偏硅酸钙的应用与合成

介绍

偏硅酸钙是一种化学物质，分子式是CaSiO3。其理论组成为48.3%CaO和51.7%SiO2。它是一种链状硅酸盐矿物，具有独特的物理化学性能和矿物学特征。在常温下，它具有三种同质多象变体，分别是低温变体三斜硅灰石(a-Ca3[Si3O9])、单斜副硅灰石(a'-Ca3[Si3O9])以及高温三斜假硅灰石，又名环硅灰石(β-Ca3[Si3O9])。此外，偏硅酸钙常含有Fe、Mn、Mg等类质同相混入物，有铁硅灰石和锰硅灰石成分的变种。

偏硅酸钙

应用

偏硅酸钙的矿物学名称为硅灰石，是制作陶瓷的原料。由于其独特的晶体形态和结构，硅灰石具有良好的绝缘性、介电性能、较高的耐热、耐候性等，因此可以作为补强剂和添加剂应用在塑料、橡胶、涂料、冶金等诸多领域。

合成

以往合成的缺点

传统的人工制备偏硅酸钙的方法包括：高温固相法、水热法、化学沉淀法、溶胶‑凝胶法和微乳液法等。CN114318491A公开了一种高温高压条件下制备硅灰石单晶的方法，解决了现有技术高含铁、高含锰和高含水的硅灰石单晶的制备技术空白，但是该制备方法所需合成温度高达1600℃，对加热设备要求较高；除此之外，该专利也并未涉及硅灰石样品的形貌。CN1615272A公开了一种以水玻璃溶液和石灰浆为原料通过加热煮沸后煅烧的方法制备偏硅酸钙，但是这种方法制得的偏硅酸钙长径比较短，仅为约1～2.5。CN111704143A公开了一种从稻壳灰制备的水玻璃和生石灰为原料，制备复合硅酸钙的方法，但是并未提及硅酸钙样品的形貌。虽然这一合成方法中二氧化硅来自天然稻壳灰，但是从稻壳灰到水玻璃的制备依旧不可避免强碱的使用，这将对环境造成一定危害，因此亟待找到一种替代含硅化学制剂的天然生物质硅源和更加绿色的合成方法，来制备具有较高长径比的偏硅酸钙。

新合成方法

钱苗苗[1]提供了一种以含硅生物质为原料制备偏硅酸钙的方法，所述方法包括：将NaCl和CaCl2混合盐与含硅生物质混合，经热解，水洗，过滤，煅烧滤饼，得到所述偏硅酸钙；将过滤后的滤液重结晶，与含硅生物质混合再利用。

具体步骤如下：将9.00g NaCl和17.80g CaCl2置于玛瑙研钵中，经充分研磨使两种盐均匀混合后，收集于玻璃培养皿中，并置于60℃烘箱中干燥备用。将26.80g上述混合盐与5.00g稻壳置于玛瑙研钵中，经充分研磨混合后置于刚玉舟中，随后放入高温管式炉。首先对管式炉进行抽真空置换氮气的操作，升温，并在800℃条件下热解3h，控制降温速率为5℃/min，期间持续通入30mL/min流速的氮气。打开管式炉取出刚玉舟中反应产物，用温的去离子水对反应产物进行抽滤、洗涤。期间用1mol/L AgNO3溶液检验滤液，具体操作如下：取5mL滤液于试管中，滴入3滴AgNO3溶液，若溶液中出现白色沉淀，则继续抽滤、洗涤，直至滤液中滴入AgNO3溶液后保持澄清状态为止。洗涤完毕后，取滤饼于玻璃培养皿中，于60℃烘箱中干燥12h，研磨得中间产物。将中间产物重新置于管式炉中，在550℃空气氛围下煅烧1h，待自然冷却至室温，期间持续通入30mL/min流速的空气。打开管式炉取出刚玉舟中反应产物，收集备用，得到所述偏硅酸钙。

该方法以含硅生物质，包括但不限于：稻壳、稻杆、芦苇叶、竹叶、椰子壳等为硅源，利用含硅生物质天然结构的模板作用，可以在比较低的煅烧温度下，原位生成偏硅酸钙，纳米棒的长径比可达30‑200。该纳米棒相较于传统硅灰石粉末，在形貌上具备更明显的各向异性，可作为优异的补强剂和添加剂应用在塑料、橡胶、涂料等诸多领域。

参考文献

[1]钱苗苗,史亚菲,朱燕超等. 一种以含硅生物质为原料制备偏硅酸钙的方法[P]. 吉林省：CN116969477A,2023-10-31.