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水合硼酸钙具有优异的阻燃性能,而且无毒、高效、抑烟,符合无机系列阻燃剂向环保型阻燃剂发展的大趋势。晶须状的硼酸钙不仅具有硼酸钙本身优异的性能,还具有晶须优异的力学性能。
本文系统研究了水热法制备硼酸钙晶须的工艺条件,考察了各工艺参数对制备硼酸钙晶须形貌以及纯度的影响,得到较优反应条件为:以氯化钙、硼砂和氢氧化钠为原料,钙硼摩尔比为1:6,钙离子浓度为0.19mol/L,氢氧化钠浓度为2.5mol/L,反应温度为180℃,反应时间为2h,填充度为70%,所用均相反应器搅拌方式为外搅拌,搅拌速度为30r/min。优化条件下,在2L磁力反应釜中进行放大实验,未观察到明显放大效应。经分析,硼酸钙晶粒的形成过程为溶解-结晶反应机制,单斜晶系硼酸钙由于具有高度各向异性,使其在一定过饱和度下沿一维方向生长,生成硼酸钙晶须。
对所得产物经化学分析、X-射线粉末衍射(XRD)和差热-热重(DSC-TG)分析表明,产物为单斜晶系的Ca2B2O5·H2O,结晶性良好,并且热稳定性较好。扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)分析结果表明,产物形貌有扇形和单根两种形貌,其中单根状直径1~3μm,长径比为30~100。选区电子衍射(SAED)分析结果表明,硼酸钙晶须为单晶结构。傅里叶红外光谱(FT-IR)分析结果表明Ca2B2O5·H2O中硼氧结构为三角配位的B-O(3)。
对制备硼酸钙晶须所得母液进行化学分析,结果表明,母液中存在氢氧化钠、硼酸盐以及氯化钠。实验发现,母液可循环利用,氯化钠为控制因素,氯离子浓度较低时对硼酸钙晶须的产率以及形貌影响不大,当氯离子浓度达到3.452mol/L时硼酸钙晶须产率下降至60%以下,且晶须直径增加,长径比降低。对所得母液采用高温浓缩手段进行分离后,所得固相为NaCl和复盐NaCl·NaBO2·2H2O,液相经水热反应制备得到Ca2B2O5·H2O晶体。