輕燒鎂粉制備超細片狀氫氧化鎂

汪 艷1，王 偉1，張 俊2，胡 珊2

（1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

氫氧化鎂的用途非常廣泛，主要應(yīng)用于環(huán)保和阻燃兩方面.由于氫氧化鎂具有無毒、抑煙和填充三方面的優(yōu)勢，因此氫氧化鎂是一種非常環(huán)保的阻燃劑，應(yīng)用量非常之大.而作為阻燃用氫氧化鎂必須有規(guī)整的形貌，如片狀、纖維狀或其他形狀，這就要求合成氫氧化鎂時必須控制氫氧化鎂的形貌.氫氧化鎂的主要生產(chǎn)方法有直接沉淀法、水鎂石粉碎法、氧化鎂水化法等［1－4］.張波、李麗娟等［5］介紹了一種以硫酸鎂為原料制備花球狀氫氧化鎂阻燃劑的方法.Yi Ding［6］等人用不同的鎂鹽和堿液制備了納米針狀、片狀、纖維狀、粒狀的不同晶型的氫氧化鎂；Chenlin Yan［7］等用氯化鎂和尿素在不加入任何表面活性劑的情況下合成了分布均勻的納米花瓣狀的Mg（OH）2.

本文利用菱鎂礦煅燒所得輕燒鎂粉為鎂源，氨水為沉淀劑，采用直接沉淀法制備了超細片狀氫氧化鎂.本文還研究了陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉對氫氧化鎂分散性和形貌的影響.本文研究的意義在于有效利用菱鎂礦，節(jié)約礦產(chǎn)資源，提高其利用率和附加值.

1 實驗部分

1.1 實驗原料和儀器

輕燒鎂粉，工業(yè)級，沈陽萬眾三威股份有限公司；氯化銨，分析純，天津博迪化工股份有限公司；氨水，分析純，天津天力化學(xué)試劑有限公司；十二烷基苯磺酸鈉，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司.

數(shù)顯控溫電熱套：SXKW，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；掃描電子顯微鏡（SEM）：JSM－6390LV，日本電子株式會社；X－射線衍射儀（XRD）：D／Max2500，日本 Rigaku公司；紅外光譜儀：Nicolet 6700，Thermo Electron Corp，USA；熱失重分析儀：STA－409，德國Netsch公司；激光粒度儀：JL－1155，四川省輕工業(yè)研究設(shè)計院.

1.2 實驗過程

第一步：輕燒鎂粉的消化.按一定比例取輕燒鎂粉和氯化銨加入到1000mL的三口燒瓶中，再取500mL蒸餾水加入三口燒瓶中，開動攪拌，當(dāng)溫度達到110℃時記時反應(yīng)1h，反應(yīng)結(jié)束后抽濾得到氯化鎂溶液.

第二步：超細片狀氫氧化鎂的制備.將第一步制備的氯化鎂溶液加入到三口燒瓶中加熱攪拌，當(dāng)達到設(shè)定的溫度后，開始滴加氨水，達到反應(yīng)時間后停止攪拌.數(shù)次洗滌所得溶液，直到檢測不到Cl－為止.然后將沉淀過濾得到濾餅，將濾餅放入真空干燥箱中于80℃烘6h，最后得到白色粉末狀物質(zhì).在氯化鎂溶液中加入十二烷基苯磺酸鈉之后再滴加氨水就得到表面改性氫氧化鎂.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同反應(yīng)條件對氫氧化鎂平均粒徑的影響

2.1.1 反應(yīng)溫度對氫氧化鎂平均粒徑的影響

圖1為反應(yīng)溫度對合成氫氧化鎂粉體平均粒徑的影響.由圖可知，溫度低時，由于 Mg（OH）2溶解度大，溶度積高，溶液局部過飽和度小，離子活性低，擴散慢，因而晶體成核速率小，產(chǎn)物粒徑大.隨著溫度的升高，Mg（OH）2溶解度減小，溶度積降低，過飽和度變大，因而成核速率變大，Mg（OH）2的粒徑減小.但是當(dāng)溫度繼續(xù)升高，粒子運動加快，因而不利于晶體成核，生成的Mg（OH）2會發(fā)生團聚，產(chǎn)物平均粒度又增大.

圖1 反應(yīng)溫度對合成氫氧化鎂平均粒徑的影響Fig.1 Effect of reaction temperature on average particle size of Mg（OH）2

2.1.2 反應(yīng)時間對氫氧化鎂平均粒徑的影響

圖2為反應(yīng)時間對合成氫氧化鎂粉體平均粒徑的影響.由圖可知，隨著反應(yīng)時間的延長，合成氫氧化鎂的平均粒徑呈現(xiàn)先急速降低然后略微增大的趨勢.從實驗的周期性以及節(jié)約能量的角度考慮，氫氧化鎂合成的最佳反應(yīng)時間為1.5h.

圖2 反應(yīng)時間對合成氫氧化鎂平均粒徑的影響Fig.2 Effect of reaction time on average particle size of Mg（OH）2

2.1.3 氨水用量對氫氧化鎂平均粒徑的影響

圖3為氨水用量對氫氧化鎂平均粒徑的影響.由圖可知，隨著氨水用量的增加，氫氧化鎂的平均粒徑先減小后增大.在氨水用量為170mL時，氫氧化鎂的平均粒徑最小，為1.15μm.主要原因就是，當(dāng)氨水用量較少時，此時溶液中的過飽和度比較小，晶核形成的速率小于晶體成長的速率，容易形成大顆粒.而當(dāng)氨水用量很大時，雖然此時的過飽和度較大，但是溶液中形成的氫氧化鎂粉體容易團聚，導(dǎo)致粒徑變大.

圖3 氨水用量對合成氫氧化鎂平均粒徑的影響Fig.3 Effect of ammonia water dosage on average particle size of Mg（OH）2

圖4 滴加速度對合成氫氧化鎂平均粒徑的影響Fig.4 Effect of drop acceleration on average particle size of Mg（OH）2

2.1.4 氨水滴加速度對氫氧化鎂平均粒徑的影響 圖4為氨水滴加速度對氫氧化鎂平均粒徑的影響.由圖可知，合成氫氧化鎂的平均粒徑隨著氨水滴加速度的增加，呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢.在12mL／min時平均粒徑達到最小值，為1.34μm.主要原因就是，當(dāng)氨水滴加速率較小時，溶液中過飽和度也很小，使得晶粒的成核速率也遠小于生長速率，因此晶粒較大；隨著加料速率的增大，成核速率逐漸接近長大速率，使得平均粒徑減小；隨著加料速率進一步增大，體系中形成了大量的細微晶粒，晶粒來不及生長就相互團聚，導(dǎo)致平均粒徑又增大.

2.2 氫氧化鎂的XRD分析

采用上述最佳實驗條件制備出氫氧化鎂，其XRD測試結(jié)果如圖5所示.由圖5可見，圖中各峰的位置與氫氧化鎂標(biāo)準(zhǔn)卡片一致，屬于六方晶系.除了氫氧化鎂的特征峰外，幾乎沒有其他特征峰，而且圖中的001面和101面的峰很尖銳，說明氫氧化鎂結(jié)晶性能很好.

圖5 合成氫氧化鎂的XRD圖譜Fig.5 The XRD atlas of Mg（OH）2

2.3 氫氧化鎂的紅外分析

圖6是氫氧化鎂粉末的紅外光譜圖.由圖可知3700cm－1是氫氧化鎂中－OH的伸縮振動峰，在3460cm－1是氫氧化鎂晶體表面吸附水分子的羥基伸縮振動峰.在1640cm－1和1410cm－1是氫氧化鎂晶體中的Mg－OH和－OH彎曲振動峰.由此可得，進一步證明實驗室制備的粉末狀物質(zhì)為氫氧化鎂.

2.4 氫氧化鎂的TG分析

圖7是氫氧化鎂的TG曲線.從圖中可以看出，氫氧化鎂有兩個明顯的失重峰，第一次失重發(fā)生在溫度大約為200℃，這主要是氫氧化鎂失去結(jié)晶水.第二次失重在溫度為345℃左右，對應(yīng)的就是氫氧化鎂開始分解生成氧化鎂和水蒸氣.除了還有少量未完全干燥的水分，氫氧化鎂的含量大約為65.3%，其余為結(jié)晶水與少量雜質(zhì).

圖6 合成氫氧化鎂的紅外光譜圖Fig.6 The infrared spectrogram of Mg（OH）2

圖7 合成氫氧化鎂的TG圖譜Fig.7 The TG atlas of Mg（OH）2

2.5 氫氧化鎂的形貌分析

圖8是氫氧化鎂掃描電鏡圖片.從圖片中可以看出氫氧化鎂的形貌大致為六方片狀，且粒徑約為1μm，屬于超細氫氧化鎂.但是圖2～8中的氫氧化鎂由于沒有加任何表面活性劑，從而導(dǎo)致氫氧化鎂團聚比較嚴重.

圖8 氫氧化鎂的掃描電鏡（SEM）照片F(xiàn)ig.8 The SEM image of Mg（OH）2

2.6 表面活性劑對氫氧化鎂的影響

2.6.1 表面活性劑對氫氧化鎂分散性的影響

圖9為表面活性劑對氫氧化鎂分散性能影響的偏光顯微鏡照片.圖9a為未改性的氫氧化鎂照片，氫氧化鎂明顯團聚在一起，圖9b為添加SDBS的氫氧化鎂照片，對比發(fā)現(xiàn)，表面活性劑對氫氧化鎂的分散性比較明顯.

圖9 SDBS表面改性POE照片F(xiàn)ig.9 SDBS surface modified POE photograph

2.6.2 表面活性劑對氫氧化鎂形貌的影響

圖10為表面活性劑對氫氧化鎂形貌的影響.由圖10a可知，未改性氫氧化鎂形貌基本上是薄片狀，還含有少量的花瓣狀氫氧化鎂，粒徑分布不均勻，并且容易團聚在一起，分散性不好；而圖10b中，當(dāng)添加表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉后得到的氫氧化鎂晶體形貌變得更加規(guī)整，全部是粒徑分布均勻的薄片狀，并且分散性也有明顯的改善.

3 結(jié) 語

圖10 不同條件下制備的氫氧化鎂的SEM照片F(xiàn)ig.10 The SEM image of Mg（OH）2on different conditions

a.采用輕燒鎂粉和氨水為原料，控制合適的工藝條件可以制備出超細片狀氫氧化鎂.產(chǎn)物結(jié)晶性能好、極性較低、形貌較規(guī)整，平均粒徑大致為1μm，但容易團聚.最佳合成工藝條件為反應(yīng)溫度40℃、反應(yīng)時間1.5h、氨水加入量和滴加速度分別為170mL和12mL／min.

b.采用表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉能夠有效改善氫氧化鎂的分散性，并且還能改善氫氧化鎂形貌的規(guī)整性.

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