半水硫酸鈣晶須水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)其水化能力的影響研究

毛欣鈺，王宇斌，馬曉曉，李淑芹，王 鑫

(西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

硫酸鈣晶須又被稱作石膏晶須，崔益順等[1-3]利用天然石膏粉、脫硫石膏以及廢電石渣為原料制備出了纖維狀的硫酸鈣晶須。硫酸鈣晶須理化性質(zhì)優(yōu)異，并且結(jié)構(gòu)、尺寸穩(wěn)定性好。由于生產(chǎn)半水硫酸鈣晶須不需要很高的成本，所以很受市場(chǎng)青睞，并在保溫、摩擦和建材領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[4-10]。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：半水硫酸鈣晶須的機(jī)械性能會(huì)隨其長(zhǎng)徑比的增大而得到改善[11]；但半水硫酸鈣晶須與水接觸后會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)而導(dǎo)致其晶體結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)晶須的長(zhǎng)度變短，長(zhǎng)徑比明顯減小，嚴(yán)重影響晶須的性能[12]。本課題組曾以半水硫酸鈣晶須為研究對(duì)象并對(duì)其水化過(guò)程進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，晶須水化后其長(zhǎng)徑比減小，晶形也發(fā)生了變化[13]。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中影響半水硫酸鈣晶須水化能力的因素較多，如水化溫度、水化時(shí)間和水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，因此本課題組針對(duì)溫度對(duì)半水硫酸鈣晶須水化能力的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：半水硫酸鈣晶須水化過(guò)程受溫度影響較大，隨著水化溫度的升高水化過(guò)程變慢；當(dāng)水化溫度大于100 ℃時(shí)，晶須不發(fā)生水化，并且晶須長(zhǎng)徑比隨著水化溫度升高而減小的趨勢(shì)逐漸減弱[14]。為總結(jié)半水硫酸鈣晶須的水化能力受各種因素的影響規(guī)律，本研究以半水硫酸鈣晶須水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其水化能力的關(guān)系為切入點(diǎn)，對(duì)不同水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)下半水硫酸鈣晶須的水化特點(diǎn)進(jìn)行了研究，以期為其水化能力的調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

半水硫酸鈣晶須試樣是通過(guò)水熱法在陜西某石膏礦生產(chǎn)的。制備條件：溫度120 ℃、反應(yīng)30 min、烘干溫度為110～120 ℃、烘干時(shí)間為1.5 h。

1.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

101-1型烘箱，X＇Pert Pro MPD型X射線衍射儀，SSX-550型掃描電鏡。

1.3 試驗(yàn)及檢測(cè)方法

1.3.1 試驗(yàn)方法

將適量半水硫酸鈣晶須配制成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的晶須懸浮液，然后對(duì)其進(jìn)行水化反應(yīng)，在半水硫酸鈣晶須靜置水化30 min后取樣、洗滌并終止水化，最后脫水、烘干，并對(duì)半水硫酸鈣晶須水化產(chǎn)物進(jìn)行長(zhǎng)徑比計(jì)算、形貌觀察和物相組成分析。

1.3.2 X射線衍射分析

使用 X＇Pert Pro 型 X 射線衍射儀進(jìn)行檢測(cè)，工作參數(shù)為：管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描范圍2θ=5°～90°，采用步進(jìn)掃描，步長(zhǎng)為0.033°，每步停留時(shí)間20.68 s，入射線波長(zhǎng)1.541 ?，掃描速度12°/min，工作溫度25 ℃。

1.3.3 SEM檢測(cè)

采用 SSX-550 型掃描電鏡觀察半水硫酸鈣晶須樣品形貌。將試樣烘干后用無(wú)水乙醇均勻分散并涂覆在玻璃基體表面，噴金處置后用放大倍率為500、2 000、5 000等的掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)半水硫酸鈣晶須長(zhǎng)徑比的影響

試驗(yàn)開(kāi)始前先將半水硫酸鈣晶須配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.0%、2.5%、5.0%、10.0%的懸浮液，在常溫下靜置水化30 min，最后使用生物顯微鏡測(cè)量其長(zhǎng)徑比，結(jié)果如圖1所示。

圖1 半水硫酸鈣晶須水化產(chǎn)物長(zhǎng)徑比與水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖1可知：半水硫酸鈣晶須在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下進(jìn)行水化時(shí)其長(zhǎng)徑比發(fā)生了較大的變化；當(dāng)水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、水化產(chǎn)物長(zhǎng)徑比為6左右且當(dāng)水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大時(shí)，水化產(chǎn)物的長(zhǎng)徑比也隨之增大；當(dāng)水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí)，晶須長(zhǎng)徑比由最初的6變?yōu)?0。由此可見(jiàn)，水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大半水硫酸鈣晶須的水化速度就越慢，而其長(zhǎng)徑比也越大，亦即其水化能力越弱。

2.2 水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)半水硫酸鈣晶須形貌的影響

試驗(yàn)對(duì)半水硫酸鈣晶須在靜置水化時(shí)間為 30 min 的條件下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)水化產(chǎn)物的形貌進(jìn)行了SEM觀察，結(jié)果如圖2和圖3所示。

從圖2可以看出，不同水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)晶須水化產(chǎn)物的外形區(qū)別并不大，基本都為纖維狀，但是隨著水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，晶須斷裂的程度逐步減小。當(dāng)水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，水化產(chǎn)物長(zhǎng)度較小，直徑較大，表面較為粗糙；當(dāng)水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí)，晶須表面比較光滑，且大部分晶須沒(méi)有斷裂，仍保持較大的長(zhǎng)徑比?？梢?jiàn)水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，越不利于晶須的水化。此外，如圖3所示，水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大晶須黏連越明顯。黏連的晶須在水中暴露面積較小，這也使得晶須水化速度變小，水化能力減弱。

圖2 不同水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)下晶須水化產(chǎn)物的SEM圖片

圖3 不同水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的晶須黏連情況

2.3 晶須水化產(chǎn)物的物相分析

為進(jìn)一步確定不同水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)下半水硫酸鈣晶須水化產(chǎn)物物相組成的變化，試驗(yàn)對(duì)半水硫酸鈣晶須水化30 min的產(chǎn)物進(jìn)行了XRD分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)下晶須水化產(chǎn)物的XRD圖譜

從圖4可以看出：半水硫酸鈣晶須在1.0%的水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)下水化30 min時(shí)，水化產(chǎn)物的特征衍射峰為二水硫酸鈣晶須的特征峰；水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至10.0%時(shí),水化產(chǎn)物的特征衍射峰仍為二水硫酸鈣晶須的特征峰?？梢?jiàn)水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大不能影響半水硫酸鈣向二水硫酸鈣的轉(zhuǎn)變。

2.4 水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)晶須水化能力的影響分析

半水硫酸鈣晶須的水化過(guò)程是發(fā)生在水和晶須界面的多相化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，其反應(yīng)速度由以下步驟決定：①水分子吸附在半水硫酸鈣晶須表面，同時(shí)半水硫酸鈣晶須表面的Ca2+和SO42-也向溶液中擴(kuò)散溶解；②水分子進(jìn)入半水硫酸鈣晶須內(nèi)部并與半水硫酸鈣晶須反應(yīng)生成二水硫酸鈣晶須；③二水硫酸鈣晶須不斷粗化，不同晶形的二水硫酸鈣晶體不斷生成，這一階段的速度主要由懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度控制[13]。當(dāng)半水硫酸鈣晶須水化的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)小時(shí)，晶須表面與水的相對(duì)接觸面積增大，會(huì)促進(jìn)晶須表面的鈣離子和硫酸根離子進(jìn)入溶液中，使晶須表面產(chǎn)生裂縫等晶體缺陷并使晶須發(fā)生斷裂，最終導(dǎo)致晶須的長(zhǎng)徑比減小[14]。隨著水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，晶須溶液的黏度也隨之增大，這不僅會(huì)阻礙溶液中的水分子向晶須表面的擴(kuò)散，還不利于溶液中水分子通過(guò)毛細(xì)引力進(jìn)入晶須內(nèi)部與晶須發(fā)生水合反應(yīng)，最終不利于晶須體積的膨脹。此外，水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大還增大了晶須表面鈣離子和硫酸根離子向溶液中的擴(kuò)散阻力，因而不利于晶須產(chǎn)生晶體缺陷和晶須的斷裂。結(jié)合不同水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)的半水硫酸鈣晶須水化產(chǎn)物的SEM圖片也可以看出，隨著水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，晶須表面光滑的特性沒(méi)有發(fā)生變化，大部分晶須沒(méi)有斷裂。由此可見(jiàn)，水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大會(huì)造成半水硫酸鈣晶體水化產(chǎn)物的長(zhǎng)徑比增大，亦即不利于半水硫酸鈣晶須的水化。

3 結(jié)論

a.當(dāng)半水硫酸鈣晶須水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，晶須水化產(chǎn)物的長(zhǎng)徑比為6左右；當(dāng)水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大時(shí)，水化產(chǎn)物的長(zhǎng)徑比也隨之增大；當(dāng)水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí)，晶須長(zhǎng)徑比由最初的6變?yōu)?0左右。

b.水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大導(dǎo)致半水硫酸鈣晶須水化能力變?nèi)醯脑蛟谟冢?隨著水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，溶液的黏度也增大，不僅阻礙了水分子向晶須表面的擴(kuò)散，還增大了晶須表面鈣離子和硫酸根離子向溶液中的擴(kuò)散阻力，這不利于晶須的斷裂。此外，水化質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大還不利于溶液中水分子進(jìn)入晶須內(nèi)部與晶須發(fā)生水合反應(yīng)，最終不利于晶須體積的膨脹。該研究結(jié)果對(duì)調(diào)控半水硫酸鈣晶須的水化能力有一定的參考意義。