摘 要

本文采用不同的原料——硅灰石、生石膏及电石渣，尝试使用了水热法、常压酸化法等多种制备工艺制备无水硫酸钙晶须。

本文主要探究以硅灰石制备硫酸钙晶须这一方法的最佳制备工艺参数，得出这一方法的最佳工艺参数为：反应时间75min，反应温度50℃，加水量800mL，加入外加剂的种类为硫酸钾（K₂SO₄），外加剂加入量为硅灰石粉质量的1.5%。同时尝试了将硫酸钙晶须应用于造纸中。以及对不同工艺制备出的硫酸钙晶须进行对比，所得结果对硫酸钙晶须的制备方法有重要意义。

研究结果表明：在多种不同制备工艺中，以硅灰石为原料制备硫酸钙晶须的方法为最佳方法，其工艺简单，耗时短，且制备出的二水硫酸钙晶须长径比在57左右，相较于其他方法来说，晶须长径比适中，反应所得产物除所需产物外，不产生难以处理的废酸等实验废弃物，适合于工业生产。

关键词：硫酸钙晶须；硅灰石；水热法；常压酸化法；长径比

Abstract

In this paper, different raw materials were used to prepare anhydrous calcium sulfate whiskers by hydrothermal method and atmospheric pressure acidification method.

By the study, the optimum technical  parameters  to prepare calcium sulfate whisker using  wollastonite are: the reaction time is 75min , temperature is 50℃ , water addition is 800mL, The addition of the admixture is potassium sulfate (K₂SO₄), the admixture of the amount of wollastonite powder content of 1.5%. In addition, different admixtures at different amounts were tested to study the aspect ratio of calcium sulfate whiskers .Finally, calcium sulfate whiskers were tested in paper-making. The results show that the preparation method of calcium sulfate whiskers is important.

By comparison, the synthesis of calcium sulphate whiskers by using wollastonite as the raw material is more convenient. The process is simple, time-saving. The aspect ratio of calcium sulfate dihydrate whisker is about 57. Compared with other methods, the whisker diameter ratio is moderate. The production process do not bring too much by-product such as waste acid and the method is most suitable for industrial production.

Key Words：Calcium Sulfate Whisker；Wollastonite；Hydrothermal；Atmospheric acidification method ；Aspect ratio

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章　绪论 1

1.1晶须概述 1

1.1.1晶须的研究意义 1

1.1.2晶须的特征 1

1.1.3晶须的分类 2

1.1.4晶须的发展 2

1.2硫酸钙晶须 2

1.2.1硫酸钙晶须及其特性 2

1.2.2硫酸钙晶须的结构、性能及用途 2

1.2.3硫酸钙晶须的应用 4

1.3生产硫酸钙晶须的原材料 5

1.3.1硅灰石 5

1.3.2生石膏 5

1.3.3电石渣 5

1.4 硫酸钙晶须的制备 6

1.4.1 微乳法 6

1.4.2常压酸化法 6

1.4.3水热法 6

1.4.4其他制备方法 6

1.5论文主要研究内容 7

第2章　硫酸钙晶须的制备实验 8

2.1实验仪器与设备 8

2.2实验药品及相关试剂 8

2.3采用不同原材料制备硫酸钙晶须的工艺流程 9

2.3.1以硅灰石为原料 9

2.3.2以天然石膏粉为原料——常压酸化法 10

2.3.3以生石膏为原料——一步水热法 10

2.3.4以电石渣为原料——水热法 10

2.4分析与表征技术 11

2.4.1XRD物相分析 11

2.4.2光学显微镜 12

2.4.3扫描电子显微镜微观分析 12

第3章　实验结果讨论及分析 13

3.1以硅灰石为原料 13

3.1.1影响晶须长径比的最佳工艺 13

3.1.2 外加剂对晶须长径比的影响 16

3.1.3二水硫酸钙晶须的煅烧 19

3.2以天然石膏粉为原料（常压酸化法） 21

3.3以生石膏为原料（一步水热法） 24

3.4以电石渣为原料（水热法） 25

3.5硫酸钙晶须制备工艺小结 26

3.6将硫酸钙晶须应用于造纸的初探 26

第4章　结论 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章　绪论

1.1晶须概述

1.1.1晶须的研究意义

在当今社会，随着科技的持续发展，人们的生活水平不断提高，高新技术产业已经成为了人们的生活中不可或缺的一部分。这是一种以高新技术为根本的产业，这种产业所拥有的最主要技术通常情况下开发难度十分巨大，但是一经研究成功，就会带来十分可观的经济效益和社会效益。高新技术产业的研究与发展离不开大量知识和技术的支持，产品的主导技术一定要能广泛应用于其所对应的领域，而且需要涵括高新技术领域中处于领先地位的技术工艺，经过不断研究，实现技术上的突破。由此看来，如果以该标准作为划分依据，可将高新技术产业主要分为信息技术、生物技术及新材料技术三大领域^[1]。

目前来说，在新材料技术的研发中，追求的目标和发展的趋势逐渐变得明确，即材料的轻质与高强。众多新材料中，新型技术复合材料前景广阔，其中十分特别的一种即晶须材料。晶须材料兼具多种优良的机械性能及优异的物理性能、化学性能，如密度较低、绝缘性较高、硬度与强度也较高等，同时还能耐高温高热、耐腐蚀等。由此可以看出，在化工、能源、机械、电子、环保等众多领域，晶须材料现在已经得到广泛应用^[2]。随着晶须复合材料的进一步研究及不断发展，相信在不久的将来，其应用领域会逐步扩大，可能将会作为一种新型的升级换代材料，得到广泛的应用，同时也许还能有效的提高经济效益。因此针对晶须材料的研究意义不容小觑。

1.1.2晶须的特征

由自然形成的，或是在人工控制条件下以单晶形式生长而成的微纳米级短纤维，被称为晶须^[3]。晶须的直径通常为微米数量级，其高度有序的原子排列方式，使其一般情况下不会出现晶界、位错或是空穴等缺陷，因而其强度与完整晶体的理论值十分接近^[4]。

由于晶须具有高度取向结构，因此在断裂强度和弹性模量等方面，其具有良好的力学性能^[5]。且因其具有较高强度、较大长径比和伸长率，使其在添加到聚合物中时，不仅可以改善加工流动性，还能尽量少的增加熔体粘度，因此晶须可广泛的被用作制造高强度复合材料时使用的材料增强体。同时晶须除了具备一些优良的力学性能等，还在电学、光学、磁学、铁磁性、介电性、传导性甚至超导性等方面皆有显著表现。可作为塑料、金属、陶瓷的改性增强材料，从而得到广泛应用^[6]。

1.1.3晶须的分类

晶须有两大类，即无机晶须和有机晶须。大致分类如下表所示：

表1.1　晶须的分类

Tab.1.1　Whisker classification

本文所介绍的硫酸钙晶须即无机盐晶须的一种。

1.1.4晶须的发展

晶须的发展历史很长，无论是有机晶须还是无机晶须，人们总在不断地发现并尝试改进它们的各项性能，使其能应用于多种不同的领域。将无机晶须材料应用于金属基和陶瓷基复合材料中，以碳化硅晶须为例，能在一定程度上起到增强增韧作用，而经过增强增韧的晶须材料，虽然强度及韧性增加，却不会增加其重量，这种性能十分有利，现在已经被广泛应用到机械、电子、化工、国防、能源、环保等众多领域^[7]。因此，不难看出，晶须材料的研究与应用对多种产品的升级换代至关重要，对提高经济效益也有着重大意义。

1.2硫酸钙晶须

1.2.1硫酸钙晶须及其特性

硫酸钙晶须（CaSO₄）也被称为石膏晶须。这种晶须材料不仅质优价廉、绿色环保，且尺寸稳定，其生长形式为单晶体，一般呈纤维状，横截面均匀，外形完整。具有诸多优良的理化性能，如：高强高韧、高绝缘性、耐高温抗酸碱等。因此被广泛应用于众多领域，例如：作为补强增韧剂或填料，用于许多建筑材料中；也可以直接作为保温材料等。可见硫酸钙晶须材料的用途十分广泛，其研究前景也很广阔。

1.2.2硫酸钙晶须的结构、性能及用途

根据所含结晶水的不同，硫酸钙晶须可分为无水硫酸钙（CaSO₄）晶须、半水硫酸钙（CaSO₄•0.5H₂O）晶须及二水硫酸钙（CaSO₄•2H₂O）晶须三种。这三种晶须的异同如下表所示：

表1.2　硫酸钙晶须的分类