毛欣鈺，王宇斌，馬曉曉，李淑芹，王 鑫

(西安建筑科技大學 資源工程學院，陜西 西安 710055)

0 引言

硫酸鈣晶須又被稱作石膏晶須，崔益順等[1-3]利用天然石膏粉、脫硫石膏以及廢電石渣為原料制備出了纖維狀的硫酸鈣晶須。硫酸鈣晶須理化性質(zhì)優(yōu)異，并且結(jié)構(gòu)、尺寸穩(wěn)定性好。由于生產(chǎn)半水硫酸鈣晶須不需要很高的成本，所以很受市場青睞，并在保溫、摩擦和建材領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[4-10]。經(jīng)過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)：半水硫酸鈣晶須的機械性能會隨其長徑比的增大而得到改善[11]；但半水硫酸鈣晶須與水接觸后會發(fā)生水化反應而導致其晶體結(jié)構(gòu)破壞，同時晶須的長度變短，長徑比明顯減小，嚴重影響晶須的性能[12]。本課題組曾以半水硫酸鈣晶須為研究對象并對其水化過程進行了探討，結(jié)果表明，晶須水化后其長徑比減小，晶形也發(fā)生了變化[13]。因為在實際應用中影響半水硫酸鈣晶須水化能力的因素較多，如水化溫度、水化時間和水化質(zhì)量分數(shù)等，因此本課題組針對溫度對半水硫酸鈣晶須水化能力的影響進行了試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：半水硫酸鈣晶須水化過程受溫度影響較大，隨著水化溫度的升高水化過程變慢；當水化溫度大于100 ℃時，晶須不發(fā)生水化，并且晶須長徑比隨著水化溫度升高而減小的趨勢逐漸減弱[14]。為總結(jié)半水硫酸鈣晶須的水化能力受各種因素的影響規(guī)律，本研究以半水硫酸鈣晶須水化質(zhì)量分數(shù)與其水化能力的關(guān)系為切入點，對不同水化質(zhì)量分數(shù)下半水硫酸鈣晶須的水化特點進行了研究，以期為其水化能力的調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 原料

半水硫酸鈣晶須試樣是通過水熱法在陜西某石膏礦生產(chǎn)的。制備條件：溫度120 ℃、反應30 min、烘干溫度為110～120 ℃、烘干時間為1.5 h。

1.2 試驗儀器及設(shè)備

101-1型烘箱，X＇Pert Pro MPD型X射線衍射儀，SSX-550型掃描電鏡。

1.3 試驗及檢測方法

1.3.1 試驗方法

將適量半水硫酸鈣晶須配制成不同質(zhì)量分數(shù)的晶須懸浮液，然后對其進行水化反應，在半水硫酸鈣晶須靜置水化30 min后取樣、洗滌并終止水化，最后脫水、烘干，并對半水硫酸鈣晶須水化產(chǎn)物進行長徑比計算、形貌觀察和物相組成分析。

1.3.2 X射線衍射分析

使用 X＇Pert Pro 型 X 射線衍射儀進行檢測，工作參數(shù)為：管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描范圍2θ=5°～90°，采用步進掃描，步長為0.033°，每步停留時間20.68 s，入射線波長1.541 ?，掃描速度12°/min，工作溫度25 ℃。

1.3.3 SEM檢測

采用 SSX-550 型掃描電鏡觀察半水硫酸鈣晶須樣品形貌。將試樣烘干后用無水乙醇均勻分散并涂覆在玻璃基體表面，噴金處置后用放大倍率為500、2 000、5 000等的掃描電子顯微鏡進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 水化質(zhì)量分數(shù)對半水硫酸鈣晶須長徑比的影響

試驗開始前先將半水硫酸鈣晶須配制成質(zhì)量分數(shù)分別為1.0%、2.5%、5.0%、10.0%的懸浮液，在常溫下靜置水化30 min，最后使用生物顯微鏡測量其長徑比，結(jié)果如圖1所示。

圖1 半水硫酸鈣晶須水化產(chǎn)物長徑比與水化質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系

由圖1可知：半水硫酸鈣晶須在不同質(zhì)量分數(shù)下進行水化時其長徑比發(fā)生了較大的變化；當水化質(zhì)量分數(shù)為1.0%、水化產(chǎn)物長徑比為6左右且當水化質(zhì)量分數(shù)進一步增大時，水化產(chǎn)物的長徑比也隨之增大；當水化質(zhì)量分數(shù)為10.0%時，晶須長徑比由最初的6變?yōu)?0。由此可見，水化質(zhì)量分數(shù)越大半水硫酸鈣晶須的水化速度就越慢，而其長徑比也越大，亦即其水化能力越弱。

2.2 水化質(zhì)量分數(shù)對半水硫酸鈣晶須形貌的影響

試驗對半水硫酸鈣晶須在靜置水化時間為 30 min 的條件下不同質(zhì)量分數(shù)水化產(chǎn)物的形貌進行了SEM觀察，結(jié)果如圖2和圖3所示。

從圖2可以看出，不同水化質(zhì)量分數(shù)晶須水化產(chǎn)物的外形區(qū)別并不大，基本都為纖維狀，但是隨著水化質(zhì)量分數(shù)的增大，晶須斷裂的程度逐步減小。當水化質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，水化產(chǎn)物長度較小，直徑較大，表面較為粗糙；當水化質(zhì)量分數(shù)為10.0%時，晶須表面比較光滑，且大部分晶須沒有斷裂，仍保持較大的長徑比?？梢娝|(zhì)量分數(shù)越大，越不利于晶須的水化。此外，如圖3所示，水化質(zhì)量分數(shù)越大晶須黏連越明顯。黏連的晶須在水中暴露面積較小，這也使得晶須水化速度變小，水化能力減弱。

圖2 不同水化質(zhì)量分數(shù)下晶須水化產(chǎn)物的SEM圖片

圖3 不同水化質(zhì)量分數(shù)下的晶須黏連情況

2.3 晶須水化產(chǎn)物的物相分析

為進一步確定不同水化質(zhì)量分數(shù)下半水硫酸鈣晶須水化產(chǎn)物物相組成的變化，試驗對半水硫酸鈣晶須水化30 min的產(chǎn)物進行了XRD分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同水化質(zhì)量分數(shù)下晶須水化產(chǎn)物的XRD圖譜

從圖4可以看出：半水硫酸鈣晶須在1.0%的水化質(zhì)量分數(shù)下水化30 min時，水化產(chǎn)物的特征衍射峰為二水硫酸鈣晶須的特征峰；水化質(zhì)量分數(shù)增至10.0%時,水化產(chǎn)物的特征衍射峰仍為二水硫酸鈣晶須的特征峰?？梢娝|(zhì)量分數(shù)的增大不能影響半水硫酸鈣向二水硫酸鈣的轉(zhuǎn)變。

2.4 水化質(zhì)量分數(shù)對晶須水化能力的影響分析

半水硫酸鈣晶須的水化過程是發(fā)生在水和晶須界面的多相化學反應過程，其反應速度由以下步驟決定：①水分子吸附在半水硫酸鈣晶須表面，同時半水硫酸鈣晶須表面的Ca2+和SO42-也向溶液中擴散溶解；②水分子進入半水硫酸鈣晶須內(nèi)部并與半水硫酸鈣晶須反應生成二水硫酸鈣晶須；③二水硫酸鈣晶須不斷粗化，不同晶形的二水硫酸鈣晶體不斷生成，這一階段的速度主要由懸浮液質(zhì)量分數(shù)和溫度控制[13]。當半水硫酸鈣晶須水化的質(zhì)量分數(shù)過小時，晶須表面與水的相對接觸面積增大，會促進晶須表面的鈣離子和硫酸根離子進入溶液中，使晶須表面產(chǎn)生裂縫等晶體缺陷并使晶須發(fā)生斷裂，最終導致晶須的長徑比減小[14]。隨著水化質(zhì)量分數(shù)的增大，晶須溶液的黏度也隨之增大，這不僅會阻礙溶液中的水分子向晶須表面的擴散，還不利于溶液中水分子通過毛細引力進入晶須內(nèi)部與晶須發(fā)生水合反應，最終不利于晶須體積的膨脹。此外，水化質(zhì)量分數(shù)的增大還增大了晶須表面鈣離子和硫酸根離子向溶液中的擴散阻力，因而不利于晶須產(chǎn)生晶體缺陷和晶須的斷裂。結(jié)合不同水化質(zhì)量分數(shù)的半水硫酸鈣晶須水化產(chǎn)物的SEM圖片也可以看出，隨著水化質(zhì)量分數(shù)的增大，晶須表面光滑的特性沒有發(fā)生變化，大部分晶須沒有斷裂。由此可見，水化質(zhì)量分數(shù)的增大會造成半水硫酸鈣晶體水化產(chǎn)物的長徑比增大，亦即不利于半水硫酸鈣晶須的水化。

3 結(jié)論

a.當半水硫酸鈣晶須水化質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，晶須水化產(chǎn)物的長徑比為6左右；當水化質(zhì)量分數(shù)進一步增大時，水化產(chǎn)物的長徑比也隨之增大；當水化質(zhì)量分數(shù)為10.0%時，晶須長徑比由最初的6變?yōu)?0左右。

b.水化質(zhì)量分數(shù)增大導致半水硫酸鈣晶須水化能力變?nèi)醯脑蛟谟冢?隨著水化質(zhì)量分數(shù)的增大，溶液的黏度也增大，不僅阻礙了水分子向晶須表面的擴散，還增大了晶須表面鈣離子和硫酸根離子向溶液中的擴散阻力，這不利于晶須的斷裂。此外，水化質(zhì)量分數(shù)的增大還不利于溶液中水分子進入晶須內(nèi)部與晶須發(fā)生水合反應，最終不利于晶須體積的膨脹。該研究結(jié)果對調(diào)控半水硫酸鈣晶須的水化能力有一定的參考意義。