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硅灰石粉体的制备及其应用
硅灰石粉体的制备及其应用
摘 要 本文综述了硅灰石粉体的各种制备方法,并比较了它们的优缺点;介绍了目前硅灰石在工业中的应用,同时展望了其应用前景。
关键词 硅灰石,制备方法,应用
1前言
硅灰石是一种白色含钙的偏硅酸盐类结晶矿物,其化学组成为Ca3[Si3O9]。
天然产出的硅灰石通常是片状、针状、放射状或纤维状集合体。
中国有着许多优质的天然硅灰石矿产,现在硅灰石年产量已达世界总产量的30%左右。
硅灰石由于其本身独特的物化性能和矿物学特征,在现代生产中的应用也越来越广泛。
随着经济发展和科技水平的提高,天然的硅灰石材料已不能满足工业生产的要求,这就促使了人们对硅灰石粉体的制备方法作深入研究,制备出高纯度、高性能的硅灰石粉体,同时也扩大了硅灰石的应用范围[1~4]。
2硅灰石的制备
人工制备硅灰石技术合成出来的硅灰石具有纯度高、结晶性能良好、形貌好、白度高等特性。
硅灰石的人工制备方法包括化学沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法和固相烧结法等。
2.1化学沉淀法
化学沉淀法制备硅灰石,就是利用含有硅和钙的可溶性盐类,将其溶解在水中,通过化学反应,生成硅酸钙的方法。
这种工艺流程简单、易于操作、原料来源广、能耗低、不需要昂贵的设备,但合成产品的粒度难于控制。
万祥辉、常程康[5]等人以Ca(NO3)2?
4H2O和Na2SiO3?
9H2O为原料,将两种原料分别溶解在去离子水中,把聚乙烯醇作为分散剂加入到Ca(NO3)2溶液中,边搅拌边滴加Na2SiO3溶液。
待其充分反应后,将所得到的沉淀用去离子水反复洗涤抽滤,再用无水乙醇洗涤,在恒温干燥箱内80℃干燥,得到了粒径在40nm的无定型硅酸钙和直径为100nm的β-硅灰石超细粉体。
无定型的硅酸钙呈细长型,硅灰石超细粉体呈球形。
利用这种方法制备出来的、没有经过煅烧的无定型的硅灰石粉体具有很高的反应活性和生物活性。
同时,由于具有很大的比表面积,在这种材料上可以沉积大量的羟基磷灰石,制备高性能的生物材料。
李长升[6]等也以这两种物质为原料,采用直接沉淀法制备出硅灰石超细粉体。
2.2溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法(Sol-gel)方法是以无机盐或金属醇盐作为前驱物。
将前驱物溶解于溶剂中并形成均匀的溶液,溶质与溶剂发生水解或醇解反应,形成溶胶,其中反应生成物以纳米粒子形式存在;溶胶经陈化、蒸发、干燥后转变为凝胶。
纳米粒子分散在凝胶的网络结构之中,对凝胶进行热后处理,便可以得到纳米粒子。
溶胶-凝胶方法所需的设备简单、耗能少。
因此,溶胶-凝胶方法是一种制备高质量无机超细粉体的有效手段。
孙刚、王志强[7]等把Ca(NO3)2?
4H2O溶解于无水乙醇中,将其与正硅酸乙酯的无水乙醇溶液按摩尔比1:
1混合,充分搅拌后,逐滴加入氨水。
静置一段时间后使之成为凝胶。
最后对凝胶进行干燥煅烧,可以得到直径为200~1000nm的硅灰石粉体。
但是利用此方法制备出来的硅灰石粉体,必须进行热处理,否则,容易产生硬团聚和超细颗粒的长大。
2.3水热法
水热法是指在密闭的容器中,以水或其他溶剂为溶媒,在一定的温度和压力下,进行合成的一种方法。
水热合成法是制备特种结构、功能材料的重要方法。
彭小芹、何丽娟[8]等利用来源广泛且价格低廉的生石灰和硅藻土为原料,选取Ca/Si=1,恒温温度为120℃的条件,采用不同的保温时间,以水作为矿化剂,用动态水热法制备出水化硅酸钙纳米粉体。
粒径为50nm左右,该粉体具有非常大的比表面积,且内部多孔,主要用作生物活性陶瓷粉体材料。
水热方法合成硅灰石,可以得到活性极高的粉体,且水热是在低温、等压、液相反应条件下,有利于晶体的规则取向,容易控制产物的粒度。
但是此法前驱体价格昂贵,不利于工业化大生产。
2.4固相烧结法
固相烧结法的制备原理是利用含有CaO、SiO2的矿物原料或者工业废料经过干法混合,粉碎后直接放在高温条件下烧结制备的。
这种方法是目前人工制备硅灰石采用的主要合成方法。
固相烧结法适用面广、工艺流程简单,但是产品的纯度低、能耗高、设备投资较大,且产品的性能和用途受原料品种、产地的影响较大。
3硅灰石的应用
3.1硅灰石在陶瓷工业中的应用
陶瓷工业是硅灰石最主要的应用领域,约占总用量的40%~45%。
在陶瓷工业中,硅灰石可以降低陶瓷的烧成温度和缩短烧成时间、减少热膨胀,同时提高坯体的强度和压型质量,而且能大大改善陶瓷制品的机械性能,提高产品质量。
硅灰石应用于釉料中可以减少或消除釉面针孔、提高釉面耐磨性、提高釉层透明度和光泽度,而且在低温快烧中还可以减少变形和断裂。
除此之外,在釉料中添加一定量的硅灰石,还可以降低钙釉的吸烟现象。
利用硅灰石还可以生产钙质无光釉,效果非常理想。
人们还发现,加入适量硅灰石后的坯料系统,经高温烧成后会产生自释釉现象,这为硅灰石在陶瓷中的应用又找到了一个新的方向[9~11]。
3.2硅灰石在复合材料中的应用
硅灰石是一种无机针状矿物,具有良好稳定性、优良力学性能及电性能等优点,非常适合作高聚物基复合材料的增强填料。
用它填充聚合物的实验表明,聚合物性能明显优于其他无机填料,并能降低成本。
赵宇龙,苏芳[12]等以硅灰石和水玻璃为主要原料,制备出二氧化硅/硅灰石复合颗粒,且用这种复合颗粒填充聚丙烯,改善了复合颗粒的结合面,还显著提高了复合材料的屈服强度和弯曲强度,但其冲击性能有所下降。
杨彬等也利用经过硅烷偶联剂改性的针状硅灰石来增强聚丙烯,提高了聚丙烯的低温抗冲击性。
吴学明,王兰,黄建忠[13]研究了两种硅灰石刚性粒子(一种经聚甲基丙烯酸甲酯表面改性,另一种未改性)填充硬聚氯乙烯,发现在一定的填充量范围内,两种硅灰石都能提高PVC的冲击强度。
3.3硅灰石在生物材料中的应用
硅灰石在体液中具有生物活性,并能诱导骨磷灰石在其表面形成,所以在生物材料方面有着广泛的应用。
D.A.Cortés,A.Medina[14]等人将CoCrMo合金浸泡在由硅灰石、生物玻璃和羟基磷灰石的生物活性体液中7~14天。
发现在所有合金试样表面都有一层骨状磷灰石,该层的形态非常接近现存的生物活性体系,而且经过硅灰石处理的试样显示出更高的磷灰石生成率。
XiaokeLiandJiangChang[15]用冷冻干燥法制备了一种新型的生物可降解的胶原硅灰石复合材料脚手架。
将脚手架浸泡在模拟体液中7天,胶原质和硅灰石结合后,大大增加了材料的张力强度,且在材料内部形成了连续的多孔结构,有利于羟基磷灰石的结合。
结果表明,结合了硅灰石的脚手架的机械强度和生物活性大大提高,可以作为一种潜在的骨组织工程生物材料。
此外,硅灰石可以用来制备白炭黑材料。
白炭黑即沉淀二氧化硅,是一种白色、无毒、无定形微细粉状物,具有多孔性、高分散性、轻质、化学稳定性好、耐高温、不燃烧、电绝缘性好等优异性能的重要无机硅化合物[16]。
4结论
硅灰石是一种有着优良性能的天然矿物质原料,通过对其进行提纯、表面改性等处理,可以获得广泛应用,但是现在对其研究速度还比较缓慢,实用化的产品还不够多。
相信今后随着研究和应用的不断深化,硅灰石的应用前景将更加广阔。
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