水溶液法制備氧化鎂晶須的工藝研究

茅 琦，趙伶俐，周琪權(quán)，戴衛(wèi)東

（淮海工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

水溶液法制備氧化鎂晶須的工藝研究

茅 琦，趙伶俐，周琪權(quán)，戴衛(wèi)東

（淮海工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

為了促進(jìn)氧化鎂晶須的規(guī)?；a(chǎn)與工業(yè)應(yīng)用，采用前驅(qū)物煅燒法制備了氧化鎂晶須。首先以硫酸鎂和氨水為原料合成了前驅(qū)體堿式硫酸鎂晶須，接著將堿式硫酸鎂焙燒成氧化鎂晶須。探討了各個(gè)工藝條件對(duì)產(chǎn)物的影響，探索出最佳的工藝條件為:硫酸鎂溶液的濃度為2mol·L-1，水熱反應(yīng)溫度160℃，水熱反應(yīng)時(shí)間20h。在此條件下制得了前驅(qū)物堿式硫酸鎂晶須，將堿式硫酸鎂晶須焙燒，控制升溫速率在5℃·min-1，采取分段升溫方式升溫至1000℃，灼燒時(shí)間6h，即可制得氧化鎂晶須。所得的氧化鎂晶須表面光滑，直徑分布均勻，結(jié)晶良好，產(chǎn)率達(dá)80%以上。

氨水;堿式硫酸鎂;燒結(jié);氧化鎂晶須;工藝條件

無機(jī)鹽晶須是一種細(xì)微短纖維的針狀單晶體材料，其直徑為零點(diǎn)幾至幾個(gè)微米，長(zhǎng)度為幾微米至數(shù)百微米。由于晶體結(jié)構(gòu)十分完整，強(qiáng)度和模量接近晶體材料的理論值，當(dāng)其用作塑料、金屬和陶瓷等物質(zhì)的增強(qiáng)和改性材料時(shí)，顯示出極佳的物理化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異的機(jī)械性能，從而得到國(guó)內(nèi)外材料界的廣泛重視[1]。氧化鎂晶須具有熔點(diǎn)高（3123K）、強(qiáng)度大和彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)，制備工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，且成本低，很適合作為多種復(fù)合材料的強(qiáng)化或補(bǔ)強(qiáng)材料，被認(rèn)為是極有發(fā)展前途的無機(jī)鹽晶須材料[2]。本文以硫酸鎂和氨水為原料，通過水熱反應(yīng)制得前驅(qū)體堿式硫酸鎂晶須，再通過控制堿式硫酸鎂晶須的分解條件和高溫焙燒條件得到氧化鎂晶須，主要探索制備氧化鎂晶須的工藝條件，為氧化鎂晶須的產(chǎn)業(yè)化提供合理的工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要試劑與儀器

硫酸鎂（MgSO4·7H2O，分析純），氨水（4 mol·L－1，分析純）。

SK2-1-12H智能升溫回轉(zhuǎn)式管式電阻爐，KDM型控溫電熱套，S-8401型定時(shí)電動(dòng)攪拌器，BS210S型電子秤，DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

把硫酸鎂配制成2 mol·L－1的溶液，在室溫和適當(dāng)攪拌的條件下將20mL氨水緩慢滴入20mL硫酸鎂溶液中[3～5]，滴加完成繼續(xù)攪拌約30min左右，在160℃條件下進(jìn)行水熱反應(yīng)20h，然后冷卻至室溫陳化30h，經(jīng)過濾、蒸餾水洗滌數(shù)次，放入烘箱中在80℃條件下干燥4h，即可得到前驅(qū)體堿式硫酸鎂晶須[經(jīng)成分分析[6]其分子式為MgSO4·5Mg（OH）2·3H2O]，稱量其質(zhì)量，計(jì)算產(chǎn)率。

將堿式硫酸鎂晶須置于坩堝中，并均勻平鋪，然后置于配備智能控溫系統(tǒng)的管式電阻爐內(nèi)進(jìn)行分解和煅燒，按照5℃·min－1的升溫速率緩慢升溫至1000℃，煅燒6h，然后讓其緩慢冷卻至室溫即可得到高長(zhǎng)徑比的氧化鎂晶須[7]，稱量其質(zhì)量，計(jì)算產(chǎn)率。

2 結(jié)果與討論

2．1 硫酸鎂溶液濃度對(duì)前驅(qū)體的影響

氨水濃度為 4mol·L-1，n （MgSO4）∶n （NH3）＝1∶2，水熱反應(yīng)溫度160℃，水熱反應(yīng)時(shí)間 20h，室溫下陳化 30h， 分別配制濃度為 1、2、3、4 mol·L－1的硫酸鎂溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可看出，隨著硫酸鎂溶液濃度的增大，堿式硫酸鎂晶須開始增加較快，隨后逐漸減慢。且當(dāng)濃度很低時(shí)，產(chǎn)物基本為顆粒狀，幾乎沒有晶須生成，晶須中還會(huì)含有其他固體相;隨著濃度的適當(dāng)增加，可以獲得表面比較光滑、分散均勻、長(zhǎng)徑比高的晶須;當(dāng)濃度進(jìn)一步增大時(shí)，雖然仍有晶須生成，但晶須形態(tài)變得細(xì)小不規(guī)則，且發(fā)生明顯的聚集直至形成晶須團(tuán)聚體;當(dāng)原料液濃度達(dá)到4 mol·L－1時(shí)，只獲得大量的細(xì)小粒子，看不到晶須的生成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適宜的硫酸鎂溶液濃度為 2 mol·L－1左右。

2．2 水熱反應(yīng)溫度對(duì)前驅(qū)物的影響

硫酸鎂溶液濃度為2 mol·L－1，氨水濃度為4 mol·L－1，按 n （MgSO4）∶n （NH3）＝1∶2，水熱反應(yīng)時(shí)間20h，分別在 120、140、160、180、200℃的溫度下進(jìn)行水熱反應(yīng)，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可看出，隨著水熱反應(yīng)溫度的升高，開始產(chǎn)物逐漸增多，但當(dāng)達(dá)到一定反應(yīng)溫度后再升高溫度產(chǎn)率卻有所降低，原因是開始升高溫度使反應(yīng)速度逐漸增大并趨于完全，但隨著溫度的進(jìn)一步升高，產(chǎn)物的溶解度增大，同時(shí)操作難度也加大。同時(shí)隨著溫度的升高，晶須的長(zhǎng)徑比也有所增大，聚集度會(huì)降低，所以應(yīng)選擇適當(dāng)高的溫度進(jìn)行水熱反應(yīng)，本實(shí)驗(yàn)采用的水熱反應(yīng)溫度為160℃。

2．3 水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)前驅(qū)體的影響

在硫酸鎂溶液濃度為2 mol·L－1，氨水濃度為4 mol·L－1，按 n （MgSO4）∶n（NH3）＝1∶2，水熱反應(yīng)溫度 160℃，分別使反應(yīng)液反應(yīng) 10、20、30、40h，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可看出，隨著水熱反應(yīng)時(shí)間的增加，開始晶須增加較快，原因是時(shí)間短水熱晶化過程沒有進(jìn)行完全，但當(dāng)反應(yīng)達(dá)到一定時(shí)間后晶須幾乎不再增加，且水熱反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)還會(huì)發(fā)現(xiàn)有部分晶須出現(xiàn)破碎分解現(xiàn)象，同時(shí)從生產(chǎn)成本考慮，應(yīng)選擇的適宜水熱反應(yīng)時(shí)間是20h左右。

2．4 煅燒溫度對(duì)氧化鎂晶須的影響

在硫酸鎂溶液濃度為 2mol·L－1，氨水為 4mol·L－1，按 n （MgSO4）∶n （NH3）＝1∶2，水熱反應(yīng) 溫度160℃，水熱反應(yīng)時(shí)間20h，分別取一定量的堿式硫酸鎂晶須將其緩慢升溫至 800、900、1000、1100℃進(jìn)行煅燒 6h（開始的升溫速率為 5℃·min－1），結(jié)果如圖4所示。

由圖4可看出，隨著煅燒溫度的升高，開始晶須增加較快，但當(dāng)達(dá)到一定溫度后，產(chǎn)率基本不變，原因是溫度低時(shí)不能有效地使堿式硫酸鎂分解轉(zhuǎn)化為氧化鎂晶須，煅燒不完全，當(dāng)達(dá)到一定溫度后，在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)物已煅燒完全，同時(shí)煅燒溫度太高前驅(qū)物分解速度太快而會(huì)破壞晶須外形，且晶須易團(tuán)聚，直徑增大，因此適宜的煅燒溫度是1000℃。

2．5 煅燒時(shí)間對(duì)氧化鎂晶須的影響

硫酸鎂溶液濃度為 2mol·L－1，氨水為 4mol·L－1，按 n（MgSO4）∶n （NH3）＝1∶2，水熱反應(yīng)溫度 160℃，水熱反應(yīng)時(shí)間20h，在煅燒溫度為1000℃（開始升溫速率為5℃·min－1），分別將一定量的堿式硫酸鎂晶須煅燒 4、5、6、7、8h，結(jié)果如圖 5 所示。

從圖5可看出，隨著煅燒時(shí)間的增加，開始晶須增加較快，原因是開始煅燒不完全，晶須中仍含有較多的堿式硫酸鎂晶須，但當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后，產(chǎn)率基本保持不變，同時(shí)煅燒時(shí)間太長(zhǎng)也會(huì)破壞晶須外形，對(duì)生產(chǎn)也不利，所以適宜的煅燒時(shí)間應(yīng)控制在6h左右。

3 結(jié)論

以硫酸鎂為原料，通過滴加氨水生成前驅(qū)物堿式硫酸鎂晶須，產(chǎn)率可達(dá)85%以上，然后采用高溫?zé)Y(jié)法制備氧化鎂晶須，得到的氧化鎂晶須表面光滑、分散性好、長(zhǎng)徑比大，其產(chǎn)率可達(dá)80%以上。詳細(xì)考察了硫酸鎂溶液濃度、水熱反應(yīng)溫度、水熱反應(yīng)時(shí)間、煅燒溫度、煅燒溫度等對(duì)氧化鎂晶須產(chǎn)率的影響，得到晶須最大產(chǎn)率的最優(yōu)條件為:在制備前驅(qū)物堿式硫酸鎂晶須時(shí)，硫酸鎂溶液濃度為 2 mol·L－1，水熱反應(yīng)溫度為 160℃，水熱反應(yīng)時(shí)間為20h;在將堿式硫酸鎂晶須進(jìn)行煅燒時(shí)，嚴(yán)格控制升溫速率不超過5℃·min-1，升溫至1000℃進(jìn)行煅燒，煅燒時(shí)間為6h。本文的氧化鎂制備具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、反應(yīng)容易控制等優(yōu)點(diǎn)，且易于進(jìn)一步工業(yè)放大，對(duì)于實(shí)現(xiàn)氧化鎂晶須的工業(yè)化生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

[1] Zhanel G G，Walters M，Noreddin，et al．The ketolides:A critical review[J]．Drugs，2002，62（12）:1771-1804．

[2] 楊道媛，郭新榮，張海軍，等．MgO晶須的物相組成和微觀形貌多樣性[J]．人工晶體學(xué)報(bào)，2004，33（2）:167-169．

[3] 王在華，馮剛，孫慶國(guó)，等．堿式氯化鎂和氧化鎂晶須的制備與表征[J]．鹽湖研究，2007，15（4）:40-44．

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[5] 薛冬峰，鄒龍江，閆小星，等．氧化鎂晶須制備及影響因素考查[J]．大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，47（4）:488-493．

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Preparation Technology of Magnesium Oxide Whishers by Aqueous Solution Method

MAOQi，ZHAOLing-li，ZHOUQi-quan，DAIWei-dong
（Department of Chemical Engineering，Huaihai Institute of Technology，Lianyungang 222005，China）

To promote the scale-up production and industrial application of magnesium oxide（MgO）whiskers，MgO whiskers were prepared by the calcination method of the precursors．The preparation process consisted of the synthesis of a precursor called basis magnesium sulfate whiskers， followed by the heat treatment of the synthesized whiskers．The precursor whiskers were prepared with MgSO4and NH3·H2O as raw materis ls．The influence of each condition to the products was discussed and the best conditions were found as followed:the magnesium sulfate solution concentration was2mol／L，the hydrothermal synthesis temperature was160℃，the hydrothermal synthesis time was20h．Under the conditions the basic magnesium sulfate whiskers were prepared．Then the basic magnesium sulfate whiskers were calcinatedunder the speed of elevated temperature in5℃ ／min until the temperature to1000℃by separate steps，the calcination time was6h，then the magnesium oxide whishers were prepared．MgO whiskers obtained were possessed of smooth surface，uniform size distribution，well crystalline and its productivity could reach to80%．

ammonia water;basis magnesium sulfate;sintering;magnesium oxide whishers;technology condition

TQ 132.2

A

1671-9905（2011）08-0025-03

茅琦（1988-），女，本科生，專業(yè)是化學(xué)工程與工藝

2011-04-08