶须，既为复合材料及其他有关工业部门提供了性能优良的新型材料，同时也为生石膏的进一步深加工开辟了新的途径。

关于硫酸钙晶须的研究，国外如日本、美国、德国等在20世纪70年代便已着手，但由于硫酸钙晶须生长过程受环境因素影响较多，生长条件难以控制，在一定程度上增加了硫酸钙晶须研究的难度。到20世纪80年代，硫酸钙晶须的研究工作取得了突破性进展，但又由于硫酸钙晶须在下游制品中应用时，本身的改性或添加工艺也同样需要探索和改进，使硫酸钙晶须的推广应用受阻。加之，欧美地区石膏矿资源贫乏，包括其他种种制约条件与矛盾，使国外对硫酸钙晶须的研究一直停留在中试阶段，没有工业化生产。

我国自20世纪80年代末期才开始对硫酸钙晶须进行研究，可谓起步较晚。目前，国内制备硫酸钙晶须的方法主要有以下三种：

(1)水压热法。水压热法是将重量浓度小于2％的二水硫酸钙悬浮液加到水压热器中处理，在饱和蒸汽压下，二水硫酸钙变为细小针状的半水硫酸钙，再经晶型稳定化处理，得到半水硫酸钙晶须。该方法生产成本高，应用受到限制。

(2)常压酸化法。常压酸化法是指在一定温度下，让高浓度二水硫酸钙悬浮液在酸性溶液中，可以转变成针状或纤维状半水硫酸钙晶须。用这种方法制取的硫酸钙晶须长度为100～200μm，直径1～4μm。与水压热法相比，不需要压热器，且原料质量分数大大提高，成本大幅降低，易于工业化生产。

(3)以卤渣为原料制备硫酸钙晶须。制备原料为：卤水，密度为1.262g/cm³，工业废酸，含废硫酸1～2mol/cm³，工业级CaO(含量＞95％)。用这种方法制取的硫酸钙晶须长度为50～100μm，直径1～4μm。

现有技术存在的问题：

(1)水压热法原料浓度低(小于2％)，工艺生产成本高，不易工业化大生产。

(2)常压酸化法工艺过程中大量使用硫酸，对设备腐蚀严重，同时也会产生大量的含酸废水，对环境有严重污染。

(3)以卤渣为原料制备硫酸钙晶须工艺，所采用的原料对产品性能指标具有一定影响。

(4)上述所有工艺制得的硫酸钙晶须的直径均在微米级。

发明内容

根据目前硫酸钙晶须制备技术的缺陷，本发明的目的是寻找一种硫酸钙晶须制备的新方法，制备出直径在0.001～4μm、长度50～200μm、直径和长度可控的硫酸钙晶须产品；提高生产效率和生产能力，降低硫酸钙晶须的生产成本，以此满足社会对该种材料的迫切需求。

本项发明的具体内容为：以生石膏(CaSO₄·2H₂O)和水为原料，采用操作控制简单、易于转化的制备工艺流程制得硫酸钙晶须。

本发明的具体制备方法如附图1所示，大体分为原料准备、合成反应、脱水干燥和精制除杂等项工序，最终生产出合格的硫酸钙晶须。每一工序的具体内容包括：

(1)原料准备。选择(CaSO₄·2H₂O)的有效含量达到95以上、白度在90％以上的生石膏和自来水。在常温下配制成按重量百分比浓度为4～14％的生石膏料浆，经乳化机处理，使浆料得到充分乳化；

(2)合成反应。将乳化后的浆料加入到合成反应器中，然后根据具体要求，加入pH调整剂使溶液达到一定的酸碱度，并在一定的温度和压力下不断搅拌，使之充分进行化学反应。其中采用如下参数，可以获得理想的效果，即：反应温度：100～200℃；反应压力：1～3atm；加入pH调整剂，使溶液pH值达到8～12；反应时间：30～45min；搅拌速度：400～1000rpm。

从而制备出硫酸钙晶须中间产品；

(3)过滤。利用箱式过滤机或离心过滤机将经反应制备出的硫酸钙晶须中间产品进行过滤，过滤所得产品的含水量约为40％(重量百分比浓度)。

(4)干燥。采用箱式干燥机进行静态干燥，也可采用闪蒸干燥机进行动态干燥，干燥温度为200～400℃，经干燥处理后的硫酸钙晶须产品含水量小于0.5％(重量百分比)。

(5)精制处理。为了获取分散性良好的硫酸钙晶须产品，一般采用打散设备对静态干燥所得产品进行打散处理，从而获得理想的硫酸钙晶须。

(6)表面改性。表面改性是指用物理、化学、机械等方法对材料表面进行处理，根据应用需要有目的地改变材料表面的物理化学性质，以满足应用的需求。硫酸钙晶须表面改性采用硬脂酸或钛酸酯作为表面改性剂，用高速混合机作为表面改性设备。表面改性剂的用量为1.0～3.0％。是否进行硫酸钙晶须表面改性将因需而定。经精致处理和表面改性后的产品即可包装出厂。

在实际生产中，如果采用不同的操作参数，如温度、压力、石膏乳液的浓度、反应乳液初始pH值、搅拌速度等，即可控制硫酸钙晶须产品的直径和长度。以反应乳液初始pH值为例说明如下：当pH值为3～5时，晶须直径为1330nm，长径比为100～200；当pH值为7～9时，晶须直径为730nm，长径比为80～200；当pH值为9～12时，晶须直径可降到100nm以下，长径比为50～200，改变其它操作参数也会收到一定的调节效果。

硫酸钙晶须由水热法制得的，它是将石膏粉和水的乳液在密闭的不锈钢反应釜中不断地搅拌、加热到一定温度、达到一定压力后而生成的。同时，使用适宜的PH调节剂控制硫酸钙晶须的直径和长度。制备过程的实质是颗粒状的石膏向纤维状半水石膏的转化过程，其反应方程式如下：

反应完成后，对产品进行过滤、干燥，形成无水硫酸钙晶须。反应方程式如下：

发明效果(产品指标及技术突出特点)

(1)产品指标

密度：2.96g/cm³         松散密度：0.1-0.4g/cm³

长度：50-200μm         直径：0.001-4μm

熔点：1450℃            抗张强度：20.5GPa

抗张模量：178GPa        折光指数：1.585

水溶性(22℃)：＜1200ppm 莫氏强度：3-4

本发明技术与其它硫酸钙晶须制备工艺相比，具有如下突出特点：

1.硫酸钙晶须的直径为0.001～4μm.，长度50～200μm，通过生产中采用不同的操作参数，如温度、压力、石膏乳液的浓度、反应初始pH值、搅拌速度等，可以控制硫酸钙晶须产品的直径和长度，既可制备直径为纳米级的硫酸钙晶须产品，又可以制备直径在微米级的硫酸钙晶须产品。

2.石膏乳液浓度可达4～14％，大大提高了生产能力。

3.硫酸钙晶须产品直径、长度均匀、品质高。

4.生产工艺对环境无污染；消除了常压酸化法大量使用硫酸对设备和环境造成危害的缺点。

5.工艺简单，生产成本低，易于工业化生产。

硫酸钙晶须产品性能优良，成本低廉，在各行业得到了广泛的应用，具有广阔的市场前景。

(1)用于摩擦材料：目前我国的摩擦材料行业仍广泛使用石棉，由于石棉有毒，其粉尘可以引起肺癌、支气管癌等多种疾病，西方发达国家已经明令禁止在摩擦材料中使用石棉，特别是轿车的摩擦片。而硫酸钙晶须无毒，适合作为石棉的代用品。

(2)用作增强组元：硫酸钙晶须可以作为塑料、橡胶、聚氨酯、金属及陶瓷的增强组元。在塑料中加入硫酸钙晶须后，可以提高材料的机械强度、耐热性、尺寸稳定性。增强制品可广泛应用于机械、电子、化工装置的零件中，提高其相关性能。

(3)用于环境工程：硫酸钙晶须的松散密度极小，具有较大的比表面积，硫酸钙晶须无毒，特别适合饮料、药品的过滤。在使用硫酸钙晶须过滤高温或腐蚀性的液体或气体时，在过滤之前不必进行冷却或中和，而是可以直接进行过滤。还可用作过滤材料除去废气及废水中的有害杂质。

(4)用于沥青改性：硫酸钙晶须可用于沥青填料及增强剂，硫酸钙晶须对提高沥青的软化温度有着决定性的影响。

(5)用于涂料和油漆：加入硫酸钙晶须的涂料和油漆附着能力强、耐高温、绝缘性好。

(6)填充剂：在纸张中加入硫酸钙晶须可以改善其不透明性、可塑性、阻燃性以及印刷性能。

附图说明

图1为硫酸钙晶须制备原理工艺流程图

实施例

(1)例1

原料选自湖北省，原料的主量元素为Ca、S，杂质为Mg、Si、Al、Fe等，原料中生石膏(CaSO₄·2H₂O)的含量为98％。将生石膏粉与水配制成重量浓度为4～14％的料浆，经乳化机乳化后，加入高压反应釜，密封后，开动搅拌，搅拌速度为400～1000rpm，并开始加热。硫酸钙晶须合成过程用温度传感器测量反应釜内的溶液温度，采用压力传感器测定反应釜内的压力。当反应温度和压力达到一定值时(100～200℃，1～3atm)，制备反应结束。将溶液过滤，在200～400℃温度下干燥后，解聚，得到硫酸钙晶须产品。用扫描电镜或透射电镜对硫酸钙晶须产品进行检测，结果表明，产品晶形为纤维状，直径为1～4μm、长度为50～200μm。

(2)例2

在实施例1中加入添加剂，具体方法如下：在反应开始时，调节石膏乳液的pH值，使之达到8～12，其它条件同例1，得到硫酸钙晶须产品。产品检测结果表明，晶形为硫酸钙纤维，纤维直径在100nm以下，长径比50～1000。

Claims (4)

1.一种硫酸钙晶须的制备方法，该方法以生石膏CaSO₄·2H₂O和水为原料，经过原料准备、合成反应、脱水干燥和精制除杂等项工序，其特征在于，所选原料生石膏CaSO₄·2H₂O的有效含量要达到95％以上、白度在90％以上，和自来水在常温下配制成按重量百分比浓度为4～14％的生石膏料浆，经乳化机充分乳化后，加入合成反应器中，加入pH调整剂使溶液的pH值达到8～12，并在一定的反应温度和压力下以一定的速度不断搅拌，经过一定的反应时间再进入到以后的工序。

2.根据权利要求1所说的硫酸钙晶须的制备方法，其特征在于方法中所说的一定的反应温度和压力是指反应温度为100～200℃、反应压力为1～3atm。

3.根据权利要求1所说的硫酸钙晶须的制备方法，其特征在于方法中所说的经过一定的反应时间是指反应时间范围为30～45min。

4.根据权利要求1所说的硫酸钙晶须的制备方法，其特征在于方法中所说以一定的速度不断搅拌是指搅拌速度为400～1000rpm。

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