3.2.2 硫酸钙晶须的应用

3.2.2 硫酸钙晶须的应用

硫酸钙晶须作为一种绿色环保型晶须材料,广泛用于新材料、传统材料的改性以及环境工程等领域。具体可用于高分子材料、热固性树脂、复合材料、涂料、胶黏剂、水泥、石膏腻子、油漆、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、隔音隔热、耐火隔热材料、红外线反射材料和包覆电线的高绝缘材料。应用较为广泛的领域如下。

1)作为增强填料

硫酸钙晶须可作为金属、塑料、橡胶、聚氨酯等高分子复合材料的增强调剂,如在塑料中加入硫酸钙晶须,可提高其机械强度、耐热性及尺寸稳定性。

2)作为摩擦材料可提高摩擦材料的稳定性

硫酸钙晶须可代替石棉作为新型摩擦材料,以代替有毒的石棉。有效地增强摩擦材料的耐拉伸强度、耐磨性、弹性、摩擦稳定性和使用寿命。陈辉等将硫酸钙晶须掺杂到酚醛树脂基体中,发现复合材料的热稳定性和抗摩擦性能都有提高。卢明宇等在制动片制备过程中加入少许硫酸钙晶须,研究表明在高达350℃时,制动片仍具有较高的磨损率和摩擦系数,平均硬度值约为50 RHM。

3)作为沥青改性材料

硫酸钙晶须作为沥青填料及增强剂,硫酸钙晶须能与沥青较好地融合,硫酸钙晶须添加到沥青中,可在热力,机械力的作用下,以细微纤维状无序地分散在沥青混合料中,由于其尺寸细微,与其他填料相比,硫酸钙晶须与沥青之间的相容性要好得多;同时,硫酸钙晶须能与沥青基体形成部分交联网络结构,降低沥青胶体的流动性,提高其黏度和抗高温变形能力,从而增加沥青混合料抵抗外部荷载的能力,提高沥青的软化温度、针入度,降低其延展度,因此,硫酸钙晶须改性的高模量沥青混合料可以在不降低混合料低温性能的同时,有效地提高混合料的高温稳定性、水稳性和抗疲劳性能;硫酸钙晶须对提高沥青的软化温度有着决定性的影响,在沥青中加入质量分数为18%的硫酸钙晶须后,软化点可提高20℃以上。此外,硫酸钙晶须是微纤维状单晶体,具有颗粒状填料的粒度和短纤维填料的长径比,具有强度高、韧性好、耐高温、抗化学腐蚀、亲合力强、无毒和价格低等优点,用它改性道路沥青具有较为明显的优势,在高等级公路,城市干道,机场道面铺装及屋面防水等领域应该拥有一定的应用。

4)作为胶粘、涂料和油漆的填料

硫酸钙晶须具有优良的耐热、防腐蚀、防火、绝缘等物理化学性质,将其分散在涂料中能够增强其性能和节约成本。可应用于防水、防火等多功能涂料中。硫酸钙晶须作为涂料和油漆填料,可有效提高涂料和油漆的附着力、耐高温性、绝缘性和抗干裂性等,还可在一定程度上提高其白度。有学者通过硫酸钙晶须在乳胶漆中的应用研究表明:在乳胶漆中添加0.5%~2.5%硫酸钙晶须时,能明显增加漆膜的消光性、弹性、附着力和抗洗刷性能,还可以降低漆膜的光泽,替代消光剂使用。

将硫酸钙晶须与其他粒子填充剂混合用于配制环氧胶黏剂,效果更佳。如改性硫酸钙晶须与石英粉混合作为填充剂,同只用单一改性硫酸钙晶须作填充剂相比,配制的环氧胶黏剂的拉伸强度和剪切强度又可提高7%~17%;与当前常用的填充剂相比较,经过硅烷偶联剂改性的硫酸钙晶须配制的环氧胶黏剂,其拉伸强度相对可以提高50%~120%,剪切强度相对可以提高40%~140%,效果十分明显。硫酸钙晶须代替部分木浆造纸,不仅可改善纸张白度、强度,还可减少天然植物纤维的消耗和制浆过程中废水的排放;硫酸钙晶须用于环氧建筑结构胶黏剂,可提高其机械性能,改善操作工艺,延长储存期,方便施工操作。用硫酸钙晶须配制环氧树脂胶黏剂,可以大大提高胶黏剂的性能,应用前景十分广阔。同时,硫酸钙晶须为石膏矿的深加工应用开辟了新的途径。

5)作为过滤材料

硫酸钙晶须比表面积大、松散密度小、蓬松度高、无毒无污染,由于其原料资源丰富、制备工艺简单、价格低廉,可直接用作废气废水的过滤净化材料,甚至可以为饮料、药品等充当过滤材料。(https://www.daowen.com)

6)纳米光电子器件中的应用

纳米级的硫酸钙晶须石膏晶须直径为50~100 nm,能够在激发波长为225 nm的紫外光下发射出339 nm的紫外光,这种光致发光的特性能够在纳米光电子器件中得到应用。

7)在造纸工业的应用

硫酸钙晶须与纸纤维相容性的提高可通过改善晶须长径比、加填量以及进行晶须表面改性来实现。长径比较大的晶须更容易被缠绕的纸纤维截留,与纸纤维交织在一起,构成纸纤维与晶须相互穿插的网絮三维结构;对晶须直径进行有效控制,可解决晶须伸缩性小、柔韧性差而导致成纸困难的问题。晶须加填量过低,晶须作为造纸填料的优势得不到发挥;加填量过高,晶须难以分散,纸张性能降低,机械磨损严重。纸纤维表面一般带有电荷或有裸露基团,改性后的晶须表面具有极性基团,基团间的化学键或吸附作用将使晶须与纸纤维建立起有效的键接,有助于纸页性能的提高。王海成等采用湿法改性,将硫酸钙晶须与造纸料浆、改性剂AKD、CPAM均匀混合,硫酸钙晶须经改性处理后,在25%加填量下手灰分达到15.07%,和PCC加填纸张的灰分基本相同;在相同加填量下,硫酸钙晶须加填纸样的抗张指数和耐破指数远高于碳酸钙加填纸样,但纸样白度和光射散系数有所降低。

刘菲菲等通过高温煅烧和硬脂酸湿法改性分别对硫酸钙晶须进行处理,改性后纸页灰分和白度都有显著提高,煅烧改性后纸页灰分由原来的2.91%提高到9.97%,白度提高了1.64%ISO,湿法改性后纸页灰分由2.91%提高到8.08%,白度提高2.16%ISO,撕裂指数下降了8.2%,其他强度指标变化不明显;但由于填料阻止了纤维之间氢键的结合,加填料的纸张与空白纸样相比,其强度均有不同程度的下降,硫酸钙晶须的白度、强度可能与原料和晶须制备工艺有关。卢振华等分别将磷石膏晶须添加到针叶木浆和麦草浆中配抄原纸,与空白组对比,在晶须最佳添加量下针叶木浆纸白度由83.22提高到83.38,麦草浆纸白度由69.86提高到71.30,可见其使用的磷石膏晶须并没有有效提高纸张的白度。

陈学玺等研究了磷石膏晶须与天然石膏晶须对纸张白度、强度、耐折度、耐破度的影响,当两种晶须添加量相同时,天然石膏晶须纸张强度、耐折度、耐破度明显高于磷石膏晶须纸张,而磷石膏晶须纸张白度却高于天然石膏纸张。这说明以磷石膏为原料制备的硫酸钙晶须和以天然石膏为原料制备的晶须在性能上还是存在一定差别。磷石膏与天然石膏相比,一方面,二者在成分和晶须制备工艺上有很大不同,这可能使晶须产生结构上的差异或缺陷,直接导致制备出的晶须自身性能如长径比、硬度等存在差异,从而影响加填纸张的性能;另一方面,磷石膏含有碱金属盐及碱土金属盐、磷酸根等物质,这些物质可能伴随晶须进入造纸系统。造纸系统中,无机阴阳离子对潮湿性能影响显著。随着白水系统中盐含量增加,高分子助剂的存在形态将从舒展的条状缩成球状,与纤维的接触面积减小,桥联作用大大降低,影响纤维和填料留着率及纸张性能。研究表明,在白水循环积累的物质中,K+、Na+、Ca2+、Mg2+等半径小、电荷密度高的低价或轻金属非黏附性物质以及氯离子、硫酸根离子和磷酸根离子将明显提高白水Zeta电位,降低助留剂使用效率,影响纸张性能。需要进一步研究的问题有:①磷石膏成分复杂,杂质对晶须生长的影响有待研究,并据此进行磷石膏的选择性预处理;②晶须制备与改性添加剂作用机理及添加剂种类研究有待加深,在保持晶须良好性能的前提下,改性还要考虑晶须与材料间作用力的建立;③要详细考察工艺条件与晶须各性能之间的关系,特别是晶须缺陷问题;④着手建立晶须应用于造纸的行业标准,明确晶须性能对造纸工艺、纸张性能的定量作用。

8)在废水处理中应用

硫酸钙晶须具有大的比表面积和表面自由能,可应用到废水中重金属离子的去除。姚京君等将硫酸钙晶须用于含磷废水的去除,除磷率可达到90%以上;刘玲等利用硫酸钙晶须对废水中的浮华油进行去除研究,发现具有高效的除油效果并且所需量少,不会产生二次污染。杨双春等分别研究了硫酸钙晶须在各种染料废水的脱色效果和对Pb2+的吸附性能,发现脱色率高达80%以上,重复性好,利用率高;在印染废水和高氨氮废水污水处理中应用时,由于这类废水的化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、悬浮物(suspended solids,SS)、色度较高而且可生化性较差,废水的特性决定了污水处理工艺必须采用物化-生化相结合的方法,利用磷酸工业产生的副产物——硫酸钙晶须分别对染料废水和氨氮图示废水进行吸附脱色除氮,吸附过程在60 min达到吸附平衡,废水色度和总有机碳(total organic carbon,TOC)去除率分别为88%和45%。

9)在催化剂中应用

硫酸钙晶须具有良好的催化性,对催化合成醋酸正丁酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯等酯合成反应的催化效率高,酯化产率达90%以上,且催化剂重复使用次数几乎不影响其催化性能。

10)在生物医学中应用

硫酸钙晶须是一种优良的骨传导材料,具有良好的生物相容性。李伟等在硫酸钙复合材料中掺杂锶后发现该复合材料能够改善和修复骨缺损。