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工业磷石膏基 α-半水石膏的制备及其浆体 性能调控研究

工业磷石膏基 α-半水石膏的制备及其浆体 性能调控研究 201905

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我国天然石膏资源日益枯竭,工业磷石膏却大量堆积,累计堆存量已超过3亿吨, 如果不能很好的处置与利用,不仅要占用大量土地,而且会产生严峻的环境问题。合 理利用工业磷石膏,生产高附加值产品,实现变废为宝,是目前亟待解决的一大难题。 α-半水石膏具有优良的生物相容性和较好的胶凝性,可广泛用 于陶瓷、高档建筑、工 艺美术品、医疗等行业,具有较好的应用前景。本文以工业磷石膏为原料,研究在蒸 压水热体系和常压醇-水体系下制备α-半水石膏最佳条件;通过实验分析和分子动力学 模拟计算分别研究不同转晶剂对 α-半水石膏结晶形态的调控机制;采用蒸汽气流磨制 备超细半水石膏,并分别研究超细半水石膏、可再分乳胶粉和聚羧酸减水剂的加入对α半水石膏浆体性能的影响。

加入氧化钙(CaO)可中和磷石膏中残余酸且固化可溶性杂质磷(P)和氟(F), 去除对α-半水石膏晶体生长过程的影响。在蒸压水热体系中,以CaO预处理的磷石膏为 原料制备α-半水石膏,最佳的反应条件为:反应温度140℃,反应时间2 h,固液比1:5, pH值约4.0,顺丁烯二酸掺量0.10%。获得的α-半水石膏呈六棱短柱状,长径比约为1.2, 2 h和3 d的抗折/抗压强度分别为5.83/17.16 MPa和14.79/46.24 MPa。

从动力学角度来看,醇-水体系不利于α-半水石膏的生成,因此仅在丙三醇水溶液 中,磷石膏很难转化生成α-半水石膏。但是掺入少量电解质NaCl可加快二水石膏相变 速率。在反应温度105℃,反应时间3 h,pH值约4.0,固液比1:5,NaCl掺量5.0%条件 下最有利于α-半水石膏的生成。将 高长径比的 α-半水石膏在600℃煅烧后,用硅酸钠硬脂酸双重改性并将其等比例替代RS4012矿物纤维制备的密封衬垫板理化性能指标都 达标,但横向拉伸强度略偏低。

α-半水石膏的晶体形貌决定它的性能和应用领域,转晶剂可有效调控晶体形貌。 实验分析和MD模拟计算结果表明,电负性转晶剂(如顺丁烯二酸)与α-半水石膏晶体 端面的作用力相比晶体侧面更强,会优先选择性吸附到晶体端面与Ca2+ 络合,降低晶体 端面的自由能,抑制晶体沿着c轴生长,晶体呈六棱短柱状。电正性转晶剂(如十六烷 基三甲基溴化铵)与α-半水石膏晶体侧面的作用力更强,会优先吸附到晶体侧面与SO4 2 - 络合,阻碍晶体轴向生长,因而促进晶体沿着c轴生长,晶体呈纤维状。

蒸汽气流磨将磷石膏转化为超细半水石膏 后,将其掺入α-半水石膏可增强石膏力 学性能,当其掺量为20%,效果最佳。可再分散乳胶粉和聚羧酸减水剂对α-半水石膏浆 体具有缓凝效果,适量的可再分散乳胶粉加入 α-半水石膏后其力学性能增强,但聚羧 酸减水剂反而会降低石膏力学性能。

关键词:工业磷石膏;α-半水石膏;固废资源化;转晶剂;性能调控
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