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硫酸鈣晶須基本性能及生(shēng)長機理

發布時間：

2023-11-13

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

晶須是指以單晶形式生(shēng)長成的具有一(yī)定長徑比的一(yī)種纖維材料，其直徑約爲1-100mm，長度約爲10-1000mm，長徑比達到5-1000甚至更高的纖維狀單晶體(tǐ)。不含有通常材料中(zhōng)存在的缺陷（晶界、位錯、空穴等），原子高度有序，強度接近于完整晶體(tǐ)的理論值，晶須具有一(yī)定的橫截面形狀、完整的外(wài)形、完整的内部結構，是目前已知(zhī)強度最大(dà)的固體(tǐ)，具有優良的力學性能，可作爲複合材料的增強和改性組分(fēn)。然而，國内外(wài)現已開(kāi)發出的晶須材料，如碳化矽晶須、氮化矽晶須、氧化鋁晶須等多數價格高昂、制備工(gōng)藝複雜(zá)，限制了其應用領域的拓展。
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(tǐ)，白(bái)色疏松針狀物(wù)，具有完善的結構、完整的外(wài)形、特定的橫截面、穩定的尺寸，其平均長徑比一(yī)般爲30-80。和其他無機晶須相比，硫酸鈣晶須性價比高、原料資(zī)源豐富、制備工(gōng)藝簡單、價格低廉，是綠色環保材料，可用作增強材料、摩擦材料、環保過濾材料、塗料紙(zhǐ)張填充材料等，有着廣闊的應用前景和實用價值。

        1、硫酸鈣晶須概述
        硫酸鈣晶須有三種，分(fēn)别爲無水硫酸鈣（CaSO₄）晶須、半水硫酸鈣（CaSO₄·0.5H₂O）晶須和二水硫酸鈣（CaSO₄·2H₂O）晶須。均爲蓬松狀白(bái)色固體(tǐ)，纖維狀或針狀單晶體(tǐ)形态。其中(zhōng)，無水硫酸鈣晶須在工(gōng)業生(shēng)産中(zhōng)的應用前景最好，可以作爲中(zhōng)等強度的增強劑。其物(wù)理性質爲：相對分(fēn)子質量爲 136.14，直徑爲 0.1-2mm、長度爲 20-150mm、長徑比爲 10-100；熔點爲 1450℃，相對密度爲 2.96，莫氏硬度爲 3-4，拉伸強度爲 2.058Gpa，彈性模量爲 176.4Gpa。
        二水硫酸鈣晶須相對分(fēn)子質量爲 172.18，長徑比一(yī)般爲 15-100，耐熱性、硬度、強度均較差；室溫下(xià)就會風化脫水，110℃左右繼續脫水成爲無定形的粉體(tǐ)。因此，其在工(gōng)業應用方面收到了一(yī)定的限制，不被看好。
       半水硫酸鈣晶須相對分(fēn)子質量爲 145.15，長徑比、耐熱性、硬度和強度均介于二水和無水硫酸鈣晶須之間，在 160℃左右脫水成爲無定形的硫酸鈣粉體(tǐ)。工(gōng)業應用時，可先将其轉化爲無水硫酸鈣晶須使用。
        硫酸鈣晶須物(wù)理化學性能比較好，表1是硫酸鈣晶須與其他晶須性能及價格的比較。從表中(zhōng)可以看出，雖然硫酸鈣晶須在力學性能方面略遜于現有開(kāi)發的一(yī)些優良晶須，但是其具有很強的價格優勢。其原料多、成本低、制備方法相對簡單，是一(yī)種性能多樣的非金屬綠色環保材料，可用于工(gōng)程塑料、造紙(zhǐ)、刹車(chē)片等衆多領域，擁有廣闊的工(gōng)業應用前景。

表 1 硫酸鈣晶須與其他晶須性能及價格比較表

2、硫酸鈣晶須的生(shēng)長機理
無水硫酸鈣晶須的生(shēng)長過程可以歸納爲如下(xià)步驟：溶解→重結晶→脫水成型，具體(tǐ)反應如下(xià):

硫酸鈣晶須是一(yī)種單晶體(tǐ)，其生(shēng)長過程主要遵循軸向螺旋錯位生(shēng)長機理，符合 Harlman 和 Perdoek 等人提出的周期鏈理論。硫酸鈣的晶體(tǐ)結構是以[SO₄^2-]四面體(tǐ)與 Ca²⁺相互聯結，形成了平行于（010）面的雙層軸向，是晶體(tǐ)生(shēng)長的主要方向，正是由于其軸向和側面存在的生(shēng)長速率差異，完成了其形态一(yī)維位錯延伸。生(shēng)石膏溶解，釋放(fàng)出結晶水；當溶解後的生(shēng)石膏達到過飽和狀态時，重結晶形成晶核；晶體(tǐ)在晶核的基礎上生(shēng)長，軸向強健生(shēng)長速率最快呈螺旋位錯增殖，側面生(shēng)長緩慢(màn)甚至停滞；晶體(tǐ)沿軸向不斷尖端生(shēng)長位錯延伸，形成了硫酸鈣晶須的最終形态。
此外(wài)，半水和二水硫酸鈣晶須不太穩定，容易在潮濕的空氣中(zhōng)或水溶液發生(shēng)水化反應，導緻其物(wù)理化學性質及晶體(tǐ)形貌發生(shēng)變化，針對這方面的研究比較多，結果表面其水化過程和機理符合溶解析晶理論。水化反應影響了硫酸鈣晶須的存放(fàng)及使用，因此通常對硫酸鈣晶須還需要進行一(yī)定穩定化處理，諸如高溫煅燒、添加穩定劑、表面改性處理等。