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近年来,随着莫来石晶体研究迅速发展,其复相晶体制备工艺方面也取得了显著进步。通过比较发现,国内莫来石复相晶体的制备工艺还很不完善,仍普遍存在实验可重复性差、晶体形貌和粒度不好控制等问题,与其相应的晶体生长理论研究也不系统、成熟,整体而言,莫来石复相晶体的制备研究尚处在定性描述阶段。
本文以天然高岭土为原料,采用常压开放水热法制备莫来石复相晶体。其制备影响因素复杂,基于前人在NaOH溶液浓度、反应温度及时间等影响因素研究的基础上对莫来石晶体结构、原料中可能含杂质阳离子进入莫来石晶体结构中的含量及价态进行了理论探讨,并进一步研究了原料(结晶度、SiO2/Al2O3比)、介质pH值、前躯体活性以及表面活性剂CTAB对所制备莫来石复相晶体形貌以及粒度的影响;同时根据负离子配位多面体生长基元理论模型,建立莫来行晶体数学模型,对其生长基元稳定能、晶面表面能进行了科学计算,并结合实验制备产物的物相微观结构及形貌分析,探讨了水热化过程中莫来石复相晶粒的形成机理和生长习性。理论及实验研究结果表明:⑴理论莫来石晶体结构比较复杂,结构中存在不规则[XO4](X=Si,Al)四面体双链,且最多可包含34种不同结构的氧空位,氧空位的种类和数量影响着莫来石晶体硅/铝比以及其晶面表面能,从而对晶体形貌产生影响;⑵高岭土结晶度越低、前躯体活性越高,越利于形成形貌明显、结晶度高的莫来石复相晶体,其中高SiO2/Al2O3比的高岭土有利于形成板状、柱状莫来石晶粒,反之,则易于形成球形莫来石晶粒;pH值为13时,其他实验条件不变,所制备出晶体晶形发育完整,结晶性能好;表面活性剂CTAB在晶体生长时通过形成疏水膜控制莫来石复相晶体各晶面生长速率,从而影响其生长习性;⑶稳定能计算结果表明:水热体系中平面状、柱状生长基元都是有利基元,相比之下,柱状生长基元是更为有利的生长基元,从而柱状形貌莫来石晶体更容易制得;⑷根据所建立莫来石晶体模型,计算莫来石晶体(001)、(210)、(110)和(120)晶面表面能,结果表明:E(001)>>E(110)>>E(120)>E(210)。根据居里-吴尔夫原理可知,莫来石晶体沿(001)晶面生长最快,即其主要沿c轴-向延长,多呈杞状形貌。