CN102534773A - 高补强性改性无水硫酸钙晶须的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高补强性改性无水硫酸钙晶须的制备方法，本发明包括以下步骤：首先，将石灰石粉加入搅拌下的水中配置出钙盐水乳液；其次，往搅拌下的水中依次加入硫酸和转晶剂配制成硫酸水溶液；再次，将具有1摩尔份Ca²⁺的钙盐水乳液加入温度达100～110℃具有2摩尔份SO₄ ^2-的硫酸水溶液中，再加入形貌控制剂，在温度为110～120℃条件下搅拌陈化2～3.5小时，抽滤，洗涤，得到半水硫酸钙晶须湿品；最后在温度为200℃以上的条件下，煅烧干燥制得无水硫酸钙晶须；再经表面改性处理，最终得到高补强性改性无水硫酸钙晶须。本发明具有产品质量高、成本低、制备过程短、反应条件温和且绿色环保等优点。

Description

高补强性改性无水硫酸钙晶须的生产方法

技术领域

本发明涉及的是非金属材料加工技术领域，具体涉及的是改性无水硫酸钙晶须的生产方法。

背景技术

晶须作为生长成针状的单晶体，是一种几乎达到理想状态的细微结晶纤维。具有长径比大、无晶粒界等特点。由于其直径小，结晶时高度有序的原子排列结构，几乎不容纳常规材料的空隙和位错等结构缺陷，因此，机械强度和模量均接近完整晶体材料的理论值，力学性能远远超过目前大量使用的一般粒状填料。晶须所具有的长径比大的特殊形貌，使之成为一种力学性能优异的新型复合材料的补强剂。

现行的硫酸钙晶须的制备方法主要有：

第一类：用二水石膏（二水硫酸钙）合成硫酸钙晶须。其原理是在一定温度和酸碱度条件下，利用二水硫酸钙溶解度大、半水硫酸钙（半水石膏）溶解度小的差别，使二水物溶解、半水物生成。这一类方法又分为水热合成法和常压酸化法，用的都是上述原理。水热合成法产品质量优良，但投资高、对石膏纯度和细度要求高、生产能力小，该生产质量分数仅为2%，总的生产成本很高，应用受到限制。常压酸化法的优点是反应温度低，通常只需要90～100℃，无高压设备，生产能力较大，但晶须的生长和陈化时间长，生产成本较高，生产过程中产生的酸气、酸水、酸渣，导致环保压力较大。

第二类：用水溶性Ca^2*和SO₄ ^2-合成硫酸钙晶须。

含Ca^2*的水溶性化合物有氯化钙、硝酸钙、甲酸钙等，能与盐酸作用生成水溶性氯化钙的物质有石灰石、方解石、大理石、生石灰等。含SO₄ ^2-的水溶性化合物有硫酸和硫酸盐，硫酸盐有硫酸钠、硫酸氢钠、硫酸铵等。CN1324170的中国专利，将CaCO₃含量在98%以上的石灰石在850℃～1200℃煅烧，得到白色的生石灰（CaO），再用蒸馏水充分消化后经120目筛过滤得到石灰乳液，在反应器中加热升温至125℃，然后注入等摩尔的硫酸水溶液，搅拌反应60分钟，抽滤得到硫酸钙晶须，长径比达到55。公布授权号为CN101674848的中国专利，将含2mol/L碳酸钙和0.02mol/L油酸钠的混合溶液100ml与含4mol/L硫酸氢钠的溶液100ml,在40℃搅拌反应1小时,得到的白色乳液经过滤和洗涤转化为超细二水硫酸钙后,在高压反应釜中，加入0.01mol/L氯化亚铁溶液调节固含率为5wt%，于160℃搅拌反应6小时，再冷却、过滤、洗涤、干燥（105℃，4h）得到半水硫酸钙晶须。将重量比为100：0.1的半水硫酸钙晶须和氯化钠混合，在马弗炉中，以1℃/分速度升温到400℃后保持3小时，自然冷至室温，与适量去离子水混合配成固含率为10wt%的悬浮液，在80转/分搅拌洗涤1小时，过滤、洗涤、干燥（105℃，4小时）。再重复洗涤、过滤、干燥1次，最后得到长径比为50，主含量97wt%的无水硫酸钙晶须。

上述***专利中，制备硫酸钙晶须和无水硫酸钙晶须时，虽然起始原料都采用了廉价易得的碳酸钙，或CaCO₃含量为98%以上的石灰石，但生产工艺流程复杂，尤其是制备无水硫酸钙晶须的方法，不易工业化，同时生产成本也相对较高。为了加大硫酸钙晶须在下游制品中的应用，提高产品的质量、降低产品的成本、实现绿色环保，则是目前生产硫酸钙晶须的重要环节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产品质量高、成本低、制备过程简单且绿色环保的高补强性改性无水硫酸钙晶须的生产方法。

实现本发明的技术方案如下：高补强性改性无水硫酸钙晶须的生产方法，主要由以下步骤构成：

（1）钙盐水乳液的配制：将石灰石粉加入搅拌下的水中，搅拌混合均匀；

（2）硫酸水溶液的配制：在搅拌下的水中，依次加入硫酸和转晶剂配制成硫酸水溶液；

（3）转化反应、陈化、过滤和洗涤：将具有1摩尔份Ca²⁺的钙盐水乳液加入温度为100～110℃且具有2摩尔份SO₄ ^2-的硫酸水溶液中，添加完成后，加入形貌控制剂，在温度为110～120℃条件下搅拌陈化2～3.5小时，过滤，洗涤，得到半水硫酸钙晶须的湿品；本步骤中，为了使转化反应完全，达到最高的生成率，所述钙盐水乳液需要缓慢加入到温度为105℃以上的硫酸水溶液中；

（4）干燥脱水：将半水硫酸钙晶须的湿品置入加热炉中，在温度为200℃以上的条件下，干燥制得无水硫酸钙晶须。

进一步，所述步骤（2）中转晶剂为甲酸、醋酸或丙酸；转晶剂的用量为石灰石粉摩尔量的0.35倍。

作为一种优选，所述步骤（3）中形貌控制剂为MgCl₂·6H₂O、十二烷基硫酸钾、硬脂酸钠或甘油；形貌控制剂的用量为石灰石粉摩尔量的0.004倍。

为了更好的实现本发明，所述步骤（4）中，将半水硫酸钙晶须湿品置入温度已达200℃～230℃的加热炉中，控温450℃±30℃，干燥60±20分钟。

更进一步地，还包括以下步骤：

a．将改性剂加入到浓度为60%的乙醇水溶液中，制备成改性稀释剂；

b．将改性稀释剂升温到60～75℃，然后加入无水硫酸钙晶须，搅拌15～30分钟后，过滤、干燥即制得改性无水硫酸钙晶须。

为了达到最好的效果，所述无水硫酸钙晶须、改性剂和乙醇水溶液的重量比为100︰0.5～3︰300～500。

为了无水硫酸钙晶须形貌特征的稳定，所述步骤b中的干燥如下：将过滤后的无水硫酸钙晶须放入105～110℃微波炉中，加热30±10分钟。

作为一种优选，所述改性剂为硅烷偶联剂、聚乙烯醇、磷酸酯、硬脂酸或吐温-60。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明直接用石灰石水乳液与硫酸水溶液作用，使二水硫酸钙晶须的生成过程、二水硫酸钙晶须转化生成目标物半水硫酸钙晶须的过程以及半水硫酸钙晶须的陈化过程成为一体，从而简化工艺流程；

2、本发明是将石灰石水乳液缓慢加入到温度高于105℃的酸度足够的并且具有转晶剂的硫酸水溶液中进行转化反应，使其反应更彻底；

3、本发明形貌控制剂的选用，陈化、分离、洗涤的温度均大于100℃，脱半个结晶水时干燥的起始温度大于200℃，105～110℃脱自由水时采用微波干燥，均有利于半水硫酸钙晶须和无水硫酸钙晶须的生成和形貌特征的稳定；

4、本发明的表面改性处理采用湿法，有利于形貌特征的稳定并增强改性的效果；

5、本发明的工艺流程简单，反应条件温和，绿色环保；

6、本发明减少了石灰石高温煅烧的步骤，使其工艺流程短生产成本低；并且根据本发明生产出的产品，经检测其平均长径比达到了30～70且本产品的疏水性优，极具市场竞争力。

附图说明

图1 是本发明制备改性无水硫酸钙晶须的工艺流程图。

图2 是实施例1制备出无水硫酸钙晶须的扫描电子显微镜SEM照片。

图3 是实施例1制备出无水硫酸钙晶须的X-射线衍射图谱。

图4 是实施例1制备出改性无水硫酸钙晶须的红外吸收谱图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

（1）钙盐水乳液的配制：将25g石灰石粉加入搅拌下的50g水中，继续搅拌20分钟，即制备成钙盐水乳液；本步骤中采用的石灰石的CaCO₃含量为98%，石灰石粉碎细度为325目，其石灰石粉的摩尔质量为0.25mol。

（2）硫酸水溶液的配制：在83转/分的搅拌条件下的440ml水中，依次加入26.6ml浓度为98%的浓硫酸配制成硫酸浓度为10%的硫酸水溶液，再加入0.088mol醋酸；本发明使用的转晶剂有甲酸、醋酸或丙酸，本实施例中优选为醋酸。

（3）转化反应、陈化、过滤和洗涤：

首先是转化反应和陈化。将步骤（2）中的硫酸水溶液加热升温，当温度达到106℃时开始添加步骤（1）制得的钙盐水乳液。反应液出现微浑时，停止加入钙盐水乳液并在温度106～110℃条件下保温10分钟，继续加入钙盐水乳液，直到全部加完为止。钙盐水乳液添加的速度以反应产生的二氧化碳气体不冲料为宜，整个加入钙盐水乳液的过程总共需要60分钟。

钙盐水乳液添加完成后，加入形貌控制剂，在温度为110～115℃、83转/分的搅拌条件下陈化2.5小时；本实施例中优选为0.087mol的无水乙醇与0.001mol硬脂酸钠混匀作形貌控制剂。

最后是过滤和洗涤：停止加热，将陈化后的混合液取出，在物料温度为106℃情况下进行抽滤，用沸水洗滤饼3次，完成后即得到半水硫酸钙晶须的湿品。经检测半水硫酸钙晶须湿品的重量为42g。本实施例中滤液为515ml，重量为532g，检测pH值为0.5；可用于回收套用，避免造成污染。洗涤时产生的洗涤水为150g，其pH值为2～3。用尿素粉调节洗涤水的pH，当其调节到6～7后排放，避免污染。

经检测半水硫酸钙晶须湿品含水量为40%～50%。

（4）干燥脱水：由于半水硫酸钙晶须中，半个结晶水的脱出需经羟基缩合脱水、结构重整等过程才能逐渐转化为无水硫酸钙晶须，因此干燥温度应高于200℃。本实施例中是将半水硫酸钙晶须的湿品趁热置入温度已达210℃的煅烧炉中进行干燥，内温达420～460℃保持50分钟，停止加热，冷却后出料，得到无水硫酸钙晶须。

经检测无水硫酸钙晶须的重量为26g。并对其进行了检测，无水硫酸钙晶须的扫描电子显微镜SEM照片见图2。如图3，其XRD（X-射线衍射）图谱与粉末衍射卡片数据库中的PDF卡片号37-1496相一致，其平均长径比大于60。图3中Intensity代表的是强度；a.u.是指arbitary units，表示任意单位；degree为度数，而θ为布拉格角或称为掠射角。

（5）将改性剂0.26g加入到130g 60%的乙醇水溶液中，80转/分的转速下制备成改性稀释剂。本发明所用的改性剂有硅烷偶联剂、分子量为400～600的聚乙烯醇、磷酸酯、硬脂酸、吐温-60等，实施例中改性剂可采用的用量为无水硫酸钙晶须重量的0.5%～3%。硅烷偶联剂（如KH-550）为无水硫酸钙晶须重量的1%～3%、分子量为400～600的聚乙烯醇为的无水硫酸钙晶须重量的0.5%、磷酸酯为无水硫酸钙晶须重量的1%、硬脂酸为无水硫酸钙晶须重量的1%、吐温-60为无水硫酸钙晶须重量的1.5%。本实施例中采用的是硬脂酸。

（6）将改性稀释剂升温到60℃，在80转/分的搅拌速度下加入26g无水硫酸钙晶须，搅拌20分钟后，趁热出料过滤，滤液回收套用，将过滤后的无水硫酸钙晶须趁热放入105～110℃微波炉中，干燥30分钟，最终得到改性无水硫酸钙晶须。在以上过程中脱出的气体经冷凝器回收稀乙醇后，不污染大气又节约辅料。

经检测改性无水硫酸钙晶须重量为26.3g，检测其活化指数为79.3%，说明硬脂酸对硫酸钙晶须的改性效果很好；如图4，再作红外吸收谱图检测，说明硬脂酸仅使硫酸钙晶须表面改性，并没有改变硫酸钙晶须的组成和成分。

实施例2

除了表面改性剂为吐温-60，用量为无水硫酸钙晶须重量的1.5%外，其他条件与实施例1相同。最终得到的改性无水硫酸钙晶须，经检测其活化指数为58.2%。

实施例3

除了陈化的时间为2小时外，其他条件与实施例1相同。所得到的无水硫酸钙晶须，外观松散，其XRD图谱与PDF卡片号37-1496一致，平均长径比大于50。

实施例4

无水硫酸钙晶须表面改性处理后的湿品的干燥用电热炉干燥外，其他条件与实施例1相同。所得到的无水硫酸钙晶须，外观松散，其XRD图谱与PDF卡片号37-1496一致，平均长径比大于30。

根据以上实施方式就可以很好的实现本发明，但本发明的实施方式不限于此。

Claims (8)

1.高补强性改性无水硫酸钙晶须的生产方法，其特征在于，主要由以下步骤构成：

（1）钙盐水乳液的配制：将石灰石粉加入搅拌下的水中，搅拌混合均匀；

（2）硫酸水溶液的配制：在搅拌下的水中，依次加入硫酸和转晶剂配制成硫酸水溶液；

（3）转化反应、陈化、过滤和洗涤：将具有1摩尔份Ca²⁺的钙盐水乳液加入温度为100～110℃有2摩尔份SO₄ ^2-的硫酸水溶液中，添加完成后，加入形貌控制剂，在温度为110～120℃条件下搅拌陈化2～3.5小时，过滤，洗涤，得到半水硫酸钙晶须的湿品；

（4）干燥脱水：将半水硫酸钙晶须的湿品置入加热炉中，在温度为200℃以上的条件下，煅烧干燥制得无水硫酸钙晶须。

2.根据权利要求1所述的高补强性改性无水硫酸钙晶须的生产方法，其特征在于，所述步骤（2）中转晶剂为甲酸、醋酸或丙酸；转晶剂的用量为石灰石粉摩尔量的0.35倍。

3.根据权利要求1所述的高补强性改性无水硫酸钙晶须的生产方法，其特征在于，所述步骤（3）中形貌控制剂为MgCl₂·6H₂O、十二烷基硫酸钾、硬脂酸钠或甘油；形貌控制剂的用量为石灰石粉摩尔量的0.004倍。

4.根据权利要求1所述的高补强性改性无水硫酸钙晶须的生产方法，其特征在于，所述步骤（4）中，将半水硫酸钙晶须湿品置入温度已达200℃～230℃的加热炉中，控温450℃±30℃，干燥60±20分钟。

5.根据权利要求1～4任一项所述的高补强性改性无水硫酸钙晶须的生产方法，其特征在于，还包括以下步骤：

a．将改性剂加入到浓度为60%的乙醇水溶液中，制备成改性稀释剂；

b．将改性稀释剂升温到60～75℃，然后加入无水硫酸钙晶须，搅拌15～30分钟后，过滤、干燥即制得改性无水硫酸钙晶须。

6.根据权利要求5所述的高补强性改性无水硫酸钙晶须的生产方法，其特征在于，所述无水硫酸钙晶须、改性剂和乙醇水溶液的重量比为100︰0.5～3︰300～500。

7.根据权利要求6所述的高补强性改性无水硫酸钙晶须的生产方法，其特征在于，所述步骤b中的干燥如下：将过滤后的无水硫酸钙晶须放入105～110℃微波炉中，加热30±10分钟。

8.根据权利要求6或7所述的高补强性改性无水硫酸钙晶须的生产方法，其特征在于，所述改性剂为硅烷偶联剂、聚乙烯醇、磷酸酯、硬脂酸或吐温-60。

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