工业磷石膏基α-半水石膏的制备及其浆体性能调控研究

摘要

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SO42-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.

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 石膏简介

1.1.2 磷石膏的产生及综合利用情况

1.2α-半水石膏的研究现状

1.2.1 α-半水石膏制备现状

1.2.2α-半水石膏的形貌调控现状

1.2.3α-半水石膏水化硬化

1.2.4α-半水石膏的应用现状

1.3 研究目的与意义

1.4 研究内容

1.5 技术路线

1.6 主要工作量

2 原材料、设备及实验方法

2.1 实验原料与试剂

2.1.1 磷石膏及其理化性能分析

2.1.2 实验试剂

2.2 实验仪器与设备

2.3 实验测试表征方法

3. 蒸压水热法制备高强α-半水石膏研究

3.1 磷石膏预处理研究

3.1.1 CaO对磷石膏中可溶性杂质的固定

3.1.2 CaO对α-半水石膏形貌的调控

3.2 蒸压水热法工艺参数的研究

3.2.1 反应温度对高强α-半水石膏的影响

3.2.2 反应时间对高强α-半水石膏的影响

3.2.3 pH值对高强α-半水石膏的影响

3.2.4 固液比对高强α-半水石膏的影响

3.3 转晶剂对高强α-半水石膏的调控

3.3.1 转晶剂对高强α-半水石膏晶体形貌的调控

3.3.2 转晶剂对高强α-半水石膏力学性能的调控

3.4 本章小结

4 常压醇-水法制备α-半水石膏及应用研究

4.1 不同电解质对二水石膏转变为半水石膏的影响

4.1.1 不同电解质对二水石膏转化率的影响

4.1.2 不同电解质对晶体形貌的调控

4.2 反应温度对二水石膏转变为α-半水石膏的影响

4.3 NaCl掺量对二水石膏相变速率的影响

4.4 不同转晶剂对α-半水石膏晶体形貌的调控

4.4.1 顺丁烯二酸对α-半水石膏晶体形貌的调控

4.4.2 CTAB对α-半水石膏晶体形貌的调控

4.5 无水石膏的制备及其对橡胶性能的调控

4.5.1 无水石膏制备及改性

4.5.2 无水石膏对橡胶性能的调控

4.6 本章小结

5 磷石膏基α-半水石膏晶体调控机理研究

5.1 α-半水石膏生长过程

5.2 转晶剂的作用机理研究

5.2.1 顺丁烯二酸的作用机理研究

5.2.2 CTAB的作用机理研究

5.3 MD模拟转晶剂的作用机理研究

5.4 本章小结

6 α-半水石膏浆体性能的调控研究

6.1 蒸汽气流磨对石膏性能的影响

6.1.1 输出频率对石膏粒径的影响

6.1.2 打磨次数对石膏性能的影响

6.2 气流磨石膏对α-半水石膏性能的影响

6.3 可再分散乳胶粉对α-半水石膏性能的调控

6.4 聚羧酸减水剂对α-半水石膏性能的调控

6.5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果