摘 要 本文綜述了硅灰石粉體的各種制備方法，并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)；介紹了目前硅灰石在工業(yè)中的應(yīng)用，同時展望了其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 硅灰石，制備方法，應(yīng)用

1前言

硅灰石是一種白色含鈣的偏硅酸鹽類結(jié)晶礦物，其化學(xué)組成為Ca₃[Si₃O₉]。天然產(chǎn)出的硅灰石通常是片狀、針狀、放射狀或纖維狀集合體。

中國有著許多優(yōu)質(zhì)的天然硅灰石礦產(chǎn)，現(xiàn)在硅灰石年產(chǎn)量已達(dá)世界總產(chǎn)量的30%左右。硅灰石由于其本身獨(dú)特的物化性能和礦物學(xué)特征，在現(xiàn)代生產(chǎn)中的應(yīng)用也越來越廣泛。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技水平的提高，天然的硅灰石材料已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，這就促使了人們對硅灰石粉體的制備方法作深入研究，制備出高純度、高性能的硅灰石粉體，同時也擴(kuò)大了硅灰石的應(yīng)用范圍[1～4]。

2硅灰石的制備

人工制備硅灰石技術(shù)合成出來的硅灰石具有純度高、結(jié)晶性能良好、形貌好、白度高等特性。硅灰石的人工制備方法包括化學(xué)沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法和固相燒結(jié)法等。

2.1 化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法制備硅灰石，就是利用含有硅和鈣的可溶性鹽類，將其溶解在水中，通過化學(xué)反應(yīng)，生成硅酸鈣的方法。這種工藝流程簡單、易于操作、原料來源廣、能耗低、不需要昂貴的設(shè)備，但合成產(chǎn)品的粒度難于控制。

萬祥輝、常程康[5]等人以Ca(NO₃)₂·4H₂O和Na₂SiO₃·9H₂O為原料，將兩種原料分別溶解在去離子水中，把聚乙烯醇作為分散劑加入到Ca(NO₃)₂溶液中，邊攪拌邊滴加Na₂SiO₃溶液。待其充分反應(yīng)后，將所得到的沉淀用去離子水反復(fù)洗滌抽濾，再用無水乙醇洗滌，在恒溫干燥箱內(nèi)80℃干燥，得到了粒徑在40nm的無定型硅酸鈣和直徑為100nm的β-硅灰石超細(xì)粉體。無定型的硅酸鈣呈細(xì)長型，硅灰石超細(xì)粉體呈球形。利用這種方法制備出來的、沒有經(jīng)過煅燒的無定型的硅灰石粉體具有很高的反應(yīng)活性和生物活性。同時，由于具有很大的比表面積，在這種材料上可以沉積大量的羥基磷灰石，制備高性能的生物材料。李長升[6]等也以這兩種物質(zhì)為原料，采用直接沉淀法制備出硅灰石超細(xì)粉體。

2.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法（Sol-gel）方法是以無機(jī)鹽或金屬醇鹽作為前驅(qū)物。將前驅(qū)物溶解于溶劑中并形成均勻的溶液，溶質(zhì)與溶劑發(fā)生水解或醇解反應(yīng)，形成溶膠，其中反應(yīng)生成物以納米粒子形式存在；溶膠經(jīng)陳化、蒸發(fā)、干燥后轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。納米粒子分散在凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之中，對凝膠進(jìn)行熱后處理，便可以得到納米粒子。溶膠-凝膠方法所需的設(shè)備簡單、耗能少。因此，溶膠-凝膠方法是一種制備高質(zhì)量無機(jī)超細(xì)粉體的有效手段。

孫剛、王志強(qiáng)[7]等把Ca(NO₃)₂·4H₂O溶解于無水乙醇中，將其與正硅酸乙酯的無水乙醇溶液按摩爾比1:1混合，充分?jǐn)嚢韬螅鸬渭尤氚彼?。靜置一段時間后使之成為凝膠。最后對凝膠進(jìn)行干燥煅燒，可以得到直徑為200～1000nm的硅灰石粉體。但是利用此方法制備出來的硅灰石粉體，必須進(jìn)行熱處理，否則，容易產(chǎn)生硬團(tuán)聚和超細(xì)顆粒的長大。

2.3 水熱法

水熱法是指在密閉的容器中，以水或其他溶劑為溶媒，在一定的溫度和壓力下，進(jìn)行合成的一種方法。水熱合成法是制備特種結(jié)構(gòu)、功能材料的重要方法。

彭小芹、何麗娟[8]等利用來源廣泛且價格低廉的生石灰和硅藻土為原料，選取Ca/Si=1，恒溫溫度為120℃的條件，采用不同的保溫時間，以水作為礦化劑，用動態(tài)水熱法制備出水化硅酸鈣納米粉體。粒徑為50nm左右，該粉體具有非常大的比表面積，且內(nèi)部多孔，主要用作生物活性陶瓷粉體材料。水熱方法合成硅灰石，可以得到活性極高的粉體，且水熱是在低溫、等壓、液相反應(yīng)條件下，有利于晶體的規(guī)則取向，容易控制產(chǎn)物的粒度。但是此法前驅(qū)體價格昂貴，不利于工業(yè)化大生產(chǎn)。

2.4 固相燒結(jié)法

固相燒結(jié)法的制備原理是利用含有CaO、SiO₂的礦物原料或者工業(yè)廢料經(jīng)過干法混合，粉碎后直接放在高溫條件下燒結(jié)制備的。這種方法是目前人工制備硅灰石采用的主要合成方法。固相燒結(jié)法適用面廣、工藝流程簡單，但是產(chǎn)品的純度低、能耗高、設(shè)備投資較大，且產(chǎn)品的性能和用途受原料品種、產(chǎn)地的影響較大。

3硅灰石的應(yīng)用

3.1 硅灰石在陶瓷工業(yè)中的應(yīng)用

陶瓷工業(yè)是硅灰石最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，約占總用量的40%～45%。在陶瓷工業(yè)中，硅灰石可以降低陶瓷的燒成溫度和縮短燒成時間、減少熱膨脹，同時提高坯體的強(qiáng)度和壓型質(zhì)量，而且能大大改善陶瓷制品的機(jī)械性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

硅灰石應(yīng)用于釉料中可以減少或消除釉面針孔、提高釉面耐磨性、提高釉層透明度和光澤度，而且在低溫快燒中還可以減少變形和斷裂。除此之外，在釉料中添加一定量的硅灰石，還可以降低鈣釉的吸煙現(xiàn)象。利用硅灰石還可以生產(chǎn)鈣質(zhì)無光釉，效果非常理想。

人們還發(fā)現(xiàn)，加入適量硅灰石后的坯料系統(tǒng)，經(jīng)高溫?zé)珊髸a(chǎn)生自釋釉現(xiàn)象，這為硅灰石在陶瓷中的應(yīng)用又找到了一個新的方向[9～11]。

3.2 硅灰石在復(fù)合材料中的應(yīng)用

硅灰石是一種無機(jī)針狀礦物，具有良好穩(wěn)定性、優(yōu)良力學(xué)性能及電性能等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作高聚物基復(fù)合材料的增強(qiáng)填料。用它填充聚合物的實(shí)驗(yàn)表明，聚合物性能明顯優(yōu)于其他無機(jī)填料，并能降低成本。

趙宇龍，蘇芳[12]等以硅灰石和水玻璃為主要原料，制備出二氧化硅/硅灰石復(fù)合顆粒，且用這種復(fù)合顆粒填充聚丙烯，改善了復(fù)合顆粒的結(jié)合面，還顯著提高了復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，但其沖擊性能有所下降。楊彬等也利用經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑改性的針狀硅灰石來增強(qiáng)聚丙烯，提高了聚丙烯的低溫抗沖擊性。

吳學(xué)明，王蘭，黃建忠[13]研究了兩種硅灰石剛性粒子（一種經(jīng)聚甲基丙烯酸甲酯表面改性，另一種未改性）填充硬聚氯乙烯，發(fā)現(xiàn)在一定的填充量范圍內(nèi)，兩種硅灰石都能提高PVC的沖擊強(qiáng)度。

3.3 硅灰石在生物材料中的應(yīng)用

硅灰石在體液中具有生物活性，并能誘導(dǎo)骨磷灰石在其表面形成，所以在生物材料方面有著廣泛的應(yīng)用。

D.A.Cortés，A.Medina[14]等人將CoCrMo合金浸泡在由硅灰石、生物玻璃和羥基磷灰石的生物活性體液中7～14天。發(fā)現(xiàn)在所有合金試樣表面都有一層骨狀磷灰石，該層的形態(tài)非常接近現(xiàn)存的生物活性體系，而且經(jīng)過硅灰石處理的試樣顯示出更高的磷灰石生成率。

Xiaoke Li and Jiang Chang[15]用冷凍干燥法制備了一種新型的生物可降解的膠原硅灰石復(fù)合材料腳手架。將腳手架浸泡在模擬體液中7天，膠原質(zhì)和硅灰石結(jié)合后，大大增加了材料的張力強(qiáng)度，且在材料內(nèi)部形成了連續(xù)的多孔結(jié)構(gòu)，有利于羥基磷灰石的結(jié)合。結(jié)果表明，結(jié)合了硅灰石的腳手架的機(jī)械強(qiáng)度和生物活性大大提高，可以作為一種潛在的骨組織工程生物材料。

此外，硅灰石可以用來制備白炭黑材料。白炭黑即沉淀二氧化硅，是一種白色、無毒、無定形微細(xì)粉狀物，具有多孔性、高分散性、輕質(zhì)、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、不燃燒、電絕緣性好等優(yōu)異性能的重要無機(jī)硅化合物[16]。

4結(jié)論

硅灰石是一種有著優(yōu)良性能的天然礦物質(zhì)原料，通過對其進(jìn)行提純、表面改性等處理，可以獲得廣泛應(yīng)用，但是現(xiàn)在對其研究速度還比較緩慢，實(shí)用化的產(chǎn)品還不夠多。相信今后隨著研究和應(yīng)用的不斷深化，硅灰石的應(yīng)用前景將更加廣闊。

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