Abstract

Indflydelsen af aktiviteten af calciumsulfatdihydrat (CaSO4-2H2O) på den hydrotermiske dannelse af CaSO4-0.5H2O whiskers blev undersøgt i denne artikel, hvor kommercielt CaSO4-2H2O blev anvendt som råmateriale. De eksperimentelle resultater viste, at aktiviteten af CaSO4-2H2O blev forbedret efter kalcinering af det kommercielle CaSO4-2H2O ved 150 °C i 6,0 timer efterfulgt af hydrering ved stuetemperatur i 1,0 timer, hvilket svarer til et fald i de agglomererede partikelstørrelser fra 29,7 μm til 15,1 μm, en forøgelse af de specifikke overfladearealer (BET) fra 4,75 til 19,12 og kornstørrelserne fra 95 nm til 40 nm. Det aktive CaSO4-2H2O, der blev fremstillet ved kalcinering-hydrering, fremmede den hydrotermiske opløsning af CaSO4-2H2O, hvilket fremmer dannelsen af hæmihydratcalciumsulfat (CaSO4-0,5H2O) whiskers med høje aspektforhold.

1. Indledning

Syntesen af calciumsulfat (CaSO4) whiskers med høje aspektforhold og homogen morfologi har tiltrukket sig megen opmærksomhed i de seneste år, da de kan bruges som forstærkende materialer på mange områder som plast, keramik og papirfremstilling og så videre .

CaSO4-whiskers blev normalt fremstillet ved hydrotermisk dannelse af CaSO4-0,5H2O-whiskers fra CaSO4-2H2O-prækursor efterfulgt af kalcinering af CaSO4-0,5H2O-whiskers ved forhøjede temperaturer. Wang et al. fremstillede CaSO4-0,5H2O whiskers med et aspektforhold på 5-20 ved 115 °C ved hjælp af naturgips som reaktant . Wang et al. fandt, at brugen af den superfine CaSO4-2H2O-prækursor var afgørende for dannelsen af CaSO4-0,5H2O-whiskere med små diametre og fremstillede CaSO4-0,5H2O-whiskere med en diameter på 0,19 μm og et aspektforhold på 98 via hydrotermisk omdannelse af fintmalet gips med en agglomereret størrelse på mindre end 18,1 μm ved 120°C . Xu et al. fremstillede CaSO4-0,5H2O whiskers med en længde på l00-750 μm og en diameter på 0,1-3 μm ved 110-150 °C fra afsvovlingsgips, der hovedsagelig består af CaSO4-2H2O (93,45 vægtprocent) og CaCO3 (1,76 vægtprocent), ved hjælp af H2SO4 til at ændre CaCO3-forureningen til aktivt CaSO4-2H2O. Yang et al. fremstillede calciumsulfat whiskers 50-450 μm ved hydrotermisk behandling af afsvovlingsgips ved 130°C i 1,0 timer i nærværelse af K2SO4 . Det blev bemærket, at de fleste af de tidligere arbejder viste, at brugen af den aktive CaSO4-2H2O-prækursor fremmede den hydrotermiske dannelse af CaSO4-0,5H2O-whiskere med høje aspektforhold.

I denne artikel blev der udviklet en let kalcinering-hydrering hydrotermisk reaktionsmetode til at syntetisere den aktive CaSO4-2H2O-prækursor fra den kommercielle CaSO4-2H2O og til at fremstille CaSO4-0,5H2O-whiskere med høje aspektforhold under hydrotermiske forhold. Indflydelsen af kalcinering og hydrering på morfologien og strukturen af CaSO4-2H2O-prækursor samt på morfologien af CaSO4-0,5H2O-whiskerne blev undersøgt.

2. Eksperimentel

2.1. Eksperimentel fremgangsmåde

Kommercielt CaSO4-2H2O med analytisk kvalitet blev anvendt som råmateriale i eksperimenterne. CaSO4-2H2O blev sintret ved 150°C i 3,0-6,0 timer og derefter blandet med afioniseret vand for at holde vægtforholdet mellem fast stof og vand på 1,0-5,0 vægtprocent. Efter omrøring (60 r-min-1) ved stuetemperatur i 1,0 t blev suspensionen indeholdende 1,0-5,0 vægtprocent CaSO4-2H2O derefter behandlet i en autoklave ved 135 °C i 4,0 t. Efter hydrotermisk behandling blev suspensionen filtreret og tørret ved 105 °C i 6,0 t.

2.2. Karakterisering

Provernes morfologi blev påvist med feltemissions-scanningselektronmikroskopet (JSM 7401F, JEOL, Japan). Prøvernes strukturer blev identificeret ved hjælp af pulverrøntgendiffraktometer (D8 advanced, Brucker, Tyskland) ved hjælp af Cu Kα-stråling . Prøvernes agglomererede partikelstørrelser blev analyseret med en laserpartikelanalysator (Micro-plus, Tyskland). De opløselige Ca2+ og blev analyseret ved henholdsvis EDTA-titrering og bariumchromatspektrofotometri (model 722, Xiaoguang, Kina).

3. Resultater og diskussion

3.1. Dannelse af aktivt CaSO4-2H2O via kalcinering-hydreringsruten

Morfologien og XRD-mønstrene for råmaterialet (a), kalcineringsprøven (b) og hydreringsprøven (c) er vist i henholdsvis figur 1 og 2. CaSO4-2H2O-råmaterialet var sammensat af de uregelmæssige plader (en længde på 1,5-20,0 μm og en bredde på 3,5-10,0 μm) og partikler (en diameter på 0,5-5,5 μm). Efter kalcinationsbehandlingen ved 150 °C i 6,0 timer blev CaSO4-2H2O-råmaterialet omdannet til CaSO4-0,5H2O uregelmæssige rektangulære rektangulære flader med en længde på 1,0-10,0 μm og en bredde på 0,2-3,0 μm. Hydrering af CaSO4-0,5H2O ved stuetemperatur førte til dannelse af CaSO4-2H2O uregelmæssige rektangulære rektangelplaner med en længde på 1,0-5,0 μm og en bredde på 0,1-2,0 μm. Dataene i figur 2 viste, at intensiteten af XRD-toppene i kurven var svagere end i kurven , hvilket afslørede, at kalcinering-hydratiseringsbehandlingen fremmede dannelsen af CaSO4-2H2O med ringe krystallinitet. Kornstørrelsen af råmaterialet, kalcineringsprøven og hydreringsprøven blev anslået til henholdsvis 94,9 nm, 37,5 nm og 39,5 nm på grundlag af de (020)-toppe, der er placeret ved ° og Scherrer-ligningen: , hvor , , , , , og repræsenterer henholdsvis kornstørrelsen, bølgelængden for Cu Kα (1,54178 Å), den fulde bredde ved halvt maksimum (FWHM) og Scherrer-konstanten ,.

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

Figur 1

Morfologi af råmateriale (a), kalcinering (b) og kalcinering-hydrering (c) prøver.

Figur 2

XRD-mønstre for råmateriale (1), kalcinering (2) og kalcinering-hydrering (3) prøver. Sort firkant angiver CaSO4-2H2O, sort cirkel angiver CaSO4-0,5H2O.

BET og de agglomererede partikelstørrelser for råmaterialet, kalcineringsprøven og hydreringsprøven er vist i figur 3. BET og de agglomererede partikelstørrelser var 4,75 m2-g-1 og 29,7 μm for råmaterialet, 13,37 m2-g-1 og 15,5 μm for kalcineringsprøven og 19,12 m2-g-1 og 15,1 μm for hydreringsprøven, hvilket afslører stigningen i BET og faldet i de agglomererede partikelstørrelser for prøverne efter kalcinering og kalcinering-hydrering behandling. Ovenstående arbejde viste, at kalcinering-hydreringsbehandling begunstigede aktiveringen af CaSO4-2H2O-prækursoren

(a)

(b)

(a)
(b)

Hydrotermisk dannelse af CaSO4-0,5H2O whiskers fra aktiv CaSO4-2H2O-prækursor.

Figur 4 viser variationen af og med den hydrotermiske reaktionstid. Sammenlignet med det kommercielle CaSO4-2H2O var det aktive CaSO4-2H2O fremstillet ved kalcinering-hydratiseringsbehandling lettere at opløse under hydrotermiske forhold, således at og i det aktive CaSO4-2H2O-system var højere end i det kommercielle CaSO4-2H2O-system. Den gradvise stigning i og inden for 2,0-3,0 timer indikerede den hurtigere opløsning af CaSO4-2H2O end udfældning af CaSO4-0,5H2O, mens faldet i og på det senere tidspunkt afslørede den hurtigere udfældning af CaSO4-0,5H2O end opløsning af CaSO4-2H2O.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 4

Variation af (a) og (b) med hydrotermisk reaktionstid. Precursor: 1: kommercielt CaSO4-2H2O, 2: aktivt CaSO4-2H2O.

Figur 5 viser variationen af prøvernes morfologi med den hydrotermiske reaktionstid. Det kommercielle CaSO4-2H2O blev omdannet til CaSO4-0,5H2O whiskers efter 2,0 timers hydrotermisk behandling, mens det aktive CaSO4-2H2O fremstillet ved kalcinering-hydratisering blev ændret til CaSO4-0,5H2O whiskers efter 1,0 timers hydrotermisk reaktion som følge af accelerationen af den hydrotermiske opløsnings- og udfældningsproces. Det blev også bemærket, at diameteren af de CaSO4-0,5H2O whiskers, der blev dannet af det aktive CaSO4-2H2O, var meget tyndere end dem fra det kommercielle CaSO4-2H2O. For eksempel blev der efter 4,0 timers hydrotermisk reaktion fremstillet CaSO4-0.5H2O whiskers med en diameter på 1,0-5,0 μm, en længde på 5-100 μm og et aspektforhold på 20-80 fra det kommercielle CaSO4-2H2O, mens CaSO4-0.5H2O whiskers med en diameter på 0,1-0,5 μm, en længde på 30-200 μm og et aspektforhold på 270-400 blev fremstillet af den aktive CaSO4-2H2O-prækursor (figur 5(e) og 5(j)).

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)

Figur 5

Variation af prøvernes morfologi med hydrotermisk reaktionstid Prækursor: (a)-(e): kommercielt CaSO4-2H2O, (f)-(j): aktivt CaSO4-2H2O; Tid (h): (a), (f): 0,5; (b), (g): 1,0; (c), (h): 2,0; (d), (i): 3,0; (e), (j): 4,0.

Figur 6 viser den skematiske tegning for omdannelsen af det kommercielle/aktive CaSO4-2H2O til CaSO4-0,5 H2O whiskers. Den aktive CaSO4-2H2O-prækursor med lille kornstørrelse og høj BET blev dannet ved kalcinering-hydratiseringsbehandling, hvilket fremskyndede den hydrotermiske opløsning af CaSO4-2H2O og fremmede dannelsen af CaSO4-0,5H2O-whiskere med høje aspectratioer.

Figur 6

Skematisk tegning for omdannelse af kommercielt/aktivt CaSO4-2H2O til CaSO4-0.5H2O whiskers.

4. Konklusion

Aktiv CaSO4-2H2O-prækursor forbedrede morfologien af CaSO4-0.5H2O whiskers. Aktiv CaSO4-2H2O blev fremstillet ved kalcinering af det kommercielle CaSO4-2H2O ved 150 °C i 6,0 timer efterfulgt af hydrering ved stuetemperatur i 1,0 timer. Anvendelsen af det aktive CaSO4-2H2O fremmede den hydrotermiske opløsning af CaSO4-2H2O og dannelsen af CaSO4-0,5H2O whiskers med høje aspektforhold, hvilket gav CaSO4-0.5H2O whiskers med en længde på 30-200 μm, en diameter på 0,1-0,5 μm og et aspektforhold på 270-400.

Anerkendelser

Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation of China (no. 51234003 og no. 51174125) og National Hi-Tech Research and Development Program of China (863 Program, 2012AA061602).