Abstract

De invloed van de activiteit van calciumsulfaatdihydraat (CaSO4-2H2O) op de hydrothermale vorming van CaSO4-0.5H2O whiskers werd in dit artikel onderzocht, met gebruik van commerciële CaSO4-2H2O als grondstof. De experimentele resultaten toonden aan dat de activiteit van CaSO4-2H2O werd verbeterd na calcinatie van de commerciële CaSO4-2H2O bij 150°C gedurende 6,0 uur, gevolgd door hydratatie bij kamertemperatuur gedurende 1,0 uur, wat overeenkomt met de afname van de geagglomereerde deeltjesgrootte van 29,7 μm tot 15,1 μm, de toename van de specifieke oppervlakte (BET) van 4,75 tot 19,12 en de korrelgrootte van 95 nm tot 40 nm. De actieve CaSO4-2H2O geproduceerd door de calcinatie-hydratatie behandeling bevorderde de hydrothermale oplossing van CaSO4-2H2O, het bevorderen van de vorming van hemihydraat calciumsulfaat (CaSO4-0.5H2O) whiskers met hoge aspect ratio’s.

1. De synthese van calciumsulfaat (CaSO4) whiskers met hoge aspect ratio’s en homogene morfologie heeft de laatste jaren veel aandacht getrokken, omdat ze kunnen worden gebruikt als versterkende materialen in vele gebieden zoals kunststoffen, keramiek en papierfabricage, enzovoort.

CaSO4 whiskers werden gewoonlijk bereid door hydrothermale vorming van de CaSO4-0.5H2O whiskers uit de CaSO4-2H2O precursor gevolgd door calcinatie van de CaSO4-0.5H2O whiskers bij verhoogde temperaturen. Wang et al. bereidden CaSO4-0.5H2O whiskers met een aspectverhouding van 5-20 bij 115°C, met gebruikmaking van natuurlijk gips als reagens. Wang et al. ontdekten dat het gebruik van de superfijne CaSO4-2H2O precursor essentieel was voor de vorming van CaSO4-0.5H2O whiskers met kleine diameters en bereidden CaSO4-0.5H2O whiskers met een diameter van 0,19 μm en een aspectverhouding van 98 via hydrothermale conversie van het fijngemalen gips met een agglomeraatgrootte kleiner dan 18,1 μm bij 120°C . Xu et al. bereidden CaSO4-0.5H2O whiskers met een lengte van l00-750 μm en een diameter van 0.1-3 μm bij 110-150°C uit het ontzwavelingsgips dat hoofdzakelijk bestaat uit CaSO4-2H2O (93.45 wt%) en CaCO3 (1.76 wt%) , met gebruikmaking van H2SO4 om de CaCO3 onzuiverheid te veranderen in actief CaSO4-2H2O. Yang et al. bereidden calciumsulfaat whiskers 50-450 μm door hydrothermale behandeling van het ontzwavelingsgips bij 130°C gedurende 1,0 uur in aanwezigheid van K2SO4 . Er werd opgemerkt dat de meeste van de eerdere werk toonde aan dat het gebruik van de actieve CaSO4-2H2O precursor bevorderd de hydrothermale vorming van CaSO4-0.5H2O whiskers met hoge aspect ratio’s.

In dit artikel werd een gemakkelijke calcinatie-hydratatie hydrothermische reactiemethode ontwikkeld om de actieve CaSO4-2H2O precursor te synthetiseren uit de commerciële CaSO4-2H2O en de CaSO4-0.5H2O whiskers te produceren met hoge aspectverhoudingen in hydrothermale toestand. De invloeden van calcinatie en hydratatie op de morfologie en structuur van CaSO4-2H2O precursor evenals op de morfologie van de CaSO4-0.5H2O whiskers werden bestudeerd.

2. Experimentele

2.1. Experimentele Procedure

Commerciële CaSO4-2H2O met analytische kwaliteit werd gebruikt als grondstof in de experimenten. De CaSO4-2H2O werd gesinterd bij 150°C gedurende 3,0-6,0 u, vervolgens gemengd met gedeïoniseerd water om de gewichtsverhouding van de vaste stof tot het water op 1,0-5,0 wt% te houden. Na 1,0 uur te zijn geroerd (60 omw/min-1) bij kamertemperatuur, werd de suspensie met 1,0-5,0 wt% CaSO4-2H2O vervolgens gedurende 4,0 uur behandeld in een autoclaaf bij 135°C. Na de hydrothermale behandeling werd de suspensie gefiltreerd en gedurende 6,0 uur gedroogd bij 105°C.

2.2. Karakterisering

De morfologie van de monsters werd gedetecteerd met de veldemissie scanning elektronenmicroscoop (JSM 7401F, JEOL, Japan). De structuren van de monsters werden geïdentificeerd door poeder röntgendiffractometer (D8 advanced, Brucker, Duitsland) met Cu Kα straling. De geagglomereerde deeltjesgrootte van de monsters werd geanalyseerd met de laserdeeltjesanalysator (Micro-plus, Duitsland). Het oplosbare Ca2+ en werden geanalyseerd door EDTA titratie en bariumchromaat spectrofotometrie (Model 722, Xiaoguang, China), respectievelijk.

3. Resultaten en Discussie

3.1. Vorming van Actief CaSO4-2H2O via de calcinatie-hydratatieroute

De morfologie en XRD-patronen van de grondstof (a), het calcinatiemonster (b), en het hydratatiemonster (c) worden getoond in respectievelijk figuur 1 en figuur 2. De grondstof CaSO4-2H2O was samengesteld uit onregelmatige platen (met een lengte van 1,5-20,0 μm en een breedte van 3,5-10,0 μm) en deeltjes (met een diameter van 0,5-5,5 μm). Na de calcinatiebehandeling bij 150°C gedurende 6,0 uur werd de grondstof CaSO4-2H2O omgezet in de CaSO4-0.5H2O onregelmatige rechthoekige vlakken met een lengte van 1,0-10,0 μm en een breedte van 0,2-3,0 μm. De hydratatie van de CaSO4-0.5H2O bij kamertemperatuur leidde tot de vorming van CaSO4-2H2O onregelmatige rechthoekige vlakken met een lengte van 1,0-5,0 urn en een breedte van 0,1-2,0 urn. Uit de gegevens in figuur 2 bleek dat de intensiteiten van de XRD-pieken in de curve zwakker waren dan die in de curve , waaruit blijkt dat de calcinatie-hydratatiebehandeling de vorming van CaSO4-2H2O met geringe kristalliniteit bevorderde. De korrelgrootte van de grondstof, het gloeimonster en het hydratatiemonster werd geschat op respectievelijk 94,9 nm, 37,5 nm en 39,5 nm, gebaseerd op de (020) pieken die zich bij ° en de Scherrer-vergelijking bevinden: , waarbij , , en staan voor de korrelgrootte, de golflengte van de Cu Kα (1,54178 Å), de volle breedte bij half maximum (FWHM), en de Scherrer constante , respectievelijk.

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

Figuur 2

XRD-patronen van grondstoffen (1), calcinatie (2), en calcinatie-hydratatie (3) monsters. Het zwarte vierkant staat voor CaSO4-2H2O, de zwarte cirkel voor CaSO4-0.5H2O.

De BET- en de geagglomereerde deeltjesgrootte van de grondstof, het calcinatiemonster en het hydratatiemonster worden getoond in figuur 3. De BET en de geagglomereerde deeltjesgrootte waren 4,75 m2-g-1 en 29,7 μm voor de grondstof, 13,37 m2-g-1 en 15,5 μm voor het gloeimonster, en 19,12 m2-g-1 en 15,1 μm voor het hydratatiemonster, waaruit de toename van de BET en de afname van de geagglomereerde deeltjesgrootte van de monsters na de calcinatie en de calcinatie-hydratatie behandeling blijkt. Het bovenstaande werk toonde aan dat de calcinatie-hydratatie behandelinghydratatie behandeling de activering van de CaSO4-2H2O precursor

(a)

(b)

(a)
(b)

Hydrothermische vorming van CaSO4-0,5H2O whiskers uit actieve CaSO4-2H2O precursor.

Figuur 4 toont de variatie van en met hydrothermale reactietijd. Vergeleken met de commerciële CaSO4-2H2O, de actieve CaSO4-2H2O geproduceerd door calcinatie-hydratatie behandeling was makkelijker te worden opgelost bij hydrothermische voorwaarde, zodat en in de actieve CaSO4-2H2O systeem waren hoger dan die in de commerciële CaSO4-2H2O systeem. De geleidelijke toename van en binnen 2.0-3.0 h wees op de snellere oplossing van de CaSO4-2H2O dan de neerslag van CaSO4-0.5H2O, terwijl de daling van en in de latere tijd de snellere neerslag van CaSO4-0.5H2O dan de ontbinding van CaSO4-2H2O openbaarde.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figuur 5 toont de variatie van de morfologie van de monsters met hydrothermale reactietijd. De commerciële CaSO4-2H2O werd omgezet in CaSO4-0.5H2O whiskers na 2,0 uur hydrothermale behandeling, terwijl de actieve CaSO4-2H2O geproduceerd door calcinatie-hydratatie behandeling werd veranderd in CaSO4-0.5H2O whiskers na 1,0 uur hydrothermale reactie als gevolg van de versnelling van de hydrothermale ontbinding-precipitatie proces. Er werd ook opgemerkt dat de diameters van de CaSO4-0.5H2O whiskers gevormd uit de actieve CaSO4-2H2O veel dunner waren dan die van de commerciële CaSO4-2H2O. Bijvoorbeeld, na 4,0 uur hydrothermale reactie werden de CaSO4-0.5H2O whiskers met een diameter van 1,0-5,0 μm, een lengte van 5-100 μm, en een aspectverhouding van 20-80 bereid uit de commerciële CaSO4-2H2O, terwijl CaSO4-0.5H2O whiskers met een diameter van 0,1-0,5 micrometer, een lengte van 30-200 micrometer, en een hoogte-breedteverhouding van 270-400 werden geproduceerd uit de actieve CaSO4-2H2O precursor (figuren 5 (e) en 5 (j)).

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

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

Figuur 6 toont de schematische tekening voor de omzetting van het in de handel verkrijgbare/actieve CaSO4-2H2O in CaSO4-0,5 H2O whiskers. De actieve CaSO4-2H2O precursor met kleine korrelgrootte en hoge BET werd gevormd door calcinatie-hydratie behandeling, die de hydrothermale oplossing van CaSO4-2H2O versnelde en de vorming van CaSO4-0.5H2O whiskers met hoge aspect ratio’s bevorderde.

Figuur 6

Schematische tekening voor de omzetting van commerciële/actieve CaSO4-2H2O naar CaSO4-0.5H2O whiskers.

4. Conclusie

Actieve CaSO4-2H2O precursor verbeterde de morfologie van de CaSO4-0.5H2O whiskers. Actieve CaSO4-2H2O werd geproduceerd door calcinatie van de commerciële CaSO4-2H2O bij 150 ° C gedurende 6,0 uur, gevolgd door hydratatie bij kamertemperatuur gedurende 1,0 uur. Het gebruik van de actieve CaSO4-2H2O bevorderd de hydrothermale oplossing van CaSO4-2H2O en de vorming van CaSO4-0.5H2O whiskers met hoge hoogte-breedteverhoudingen, het produceren van CaSO4-0.5H2O whiskers met een lengte van 30-200 μm, een diameter van 0,1-0,5 μm, en een aspectratio van 270-400.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation van China (nr. 51234003 en nr. 51174125) en het National Hi-Tech Research and Development Program van China (863 Program, 2012AA061602).