Abstract

Influens av aktiviteten hos kalciumsulfatdihydrat (CaSO4-2H2O) på den hydrotermiska bildningen av CaSO4-0.5H2O-whiskers undersöktes i den här uppsatsen, med kommersiellt CaSO4-2H2O som råmaterial. De experimentella resultaten visade att aktiviteten hos CaSO4-2H2O förbättrades efter bränning av det kommersiella CaSO4-2H2O vid 150 °C i 6,0 timmar följt av hydrering vid rumstemperatur i 1,0 timmar, vilket motsvarade en minskning av de agglomererade partikelstorlekarna från 29,7 μm till 15,1 μm, en ökning av de specifika ytorna (BET) från 4,75 till 19,12 och kornstorlekarna från 95 nm till 40 nm. Det aktiva CaSO4-2H2O som produceras genom kalcinering-hydratisering gynnade den hydrotermiska upplösningen av CaSO4-2H2O, vilket främjade bildandet av hemihydratkalciumsulfat (CaSO4-0,5H2O) whiskers med höga aspektförhållanden.

1. Introduktion

Syntesen av kalciumsulfat (CaSO4) whiskers med höga aspektförhållanden och homogen morfologi har rönt stor uppmärksamhet under de senaste åren eftersom de kan användas som förstärkande material inom många områden som plast, keramik och papperstillverkning, och så vidare .

CaSO4-wiskers framställdes vanligen genom hydrotermisk bildning av CaSO4-0,5H2O-wiskers från CaSO4-2H2O-prekursor följt av kalcinering av CaSO4-0,5H2O-wiskers vid förhöjda temperaturer. Wang et al. framställde CaSO4-0.5H2O whiskers med ett längdförhållande på 5-20 vid 115 °C med naturlig gips som reaktant. Wang et al. fann att användningen av den superfina CaSO4-2H2O-prekursorn var avgörande för bildandet av CaSO4-0.5H2O-wiskrar med liten diameter och framställde CaSO4-0.5H2O-wiskrar med en diameter på 0,19 μm och ett aspektenhetsförhållande på 98 via hydrotermisk omvandling av finmalet gips med en agglomerationsstorlek som är mindre än 18,1 μm vid 120 °C . Xu et al. framställde CaSO4-0.5H2O whiskers med en längd på l00-750 μm och en diameter på 0,1-3 μm vid 110-150°C från avsvavlingsgips som huvudsakligen består av CaSO4-2H2O (93,45 viktprocent) och CaCO3 (1,76 viktprocent), med hjälp av H2SO4 för att omvandla CaCO3-föroreningen till aktivt CaSO4-2H2O. Yang et al. framställde kalciumsulfatwhiskers 50-450 μm genom hydrotermisk behandling av avsvavlingsgips vid 130 °C i 1,0 timme i närvaro av K2SO4 . Det noterades att de flesta av de tidigare arbetena visade att användningen av den aktiva CaSO4-2H2O-prekursorn främjade den hydrotermiska bildningen av CaSO4-0,5H2O-wiskrar med höga aspektförhållanden.

I denna uppsats utvecklades en enkel kalcinering-hydrering hydrotermisk reaktionsmetod för att syntetisera den aktiva CaSO4-2H2O-prekursorn från kommersiellt CaSO4-2H2O och för att producera CaSO4-0,5H2O-wiskers med höga aspektförhållanden vid hydrotermiska förhållanden. Kalcineringens och hydreringens inverkan på morfologin och strukturen hos CaSO4-2H2O-prekursorn samt på morfologin hos CaSO4-0.5H2O-viskarna studerades.

2. Experimentellt

2.1. Experimentell procedur

Kommersiellt CaSO4-2H2O med analytisk kvalitet användes som råmaterial i experimenten. CaSO4-2H2O sintrades vid 150 °C i 3,0-6,0 timmar och blandades sedan med avjoniserat vatten för att hålla viktförhållandet mellan fast ämne och vatten på 1,0-5,0 viktprocent. Efter omrörning (60 r-min-1) vid rumstemperatur i 1,0 timmar behandlades suspensionen med 1,0-5,0 viktprocent CaSO4-2H2O i en autoklav vid 135 °C i 4,0 timmar. Efter den hydrotermiska behandlingen filtrerades suspensionen och torkades vid 105 °C i 6,0 timmar.

2.2. Karakterisering

Provernas morfologi upptäcktes med fältemissionsröntgenelektronmikroskop (JSM 7401F, JEOL, Japan). Provernas strukturer identifierades med pulverröntgendiffraktometer (D8 advanced, Brucker, Tyskland) med Cu Kα-strålning . Provernas agglomererade partikelstorlekar analyserades med laserpartikelanalysatorn (Micro-plus, Tyskland). Det lösliga Ca2+ och analyserades med EDTA-titrering respektive bariumkromatspektrofotometri (modell 722, Xiaoguang, Kina).

3. Resultat och diskussion

3.1. Bildning av aktivt CaSO4-2H2O via kalcinerings- och hydreringsvägen

Morfologin och XRD-mönstren för råmaterialet (a), kalceringsprovet (b) och hydreringsprovet (c) visas i figurerna 1 respektive 2. CaSO4-2H2O-råvaran bestod av oregelbundna plattor (en längd på 1,5-20,0 μm och en bredd på 3,5-10,0 μm) och partiklar (en diameter på 0,5-5,5 μm). Efter kalcinering vid 150 °C i 6,0 timmar omvandlades CaSO4-2H2O-råvaran till CaSO4-0,5H2O oregelbundna rektangelplattor med en längd på 1,0-10,0 μm och en bredd på 0,2-3,0 μm. Hydrering av CaSO4-0,5H2O vid rumstemperatur ledde till bildandet av CaSO4-2H2O oregelbundna rektangelplan med en längd på 1,0-5,0 μm och en bredd på 0,1-2,0 μm. Data i figur 2 visade att intensiteten hos XRD-topparna i kurvan var svagare än i kurvan , vilket avslöjar att kalcinerings- och hydreringsbehandlingen främjade bildandet av CaSO4-2H2O med dålig kristallinitet. Kornstorlekarna för råmaterialet, kalcineringsprovet och hydreringsprovet uppskattades till 94,9 nm, 37,5 nm respektive 39,5 nm, baserat på (020)-topparna vid ° och Scherrer-ekvationen: , där , , , , , och står för kornstorleken, våglängden för Cu Kα (1,54178 Å), den fulla bredden vid halvmaximum (FWHM) och Scherrerkonstanten , respektive.

(a)

(b)

(c)

.
(a)
(b)
(c)

Figur 1

Morfologi för råmaterial (a), kalcinering (b) och kalcinering-hydrering (c).

BET- och agglomererade partikelstorlekar för råmaterialet, kalcineringsprovet och hydreringsprovet visas i figur 3. BET och de agglomererade partikelstorlekarna var 4,75 m2-g-1 och 29,7 μm för råmaterialet, 13,37 m2-g-1 och 15,5 μm för kalcineringsprovet och 19,12 m2-g-1 och 15,1 μm för hydreringsprovet, vilket avslöjar ökningen av BET och minskningen av de agglomererade partikelstorlekarna för proverna efter kalcineringen och kalcinerings- och hydreringsbehandlingen. Ovanstående arbete visade att kalcinering-hydreringsbehandlingen gynnade aktiveringen av CaSO4-2H2O-prekursorn

(a)

(b)

.

(a)
(b)

Hydrotermisk bildning av CaSO4-0,5H2O whiskers från aktiv CaSO4-2H2O prekursor.

Figur 4 visar variationen av och med hydrotermisk reaktionstid. Jämfört med det kommersiella CaSO4-2H2O var det aktiva CaSO4-2H2O som framställdes genom kalcinering-hydratisering lättare att lösas upp vid hydrotermiska förhållanden, så att och i det aktiva CaSO4-2H2O-systemet var högre än i det kommersiella CaSO4-2H2O-systemet. Den gradvisa ökningen av och inom 2,0-3,0 timmar indikerade den snabbare upplösningen av CaSO4-2H2O än utfällningen av CaSO4-0,5H2O, medan minskningen av och under senare tid avslöjade den snabbare utfällningen av CaSO4-0,5H2O än upplösningen av CaSO4-2H2O.

(a)

(b)

.
(a)
(b)

Figur 4

Variation av (a) och (b) med hydrotermisk reaktionstid. Prekursor: 1: kommersiellt CaSO4-2H2O, 2: aktivt CaSO4-2H2O.

Figur 5 visar variationen av provernas morfologi med hydrotermisk reaktionstid. Det kommersiella CaSO4-2H2O omvandlades till CaSO4-0,5H2O whiskers efter 2,0 timmars hydrotermisk behandling, medan det aktiva CaSO4-2H2O som producerats genom kalcinering-hydratisering ändrades till CaSO4-0,5H2O whiskers efter 1,0 timmars hydrotermisk reaktion på grund av att den hydrotermiska upplösnings- och utfällningsprocessen påskyndas. Det noterades också att diametern på de CaSO4-0,5H2O-wiskrar som bildades från det aktiva CaSO4-2H2O var mycket tunnare än diametern på det kommersiella CaSO4-2H2O. Efter 4,0 timmars hydrotermisk reaktion framställdes t.ex. CaSO4-0.5H2O-wiskrar med en diameter på 1,0-5,0 μm, en längd på 5-100 μm och ett längdförhållande på 20-80 från det kommersiella CaSO4-2H2O, medan CaSO4-0.5H2O whiskers med en diameter på 0,1-0,5 μm, en längd på 30-200 μm och ett längdförhållande på 270-400 framställdes från den aktiva CaSO4-2H2O-prekursorn (figurerna 5(e) och 5(j)).

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

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

Figur 5

Provernas morfologi varierar med hydrotermisk reaktionstid Prekursor: (a)-(e): kommersiellt 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 visar den schematiska ritningen för omvandlingen av det kommersiella/aktiva CaSO4-2H2O till CaSO4-0,5 H2O whiskers. Den aktiva CaSO4-2H2O-prekursorn med liten kornstorlek och hög BET bildades genom kalcinering-hydratiseringsbehandling, vilket påskyndade den hydrotermiska upplösningen av CaSO4-2H2O och främjade bildandet av CaSO4-0,5H2O-wiskrar med höga aspektförhållanden.

Figur 6

Skematisk ritning för omvandling av kommersiellt/aktivt CaSO4-2H2O till CaSO4-0.5H2O whiskers.

4. Slutsats

Aktiv CaSO4-2H2O prekursor förbättrade morfologin hos CaSO4-0.5H2O whiskers. Aktivt CaSO4-2H2O framställdes genom kalcinering av det kommersiella CaSO4-2H2O vid 150°C i 6,0 h följt av hydrering vid rumstemperatur i 1,0 h. Användningen av det aktiva CaSO4-2H2O gynnade den hydrotermiska upplösningen av CaSO4-2H2O och bildandet av CaSO4-0.5H2O whiskers med hög aspektförhållande, vilket gav CaSO4-0.5H2O whiskers med en längd på 30-200 μm, en diameter på 0,1-0,5 μm och ett aspektförhållande på 270-400.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av Kinas nationella vetenskapsstiftelse (nr 51234003 och nr 51174125) och Kinas nationella program för forskning och utveckling av högteknologisk forskning och utveckling (863 Program, 2012AA061602).