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

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