[发明专利]一种运用多物理场耦合辅助石膏制备硫酸钙晶须的方法

说明书

本发明公开了一种运用多物理场耦合辅助石膏制备硫酸钙晶须的方法，其特征在于：常温下，石膏原材料采用电磁强化除杂纯化，在超声作用下用质量浓度1%~5%的稀硫酸调节pH至1~2后，添加转晶剂，在超声作用下混合均匀，然后施加多物理场，在多物理场的耦合作用下让不同的石膏晶体类型转化为α‑石膏晶体并刺激硫酸钙晶须的生长，最后静置8~12h待晶须析出后，取出干燥，即得硫酸钙晶须；本发明制得的硫酸钙晶须长径比高达100~150，晶须生长速度快，且晶须生长整齐、粒径均匀，长度、长径比可控，而且生产成本低、污染小、能耗低、产率高，本发明合制备工艺简单、不需要高温制备，制备成本大幅度降低。

技术领域

本发明属于晶体材料制备的技术领域，具体涉及一种运用多物理场耦合辅助石膏制备硫酸钙晶须的方法。

背景技术

开发利用废弃的石膏不仅是工业固体废弃物综合整治及固体废弃物污染控制的重要举措，也是缓解我国乃至世界资源能源危机、减少工业固体废弃物随意堆放以及污染的必由之路，地球上储存的再生生资源贮量有限，主要依靠石油和天然气为原料的合成高分子材料以及其他有机化工产品将面临原料来源逐渐枯竭的困境，而大量具有巨大潜能资源化的石膏固体废物却没有得到很好的利用。对于石膏而言，目前，我国各类石膏存储量为704.3亿吨，石膏年产量1.53亿吨，但利用率为36%，约0.56亿吨，磷石膏的年均排放量达7000余万吨，累计堆存量已达3亿吨以上，全世界约有20个国家和地区的火电厂应用烟气脱硫系统控制SO₂排放，统计显示，2010年生产脱硫石膏超过2000万t，全球有90多个国家产生脱硫石膏，由于脱硫石膏的主要成分结晶硫酸钙（CaSO₄·2H₂O），所以用石膏来生产硫酸钙晶须是石膏固体废弃物高附加值利用的一种重要方式。

硫酸钙晶须是一种纤维状单晶材料，晶须增强塑料早在20世纪60年代就己出现，但由于当时生产工艺复杂，价格昂贵，应用受到限制。直到20世纪80年代，日本才率先研制出廉价的钛酸钾晶须，并作为增强剂用在陶瓷、塑料中。此后，晶须的研制、开发、应用在其它发达国家得到长足进展，目前己扩展到汽车、电子电气、仪器仪表、机械制造等领域。与玻璃纤维相比，无机晶须增强塑料最明显的优点在于其极高的强度，微细的尺寸，更易与树脂复合，因而更易加工，产品各向同性、外观质量优良。特别适用于制造形状复杂、尺寸精度高，表面光洁的制品。目前，无机晶须材料的开发应用比较活跃，硫酸钙晶须以极其优良的物化性能及相对低廉的造价吸引了工业界的重视。硫酸钙晶须是无水硫酸钙的纤维状单晶体，其尺寸稳定，平均长径比为80，硫酸钙晶须(或称石膏晶须、石膏纤维)具有高模量、高绝缘性、耐磨耗、耐酸碱、红外线反射性良好、易于表面处理、易与聚合物复合、无毒、耐高温、抗化学腐蚀、韧性好、强度高、易进行表面处理、和橡胶塑料等聚合物的亲和力强等优点，而价格却仅为碳化硅晶须的200～300分之一，具有很强的市场竞争力。目前常见的晶须制备方法硫酸钙晶须的制备方法主要有水压热法和常压酸化法。水压热法是将质量分数小于2%的二水石膏悬浮液加到水压热器中处理，在饱和蒸汽压下，二水石膏变为细小针状的水石膏，再经晶型稳定化处理，得到半水硫酸钙晶须。该方法生产成本高，应用受到限制。常压酸化法是指在一定温度下，高浓度二水硫酸钙悬浮液在酸性溶液中，可以转变成针状或纤维状半水硫酸钙晶须。与水压热法相比，此方法不需要压热器，且原料质量分数大大提高，成本大幅降低，易于工业化生产。有专利报道了利用氨碱厂废液与卤水制造硫酸钙晶须。具体方法是将氨碱厂蒸氨废液与制盐卤水混合先制得二水硫酸钙，再由二水硫酸钙通过常压酸化法制得半水硫酸钙晶须。许多研究表明，在硫酸钙晶须的加入下，能够改善合成材料的性能，而且还能大大降低生产成本，硫酸钙晶须在复合材料中同样具有较好的增强作用，如硫酸钙晶须在聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等塑料中可以改善制品的性能。以聚丙烯为例，硫酸钙晶须有改善塑料性能的作用，而且随着晶须加入量的增加，塑料的拉伸强度和弯曲强度明显提高，说明硫酸钙晶须对塑料有很好的增强效果。研究表明，硫酸钙晶须作为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯的填加剂，添加后所得制品性能良好，以填加65份和300份，计算，每吨塑料成本可降低190元和5300元左右。所以在运用石膏制备硫酸钙晶须方面具有广阔的研究价值和市场前景。它集增强纤维和超细无 机填料二者的优势于一体，可用于树脂、塑料、橡胶、涂料、油漆、造纸、沥青、废水脱色、金属合金、玻璃、陶瓷、磨擦和密封材料中作补强增韧剂或功 能型填料；又可直接作为过滤材料、保温材料、耐火隔热材料、红外线反射材料和包覆电线的高绝缘材料；在建材上还可代替玻璃纤维、石棉做防火石膏板骨架等。与其它晶须材料相比，硫酸钙晶须由于其性能优良，价格低廉而具有高的性能价格比，将成为一种应用领域较广、极具市场前景的无机盐晶须材料，目前国内市场年需求量超过200万吨。但由于现有制备方法成本仍较高，限制了硫酸钙晶须的应用。