硅灰石最小纳米化结构探讨及其粉体制备的研究现状wollastonite

硅灰石是一种钙的偏硅酸盐类矿物，xx产出的硅灰石通常是片状、针状、纤维状、放射状集合体。由于其xx、低的吸油性、低吸水性、高的热稳定性和化学稳定性、良好的介电性能、白度高等物化性能，被广泛应用于陶瓷、涂料、塑料、造纸、磨料、橡胶、绝缘材料和耐火材料等工业部门。此外，硅灰石在复合材料中的研究也不断开拓。

    近年来，国内对硅灰石的研究还不够深入，产品的附加值还有待于进一步提高。同时，随着纳米科技的发展，当离子尺寸处于纳米量级时会表现出表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等性能，吸引着我们进行深入的研究，进一步探讨纳米硅灰石的优良性能。

    本文将着重介绍硅灰石的最小纳米化研究，同时结合硅灰石粉体制备的现状指出存在的问题，希望为今后的发展指明方向。

2硅灰石的化学组成和晶体结构

2,1硅灰石的化学组成

    硅石的化学组成为Ca.,[Si309]．Ca0 48.3%.Sio2 51.7%。常含类质同像混入物FeMn、Mg等，当达到一定含量时，可形成铁硅灰石、锰硅灰石等变种。

2.2硅灰石的晶体结构

  CaSi03有三种同质多像变体，硅灰石（低温变体）、d一硅灰石，假硅灰石（高温变体）。其中低温变体的硅灰石最常见，

下面简要介绍低温变体硅灰石的晶体结构。

   结构特点是以三个[Si04]四面体为一重单位的【Si309】单链乎行b轴延伸，链与链平行排列；链问的空隙仅由Ca所充填，形成【Cao6]八面体。[CaOfj)k面体共棱联结成平行b轴的链，其中两个共棱相联的[Ca0。】八面体的长度刚好等于四面体链的重复单位，亦与晶胞参数b。值大致相当。

3硅灰石的最小纳米化结构探讨3.1硅灰石纳米结构研究参数的确定  通常将纳米材料定义为：在三维空问中其基本单元体至少有一维处于纳米尺度范围内(l-lOOnm)。当然，根据纳米粒子的特性阳，纳米材料并不是其颗粒越小越好，而是存在一个必要的前提，那就是颗粒的结构不被破坏。因此，纳米颗粒的粒度具有理论上的{zj0}值。

    晶胞被认为是晶体中最基本的单位，晶体被认为是品胞在三维空间的重复性周期排列，因此，品胞能反映晶体的性

质。当然，纳米颗粒之所以具有表面效应以及小尺寸效应是与其内部原子和表面原子密切相关的。此外，晶胞的稳定性与表面及次表面的晶胞数同样具有相关性。为此，我们把纳米颗粒的表面晶胞数、总HaH胞数以及原子数作为研究的基本参数。

    纳米颗粒表现出来的高活性与其表面原子的作用密切相关，容易与其它物质发生反应。硅灰石是以离子键和共价键相结合的，对于1个独立的晶胞来讲，其角顶原子的不完整性必然会影响晶胞的稳定性。因此，在a、b、c轴方向上单个晶胞虽然尺度最小，但不能算是稳定的，为了得到稳定的最小尺度．把1个品胞周围的26个晶胞也算进来，这样该晶胞角顶的原子就具有一定的完整性，晶胞也就相对稳定，所以在a.b、轴方向上。 由27个晶胞组成的结构应该具有一定的稳定性c根据硅灰石的化学式、晶胞参数及其体积计算公式：300nm、lOOnm、80nm、60nm、40nm、20nm、lOnm的硅灰石颗粒来计算其参数，旨在找出硅灰石从微米级到纳米级各项参数的变化规律。

3.3结果讨论

    由表1可知，颗粒的尺寸不同，其所含原子数、晶胞数、表面晶胞数占总晶胞数的比倒会有所不同。图l、图2、图3分别是硅灰石的颗粒长度与所含总晶胞数、颗粒表面晶胞数、表面晶胞数占总晶胞数的比例的关系图。

     从图l、图2可以看出，随着长度值的增大，颗粒所含的总晶胞数、表面晶胞数显著增长，并且增长的趋势随着长度值的增大而愈加显著，结构稳定性增强。

    从图3可知，硅灰石颗粒越小，表面晶胞数占总晶胞数的比例越大，并且有愈加显著的趋势。表l中长度在lOnm的硅石颗粒，其表面晶胞数占总晶胞数的比例{zd0}，为4l.389qo，这与纳米颗粒的表面效应原理相一致。因此，对于纳米级硅灰石来说，其颗粒越小，颗粒的表面能就越高，表面活性越大。

    通过以上分析计算，对纳米级硅灰石颗粒的一些表征参数做了简单的介绍和讨论。可以看出，颗粒的粒度与晶体结构的稳定性和化学活性之间存在关系，颗粒粒度大结构稳定性大，颗粒粒度小结构稳定性小，为正相关性。此外，颗粒粒度大化学活性小，颗粒粒度小化学活性大，为反相关性。

    以上是在理论基础上对硅灰石最小纳米颗粒的假定，那么这个假定是不是符合实际情况，如何得到硅灰石的最小纳米颗粒，解决这些问题，就需要更深入的研究。

4硅灰石粉体制备的现状

    硅灰石粉体的制备按照原理可以分为物理法和化学法，其中物理制备中最常用的是机械粉碎法，化学制备以烧结法和熔融法为主。

4.1机械粉碎

    硅灰石机械粉碎中一个很重要的问题是晶形保护问题。制备高长径比的硅灰石是深加工的一个重要方面。根据硅灰石的矿物学特征，以剪切力为主的机械粉碎方式能够获得高长径比的硅灰石超细粉末。

    李珍等恻分别采用星式球磨机和圆盘式气流磨粉碎针状硅灰石，讨论了粉碎机理、择优破碎方位以及对长径比的影响，对比分析发现采用圆盘式气流磨粉碎可以较好的保护其针状结构，且能获得较细粒度的超细针状粉。

    马正先等利用机械冲击一分级磨对制备硅灰石针状粉的主要操作参数即给料量、冲击速度、转速进行了试验研究，制得长径比接近15的超细粉。

4.2化学合成

    高温焙烧法[II.L2]是利用含Ca0，Si02的矿物原料或工业废料经干法混合、粉碎后直接高温焙烧合成，按原料种类又可分为石灰石／石英砂、板状硅藻土，白垩、硅石灰石（为蛋白石方石英组合）、磷石膏，石英粉、硅石灰石，板状硅藻土、石英砂，白垩等组合的焙烧法，此法具有原料适用面广、工艺流程简单的特点，但其缺陷是产品纯度低、能耗高、设备投资较大等，且产品的性能和用途受原料品种影响较大。黄英等以内蒙宁城珍珠岩尾矿为主要原料，以碳酸钙为平衡原料，在成孔剂和粘结剂的配合下，采用烧结法，在l200℃合成了多孔硅酸钙质陶瓷材料。该材料为全晶质多孔结构，主要物相是呈片状、板状的硅灰石。

    熔融法是利用含钙、含硅的溶液进行反应，经干燥、焙烧所得，具有产品纯度高、焙烧温度低的特点。孙刚等以正硅酸乙酯、硝酸钙为原料，采用溶胶一凝胶法制备了CaO-Si02干凝胶粉末。在适当的条件下制备粒径为0.2-1.0μm的硅灰石粉体。研究发现热处理温度、时间对粉体粒度有较大影响。李长生等分析纯硝酸钙和硅酸钠为原料，采用直接沉淀法制备了硅灰石超细粉体。讨论了反应物浓度和热处理制度对产物粒径的影响。

5结语

    硅灰石是具有独特理化性能的矿物材料，从上文可以看出，纳米硅灰石的粉体的制备还有待于进一步提高，获得超细化、纳米化、高长径比的硅灰石将是今后的发展方向。但是，应该根据颗粒大小与结构稳定性和表面括性大小的关系以及实际的具体情况，合理选择颗粒的粒径。为此，应该根据硅灰石的矿物学特征，加强对纳米硅灰石的研究，进一步揭示纳米硅灰石的性能，使其获得更加广泛的应用。