CN100451182C - 一种非金属材料硫酸钙晶须的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非金属材料硫酸钙晶须的制备方法，该制备方法是以转炉渣为原料，经过研磨，硫酸浸出、过滤制成硫酸钙悬浮溶液，再经高温结晶法合成、分离、干燥，最终得到硫酸钙晶须产品，其纯度可达到98%以上。本发明使用转炉渣为原料，生产成本低，工艺流程短，产品质量好。可用作中等强度的填充剂，也可以代替石棉作摩擦材料、建筑材料、保温材料等，还可部分代替玻璃纤维。

Description

一种非金属材料硫酸钙晶须的制备方法
技术领域
本发明涉及工业废弃物的综合利用，具体涉及非金属材料加工技术领域，特别是利用转炉渣制备硫酸钙晶须的方法。
背景技术
随着钢产量的逐年增加，固体废弃物逐年增多，转炉渣就是其中的一种，排放量一般为粗钢产量的10％～15％，因为转炉渣中钙含量较高，存在粉化现象，制约其应用，目前转炉渣的应用范围较窄，且均为低附加值产品，在环境意识逐渐增强的今天，加强对转炉渣再利用技术的研究已成为热点课题。
目前转炉渣的处理技术主要有以下几种：回收转炉渣中的废钢铁；转炉渣用作烧结矿熔剂；转炉渣用作炼钢返回渣；转炉渣用作铁水预处理熔剂；利用转炉渣生产水泥；经处理后的转炉渣用于铺路和生产建筑材料；转炉渣用作被污染水域的水质净化剂；用转炉渣生产喷磨料。但上述方法都未达到对转炉渣的有效的利用。
晶须是指以单晶形式生长的具有一定长径比形状类似纤维材料，由于晶须的高度取向结构，不仅使其具有高强度、高模量和高伸长率，而且具有光、电、磁、介电、导电、超导电性能，因而作为高性能复合材料改型剂，越来越广泛用于汽车、航空航天、化工、冶金、国防、机械、电气、船舶、石油诸多领域，硫酸钙晶须是指半水或无水硫酸钙的纤维状单晶体，是一种性能优良、价格低廉的新型功能材料，可用于树脂、橡胶、涂料、造纸中作增强剂或功能型填料，又可以用于磨擦、保温及阻燃材料，有着极为广阔的发展前景，利用转炉渣制备硫酸钙晶须，不仅原料来源广泛，而且可以减少转炉渣对周围环境的污染。
关于硫酸钙晶须的已有技术，目前制取主要有以下方法：
首先200410050288.X以石膏为原料制备硫酸钙晶须采用水热法制各工艺，它是在碱性条件下合成的，本发明可在偏酸性、中性或微碱性条件下进行合成，制各范围较宽，在传统的制备方法中主要有水压热法和常压酸化法两种方法，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半水石膏，再经晶形稳定化处理，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，高浓度二水石膏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，设备腐蚀严重，还有环境污染。
另外以卤渣为原料制备硫酸钙晶须，该法以海盐卤水经石灰乳处理后的卤渣为原料，控制卤液pH值为7.6～8.0，过滤，加入工业废酸溶解、搅拌，调节pH值至2～3，加热溶液至沸腾。冷却后即有白色晶体析出，在显微镜下观察为细长纤维状，但是实验步骤繁杂，不易工业化。
发明内容
为了克服已有技术存在的缺陷，本发明的目的提供一种非金属材料硫酸钙晶须的制备方法，主要利用转炉渣与硫酸混合制取非金属材料硫酸钙晶须，以达到减轻环境污染、合理利用资源的目的。
本发明的具体工艺包括：
(1)酸解：以转炉渣为原料和硫酸反应，转炉渣粒度为0.04～0.09mm，硫酸浓度为10％～30％，加入量为转炉渣重量的4～7倍，反应时间为40～120min；
(2)分离：将转炉渣和硫酸反应后的浸出液过滤、洗涤，得到硫酸钙；
(3)调浆：将得到的硫酸钙按固液比0.2～0.8的比例与清水混合，用氧化钙、氧化镁、碳酸钙、碳酸镁、氢氧化钙或氢氧化镁调整pH值为5～9；
(4)高温结晶：将调制后的硫酸钙悬浮液在温度为120℃～200℃、压力为0.3～1MPa和搅拌转速控制为50转/min～900转/min条件下，保温40min～480min，过滤、洗涤；
(5)干燥：将洗涤后的硫酸钙晶须在温度为100℃～150℃的条件下，干燥时间为40min～120min，获得硫酸钙晶须。
(6)涂饰：将硫酸钙晶须采用聚乙烯醇和磷酸酯进行表面改性、分散，改性剂的用量为0.5％～2％，最终获得硫酸钙晶须产品。
其中转炉渣成分及重量百分比为；
转炉渣成分    SiO2       CaO      MgO      Al2O3    Fe2O3     其他
重量百分比    6～14      42～50   4～12    1～6     21～29    2～5
转炉渣成分中：其他为S、P、F和Na。
本发明方法制备的硫酸钙晶须密度为2.9g/cm3，松散密度为0.1～0.5g/cm3，长度为10μm～240μm，直径为50nm～5μm，熔点为1450℃，抗张强度为20GPa，抗张模量为172GPa，折光指数为1.58，水溶性(22℃)≤0.12％。
本发明具有如下优点：
利用钢铁冶金废弃物-转炉渣为原料，有效地解决了转炉渣对周围环境的污染；采用高温结晶法制备硫酸钙晶须，工艺流程短，生产成本低。
附图说明
附图1是本发明制备硫酸钙晶须的工艺流程图
具体实施方式
本发明一种非金属材料硫酸钙晶须的制备方法，具体实施方式结合实施例加以详细说明。
实施例1
选取：以粒度为0.074mm的转炉渣40g为原料(转炉渣成分如表1)和10％硫酸240g反应，反应温度为50℃，反应时间为40min；经过滤分离，液相用于制备硫酸铁和硫酸镁等混合物，固相为含有二氧化硅的硫酸钙；将硫酸钙按固液比按5∶1的比例与清水混合，用氧化钙调整pH值为5；将调制后的硫酸钙悬浮液投放到反应釜中，在温度为120℃、压力为0.3MPa和搅拌转速控制为50转/min的条件下，保温480min，过滤、洗涤；将洗涤后的硫酸钙晶须在温度为100℃的条件下，保温时间为120min，获得硫酸钙晶须；采用聚乙烯醇将硫酸钙晶须进行表面改性、分散，改性剂的用量为0.5％，最终获得无水硫酸钙晶须产品；晶须的长度为10～30μm，直径为50nm～100nm，其中液相可以制备氧化铁红和硫酸镁产品。
表1转炉渣成分
转炉渣成分    SiO2     CaO    MgO    Al2O3    Fe2O3    其他
重量百分比    10.24    48.62  6.89   1.62     27.23    5.4
其中：其他为S、P、F和Na
实施例2
选取：以粒度为0.09mm的转炉渣40g为原料(转炉渣成分如表2)和15％硫酸160g反应，反应温度为90℃，反应时间为40min；经过滤分离，液相用于制备氧化铁，固相为硫酸钙，将硫酸钙按固液比按0.4的比例与清水混合，用氧化钙调整pH值为6；将调制后的硫酸钙悬浮液投放到反应釜中，在温度为150℃、压力为0.6MPa和搅拌转速控制为100转/min的条件下，保温240min，过滤、洗涤；将洗涤后的硫酸钙晶须在温度为100℃的条件下，保温时间为120min，获得硫酸钙晶须；采用聚乙烯醇将硫酸钙晶须进行表面改性、分散，改性剂的用量为0.5％，最终获得无水硫酸钙晶须产品；晶须的长度为40～90μm，直径为80nm～160nm。其中液相可以制备氧化铁红和硫酸镁产品，其中液相可以制备氧化铁红和硫酸镁产品。
表2转炉渣成分
转炉渣成分    SiO2    CaO    MgO    Al2O3    Fe2O3    其他
重量百分比    9.59    49.73  8.24   2.48     25.26    4.7
其中：其他为S、P、F和Na
实施例3
选取：以粒度为0.074mm的转炉渣40g为原料(转炉渣成分如表1)和20％硫酸160g反应，反应温度为70℃，反应时间为40min；经过滤分离，液相用于制备氧化铁，固相为硫酸钙，将硫酸钙按固液比按0.6的比例与清水混合，用氧化钙调整pH值为7；将调制后的硫酸钙悬浮液投放到反应釜中，在温度为190℃、压力为0.8MPa和搅拌转速控制为200转/min的条件下，保温300min，过滤、洗涤；将洗涤后的硫酸钙晶须在温度为140℃的条件下，保温时间为60min，获得硫酸钙晶须；采用聚乙烯醇将硫酸钙晶须进行表面改性、分散，改性剂的用量为0.5％，最终获得无水硫酸钙晶须产品；晶须的长度为80～130μm，直径为320nm～430nm，其中液相可以制备氧化铁红和硫酸镁产品。
实施例4
选取：以粒度为0.05mm的转炉渣40g为原料(转炉渣成分如表1)和10％硫酸160g反应，反应温度为50℃，反应时间为60min；经过滤分离，液相用于制备氧化铁，固相为硫酸钙；将硫酸钙按固液比按0.5的比例与清水混合，用氧化镁调整pH值为8；将调制后的硫酸钙悬浮液投放到反应釜中，在温度为120℃、压力为0.3MPa和搅拌转速控制为400转/min的条件下，保温120min，过滤、洗涤；将洗涤后的硫酸钙晶须在温度为120℃的条件下，保温时间为80min，获得硫酸钙晶须；采用磷酸酯将硫酸钙晶须进行表面改性、分散，改性剂的用量为1％，最终获得无水硫酸钙晶须产品；晶须的长度为120～160μm，直径为1μm～1.5μm，其中液相可以制备氧化铁红和硫酸镁产品。
实施例5
选取：以粒度为0.04mm的转炉渣40g为原料(转炉渣成分如表2)和10％硫酸240g反应，反应温度为90℃，反应时间为90min；经过滤分离，液相用于制备氧化铁，固相为硫酸钙；将硫酸钙按固液比按0.8的比例与清水混合，用氧化镁调整pH值为9；将调制后的硫酸钙悬浮液投放到反应釜中，在温度为160℃、压力为0.7MPa和搅拌转速控制为700转/min的条件下，保温60min，过滤、洗涤；将洗涤后的硫酸钙晶须在温度为140℃的条件下，保温时间为60min，获得硫酸钙晶须；采用磷酸酯将硫酸钙晶须进行表面改性、分散，改性剂的用量为1％，最终获得无水硫酸钙晶须产品；晶须的长度为150～220μm，直径为3μm～4μm，其中液相可以制备氧化铁红和硫酸镁产品。

Claims (2)

1、一种非金属材料硫酸钙晶须的制备方法，其特征在于该制备工艺方法包括：
(1)酸解：以转炉渣为原料和硫酸反应，转炉渣粒度为0.04～0.09mm，硫酸浓度为10％～30％，加入量为转炉渣重量的4～7倍，反应时间为40～120min；
(2)分离：将转炉渣和硫酸反应后的浸出液过滤、洗涤，得到硫酸钙；
(3)调浆：将得到的硫酸钙按固液比0.2～0.8的比例与清水混合，用氧化钙、氧化镁、碳酸钙、碳酸镁、氢氧化钙或氢氧化镁调整pH值为5～9；
(4)高温结晶：将调制后的硫酸钙悬浮液在温度为120℃～200℃、压力为0.3～1MPa和搅拌转速控制为50转/min～900转/min条件下，保温40min～480min，过滤、洗涤；
(5)干燥：将洗涤后的硫酸钙晶须在温度为100℃～150℃的条件下，干燥时间为40min～120min，获得硫酸钙晶须；
(6)涂饰：将硫酸钙晶须采用聚乙烯醇和磷酸酯进行表面改性、分散，改性剂的用量为0.5％～2％，最终获得硫酸钙晶须产品。
2、按权利要求1所述的非金属材料硫酸钙晶须的制备方法，其特征在于所用转炉渣的成分按重量百分比如下：
SiO2     CaO     MgO    Al2O3    Fe2O3    其他
6～14    42～50  4～12  1～6     21～29   2～5
其他为S、P、F和Na。
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