硅灰石材料的研究进展

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硅灰石是一种天然产出的偏硅酸钙矿物，呈针状、放射状、纤维集合体。由于其无毒，具有低吸油性、低吸水性、热稳定性和化学稳定性、白度高等物化性质，被广泛应用在建筑陶瓷、涂料、塑料、橡胶、冶金和耐火材料等行业领域。随着经济发展和科技水平的提高，天然硅灰石原料已不能满足工业生产的要求。这就促使了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成分和结构

硅灰石的化学分子式为CaSiO3，结构式为Ca3[Si3O9]，理论化学成分：CaO 48.25%、SiO2 51.75%。自然界中纯硅灰石罕见，在其形成过程中，Ca有时被Fe、Mn、Ti、Sr等离子部分置换而呈类质同象体，并混有少量的Al和微量K、Na。由于硅灰石形成时的温度、压力等条件不同，可能出现3种同质多象体：①三斜链状结构的Tc型硅灰石，通称低温三斜硅灰石（α-CaSiO3）；②单斜链状结构的ZM型副硅灰石，通称副硅灰石（α′-CaSiO3）；③三斜三元环状结构的假硅灰石，通称假硅灰石（β-CaSiO3）。目前被广泛用作工业矿物原料的主要是低温三斜硅灰石，大多呈针状、纤维状或片状，常簇集呈扇形、辐射形集合体，有的呈细小的颗粒状。

2性质

2.1光学性质

硅灰石矿物具有荧光性质。荧光性质依硅灰石的成分和激发源的波长而定。在365nm的短波紫外光下，湖北大冶县的硅灰石发桔黄色荧光，而吉林梨树县硅灰石发紫红色荧光。硅灰石还具有热发光性质，不同地区的硅灰石热发光曲线存在差异，其原因可能与成矿的时代、条件不同以及含有杂质矿物有关。

2.2水溶性和吸油性

硅灰石矿物在中性水的溶解度于25℃下为0.0095g/100mL。它的溶解度还取决于它的细度，硅灰石颗粒越细，它的溶解度越高。硅灰石的吸油性很小。

2.3电学性质

硅灰石具有高电阻、低介电常数的优良特性。据电学测试，以硅灰石为主要成分的电瓷的电阻为1011～1012欧姆・厘米的数量级。这表明，硅灰石是较好的绝缘材料，尤其是良好的高频绝缘材料。

3 硅灰石应用

3.1陶瓷

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，而且在低温快烧工艺中还可以减少坯体变形和断裂。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。由于硅灰石具有热膨胀系数低，在低温条件下易与氧化硅、氧化铝共熔、不含化学结合水或碳酸盐以及具有针状晶形等特性，因此，用硅灰石作建筑陶瓷原料，能实现低温快速烧成，降低产品的收缩率和减少出现翘曲、开裂现象，并能提高坯体强度和压型质量，改善产品机械性能，从而达到节省能耗，提高产率，降低成本的目的。

3.2冶金保护渣

硅灰石作为冶金保护渣主要用作生产颗粒板坯连铸、模铸保护渣和无碳保护渣的基料。由于硅灰石成分稳定，因此使铸坯无缺陷，表面光洁；硅灰石中CaO和SiO2以化合状态存在，其配比恰处于连铸所需要的碱度范围，可减少配渣的基料种类，简化工艺，使保护渣具有良好的热稳定性；硅灰石含Al2O3很低，因此可增强保护渣吸收Al2O3的性能。

3.3油漆涂料

硅灰石具有较高的白度，一般能达到95，最高可达到102～104，可用作涂料、填料等体系的特白粉体材料，具有吸油量低、易分散、体系贮存稳定、涂层流平性好和附着力强等特点，可部分替代价格昂贵的钛白粉；可全部代替滑石粉、沉淀硫酸钡和氧化锌等。另外其针状颗粒形态及低的吸油性等特性，可提高涂料的韧性和耐用性，保持涂料表面平整与良好的光泽以及抗洗刷和抗风化性能，还可减少涂料的吸油量并保持碱性，具有抗腐蚀能力。

3.4 电焊条

用硅灰石作电焊条药皮配料，能起助熔和造渣添加剂作用，抑制焊接时放电，减少飞溅，提高熔渣流动性，使焊缝成型整洁美观，增强机械强度。

3.5橡胶塑料

硅灰石以它独特的针状纤维，作为功能性填料增加了复合材料的强度。高长径比硅灰石针状粉产品作为高分子改良剂广泛用作提供高冲击强度、增强流动性以及加强刚度强度和结构稳定性，另外，表面处理过的产品已被广泛用作加固物，用于改善抗拉强度、冲击强度、线性拉伸及模收缩率，以及提供均匀的蚀刻和表面粘附力从而创造光滑的表面。

4 硅灰石材料的研究进展

目前硅灰石针状粉应用在高分子材料中作填料存在的主要问题是，用于树脂基复合材料中，颜色变深；硅灰石表面亲水，与有机树脂的相容性不好；硬度较高，使用方法不当对加工设备会造成较大的磨损，所以要解决硅灰石针状粉与有机树脂的相容性必须做合理的表面改性或复合改性。目前改性方法主要有硅烷偶联剂改性、酞酸酯偶联剂改性、纳米二氧化硅包覆复合改性、硅酸铝包覆复合改性。

改性针状硅灰石粉超细粉应用于工程塑料做填料的主要作用是：改善塑料制品的力学性能和耐热性；改善塑料制品的功能强度，起补强、增强作用；调整塑料的流变能力；提高产品的尺寸稳定性。

在尼龙6、尼龙66/高温PA料中应用有以下优点：低吸湿性、可以代替研磨玻纤，提高经济效益、部分替代短玻纤、提高热导率和尺寸稳定性、提高热变形温度、提高表面折光率和电镀层结合，降低雾度。

在聚氨酯中应用有以下优点：改善表面外观、降低浆料粘度、注模用料中无沉降、无分层、低吸湿性、降低线性膨胀系数、提高热变形温度。

在PP /CTPO/HDPE材料中应用有以下优点：降低线性膨胀系数、提高抗刮擦性能、提高热变形温度、提高低温冲击。

5硅灰石材料的市场前景

硅灰石是具有独特理化性能的多功能材料，随着科学技术的发展，其应用领域将会越来越广泛，其发展趋势为超细、高长径比和表面改性的方向，以提高其附加值。高长径比的针状硅灰石超细粉可在塑料、橡胶等工业中作为增强性填料，在提高产品的拉伸强度、挠曲强度等性能方面优于其他晶形的无机填料，在填料领域中有着广泛的应用前景。

参考文献

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作者简介：姜家文1986.8、男、汉族，大学本科学历，工程学学士学位，助理工程师，从事材料科学与工程、金属冶金、循环经济等专业的相关咨询工作。