輕燒粉與硝酸銨制備高純度氫氧化鎂產(chǎn)品研究

唐 榮，樊勃言，徐 云

(沈陽化工大學(xué)，遼寧 沈陽 110142)

隨著可燃性高分子材料的大量生產(chǎn)以及應(yīng)用到各行各業(yè)，在給我們的生活和生產(chǎn)帶來便捷的同時，也帶來了嚴(yán)重的安全隱患。這些可燃性高分子材料氧指數(shù)低，極易引起火災(zāi)，燃燒速度快難控制，同時釋放大量有毒氣體。為了解決和消除這種風(fēng)險，阻燃劑出現(xiàn)。隨著日益嚴(yán)格的消防安全標(biāo)準(zhǔn)和塑料生產(chǎn)，全球阻燃劑銷售額快速增長，一直呈上升趨勢[1]。

近年來，氫氧化鎂作為新型鎂質(zhì)無機(jī)阻燃劑，具有較為突出的環(huán)保和高效阻燃優(yōu)勢，成為了研究的熱點(diǎn)。氫氧化鎂的原料來源廣泛、價格低廉，用于高分子材料阻燃具有安全環(huán)保、無毒無污染的特點(diǎn)[2-3]。同時作為阻燃劑，對氫氧化鎂阻燃劑的性質(zhì)要求極高，不僅要改善與高聚物之間的相容性，而且要求具有六方片形狀，良好的分散性和均一的粒度分布。

氫氧化鎂的制備方法[4-10]有化學(xué)共沉淀法、均質(zhì)流體法[11]、反向沉淀法[12]、超重力法等。雖然現(xiàn)在工業(yè)化生產(chǎn)方法各種各樣，在顆粒超細(xì)化、表面改性進(jìn)步迅速，但是對于納米級氫氧化鎂阻燃劑材料制備、改性技術(shù)仍需提高，這也導(dǎo)致我國對高端氫氧化鎂的需求依舊依賴進(jìn)口。

因此，通過尋找簡單、環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)效益高工藝制備高純度氫氧化鎂時非常有必要的。本文采用氨水沉淀法，不添加任何表面活性劑，原料為輕燒粉和硝酸銨通過改變實驗條件，尋找最優(yōu)氨鎂比以及通氨速率的同時，制備高分散性的六片方狀氫氧化鎂。

1 實驗

1.1 實驗原料

硝酸銨(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、氨水(天津大茂化學(xué)試劑有限公司)、輕燒粉(見表1)、EDTA、鉻黑T、酚酞、三乙醇銨等。

表1 輕燒粉主要成分

1.2 實驗過程

(1)蒸氨過程：適量輕燒粉、硝酸氨在一定溫度下反應(yīng)，生成氨氣與鎂鹽溶液。通過采用不同的氨鎂比，探究其對Mg2+提取率的影響。

實驗原理：

MgO+H2O→Mg (OH)2↓

Mg(OH)2+2NH4NO3→Mg(NO3)2+2NH4OH

NH4OH→NH3+H2O

(2)沉鎂過程：主要采用直接沉淀法，采用氨氣為沉淀劑。通過改變實驗中的通氨速率，探究不同實驗條件對制備的氫氧化鎂顆粒的影響，進(jìn)而尋求最佳實驗條件，制備符合阻燃劑型氫氧化鎂。

實驗原理：

NH3+H2O→NH4OH

Mg(NO3)2+2OH-→Mg(OH)2↓

2 實驗結(jié)果與討論

圖與Mg2+物質(zhì)的量比對Mg2+提取率的影響

2.2 通氨速率對氫氧化鎂顆粒的影響

取蒸氨精制液1 L，濃度為1 mol/L。投入到容積為5L的密閉高壓釜中進(jìn)行沉鎂反應(yīng)。反應(yīng)溫度為70 ℃，攪拌速率為400 r/min,反應(yīng)時間為1 h。通氨速率為1.5 L/min、1.9 L/min、2.2 L/min、3 L/min、6 L/min，通過改變通氨速率探究不同通氨速率對氫氧化鎂影響。表1為不同通氨速率下測得的轉(zhuǎn)化率和粒徑。圖1為在不同通氨速率下的氫氧化鎂SEM圖。

表2 不同通氨速率下的粒徑和轉(zhuǎn)化率

由表2可知，在不同的通氨速率下，通氨速率越快，轉(zhuǎn)化率越大，都達(dá)到94 %以上。通氨速率越大，在瞬時間通入的氨氣越多，反應(yīng)越劇烈，反應(yīng)向右進(jìn)行的程度越大，轉(zhuǎn)化率越大。但是由于不同的通氨速率對氫氧化鎂的分散性、均勻性有所改變，所以粒徑也隨之變化。

圖2 不同通氨速率下的氫氧化鎂SEM圖

由圖2中可以看出，在不同的通氨速率下，氫氧化鎂的形貌為六方片狀，這說明通氨速率的變化并沒有影響氫氧化鎂六方片狀形貌。但是通氨速率改變了氫氧化鎂的分散性和片狀厚度。隨著通氨速率的加快，氫氧化鎂六方片厚度逐漸減小，片狀結(jié)構(gòu)分散趨于均勻。通氨速率為1.5 L/min，氫氧化鎂片狀結(jié)構(gòu)規(guī)整，棱角分明，片厚度在0.2 ～ 0.3 μm之間但片狀結(jié)構(gòu)的(001)面與(101)面彼此成30～90 ℃交叉摞列，所以團(tuán)聚嚴(yán)重。通氨速率為1.9 L/min，(001)面之間層疊，片狀結(jié)構(gòu)的六方片晶面存在缺陷，片狀不規(guī)整，大小不一。通氨速率為2.2 L/min，，相比1.5 L/min和1.6 L/min,通氨速率為2.2 L/min的氫氧化鎂片狀結(jié)構(gòu)分散性和不規(guī)則性都沒有改善，厚度明顯降低，在0.1 μm左右。通氨速率為3L/min，偶有團(tuán)聚現(xiàn)象，片狀結(jié)構(gòu)變薄，規(guī)則性改善。通氨速率為6 L/min，沒有發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，所以粒徑很小，在5 μm左右，片狀結(jié)構(gòu)分散均勻，厚度在0.1 μm以內(nèi)，成透明狀薄片。在通氨速率較慢時，溶液中的過飽和度較小，生成的氫氧化鎂晶核較少，而晶體顆粒的生長速度要大于其成核速率，而各個晶面為了降低表面能出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。同時不難發(fā)現(xiàn)，較慢的通氨速率適宜(101)面的生長，較快的通氨速率適宜(001)面的生長，相同的條件下，通氨速率為1.5 L/min和6 L/min在制備的氫氧化鎂在厚度上存在很大差異，這是因為(101)面的生長相比(001)面需要更長的時間，較慢的通氨速率為(101)面的生長提供了足夠的時間。所以，不同的通氨速率制備的氫氧化鎂的片厚度不同。因此，選擇分散性良好、粒徑較小時的通氨速率，為6 L/min。

3 結(jié)論

(2)沉鎂過程在反應(yīng)溫度70 ，攪拌速度為400r/min，反應(yīng)時間為1h下，探究得到最適通氨速率為6L/min，經(jīng)產(chǎn)品表征，得到其純度 99.4%，產(chǎn)品顆粒呈六方片狀，其粒徑D50=2.268μm，粒徑分布較均一；XRD分析表明，產(chǎn)品(001)面衍射峰強(qiáng)度與(101)面衍射峰強(qiáng)度比值I(001)/I(101)較大，氫氧化鎂產(chǎn)品表面具有較低的表面極性。