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技術進展

硫酸鈣晶須基本性能及生長機理

來源：中國粉體技術網更新時間：2013-09-13 13:34:17 瀏覽次數：

（中國粉體技術網/三水）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、空穴等），原子高度有序，強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、完整的內部結構，是目前已知強度最大的固體，具有優良的力學性能，可作為復合材料的增強和改性組分。然而，國內外現已開發出的晶須材料，如碳化硅晶須、氮化硅晶須、氧化鋁晶須等多數價格高昂、制備工藝復雜，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，白色疏松針狀物，具有完善的結構、完整的外形、特定的橫截面、穩定的尺寸，其平均長徑比一般為30-80。和其他無機晶須相比，硫酸鈣晶須性價比高、原料資源豐富、制備工藝簡單、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、涂料紙張填充材料等，有著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。其中，無水硫酸鈣晶須在工業生產中的應用前景最好，可以作為中等強度的增強劑。其物理性質為：相對分子質量為 136.14，直徑為 0.1-2mm、長度為 20-150mm、長徑比為 10-100；熔點為 1450℃，相對密度為 2.96，莫氏硬度為 3-4，拉伸強度為 2.058Gpa，彈性模量為 176.4Gpa。
        二水硫酸鈣晶須相對分子質量為 172.18，長徑比一般為 15-100，耐熱性、硬度、強度均較差；室溫下就會風化脫水，110℃左右繼續脫水成為無定形的粉體。因此，其在工業應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量為 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℃左右脫水成為無定形的硫酸鈣粉體。工業應用時，可先將其轉化為無水硫酸鈣晶須使用。
        硫酸鈣晶須物理化學性能比較好，表1是硫酸鈣晶須與其他晶須性能及價格的比較。從表中可以看出，雖然硫酸鈣晶須在力學性能方面略遜于現有開發的一些優良晶須，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，是一種性能多樣的非金屬綠色環保材料，可用于工程塑料、造紙、剎車片等眾多領域，擁有廣闊的工業應用前景。

表 1 硫酸鈣晶須與其他晶須性能及價格比較表

2、硫酸鈣晶須的生長機理
無水硫酸鈣晶須的生長過程可以歸納為如下步驟：溶解→重結晶→脫水成型，具體反應如下:

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位生長機理，符合 Harlman 和 Perdoek 等人提出的周期鏈理論。硫酸鈣的晶體結構是以[SO₄^2-]四面體與 Ca²⁺相互聯結，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面存在的生長速率差異，完成了其形態一維位錯延伸。生石膏溶解，釋放出結晶水；當溶解后的生石膏達到過飽和狀態時，重結晶形成晶核；晶體在晶核的基礎上生長，軸向強健生長速率最快呈螺旋位錯增殖，側面生長緩慢甚至停滯；晶體沿軸向不斷尖端生長位錯延伸，形成了硫酸鈣晶須的最終形態。
此外，半水和二水硫酸鈣晶須不太穩定，容易在潮濕的空氣中或水溶液發生水化反應，導致其物理化學性質及晶體形貌發生變化，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及使用，因此通常對硫酸鈣晶須還需要進行一定穩定化處理，諸如高溫煅燒、添加穩定劑、表面改性處理等。

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