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纳米Mg(OH)2与MgO的制备及研究

2022-04-07 来源:趣尚旅游网
哈尔滨工程大学硕士学位论文

纳米Mg(OH)<,2>与MgO的制备及研究

姓名:何昌洪申请学位级别:硕士专业:应用化学指导教师:张密林

20040201

哈尔滨T程大学硕十学位论文摘要氢氧化镁主要用作高分子材料的阻燃剂,与其它阻燃剂相比,它主要优点是分解温度较高,故当一些热塑材料需要较高温度加工时(2000C),用氢氧化镁作阻燃剂可避免加工时,因阻燃剂分解而引起塑料的质变。除此之外,纳米氢氧化镁主要用于橡胶、塑料制品的填充材料及增强剂,在医学上作抑酸剂,在化学工业作催化剂及制造其它镁的化合物、陶瓷、玻璃等原料,作石棉防火填充物,绝缘保温材料等。该产品有广泛的应用前景,所以开展纳米氢氧化镁的研究意义非常重大。纳米MgO是一种粒径介于1~lOOnm的新型功能精细无机材料,由于其颗粒细微化而具有不同于本体材料的热、光、电、力学和化学等特殊功能。采用纳米MgO,不使用烧结助剂便可实现低温烧结,制成高致密的细晶陶瓷,可望开发为高温、高腐蚀气体等苛刻条件下的尖端材料,它还可作为氧化锆、氧化铝、氧化铁等其它纳米粒子的烧结助剂和稳定剂而获得高质量的纳米陶瓷。本实验表明:合成纳米Mg(OH)。阻燃剂较理想溶剂为乙醇和水比例为1:1~1:2的混合溶剂,在水一乙醇体系下可合成出外貌为针状、片状,粒径为20~lOOnm的Mg(OH)。。合成纳米MgO的最佳工艺条件为:制取前驱物Mg(0H)。的反应温度25。C~35。C,反应时间4~5h,反应物配比MgCl。:NH。H。O为1:4.5,MgCl。摩尔浓度为0.40mol/L,煅烧Mg(0H)。的温度为450。C,时间为3小时。其产物MgO粒径分布均匀、平均粒径28nm。以纳米Mg(0H)。作为阻燃剂填加到聚氯乙烯中,其对聚氯乙烯阻燃性能的影响表现为:随着Mg(oH)。填充量增加,PVC/Mg(OH):燃烧速度显著下降。纯PVC的燃烧速度为38mm/min,当Mg(OH):填充量为1%~3%时,其燃烧速度为37.5mm/min,阻燃作用不明显,当垤(OH)。填充量为5%~15%时,其燃烧速度为8.15~O.34mm/min,阻燃效果显著,达到GB2408--.80/lI一8标准。关键词:Mg(OH)2;MgO;阻燃剂;分散剂哈尔滨工程大学硕士学位论文ABST刚屹TMagnesiumhydroxideismainlyusedasafirearetardantchemicalofhighdecomposingpoint,usemacromoleculematerialanditsmainmeritisthatithaswhencomparedwithotherfireretardantchemicals.Thehydroxideasofmagnesiumanfireretardantchemicalcanavoidthequalitativechangeofplasticcausedbythedecomposingoffirematerialneedaretardantchemicalwhenthethermoplastichightemperaturetobeprocessed(200*C),andbesides,naDocanmagnesiumhydroxidebeusedaSstuffingandintensifierinmakingrubberinthefieldofmedicine,aScatalyzerinandplastic,aspolymerizationinhibitorthefieldofchemicalindustry,asmarerialofmagnesianproduct.asasbestosfireproofingstuffing,asinsulatedorheatpreservationmaterialonandSOon.Sothemagnesiumhydroxidehasmuchagoodfuture.Thestudymagnesiumhydroxidehasmeaning.isaNanomagnesianewkindofhi.gh—functionfineinorganicmaterialwhich100diameterisbetween1nanometerandnanometers,Therearedifferencesinperformanceperformanceusingwithouttheofofoptics,performancechemistfyofcalorifics,performanceofmechanics,betweennanomagnesiaandordinarymagnesia.Bycannanomagnesiausethesinterprocessbecardedoutinalowertemperaturealsoofagglomeration.ThenanomagnesiaCanbeusedasagglomerationotherandstabilizationinmakingzireonia,alumina,ferricoxideandnanoparticlesforhighqualitynanochinaware,Theexljerimentshowthattheethanol-watersolventofwhichtheratioisbewteen1:1andas1:2isaidealsolventforthepreparationofornanomagnesiumhydroxideusedfireretardantchemical.Aceratesheetmagnesiumhydroxidewhichdiameterisbetween50usingnanometersand100nanometersCanbepreparedbyethanol—watersolvent.Thebesttechnicalconditionsformakingnanoasfollows:thereactiontemperatureformakingmagnesiummagnesiaarehydroxideisbetween25℃and35℃:thereactiontimeisbetween4hourand5哈尔滨工程大学硕十学位论文hour,theratioofMgCl2toNH3.H20is1:4,5:theconcentrationofMgCl2is0.40mol/L;thetemperatureforthepreparationofmagnesiumhydroxideis450℃withtimeoft.hl∞ehour.111emagnesiahasuniformdiameterwhichisabout28nanometers.ThellanomagnesiumhydroxidecarlaffectthecombustioninhibitorofPVC,whenitisfilledintothePVCasafireretardantchemical.BurningvelocityofPE/Mg(OH)2dropmarkedlywhentheamountoffilledMg(OH)2isrising,TherearenomarkeddifferenceinburningvelocitybetweenthepurePEwithavelocityof38mm/minandthePEfilled、vithl%~3%Mg(OH)2withavelocityof37.5mm/min.Buttheburningvelocitycanbe8.15 ̄o.34mm/minwhichcanmeettherequirementsofGB2408-80/II——8,whentheamountoffilledMg(OH)2is5%一15%.Keyword:magnesiumhydroxide;magnesia;combustioninhibitor;dispersant哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其它个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字):日期:矿卯晦;月/日啥尔滨工程大学硕士学位论文第1章绪论1.1榭还氢氧化镁是一种重要的化工产品,作为阻燃剂近年来有很大发展,此外,氢氧化镁在中和处理酸性废水、燃料污水处理、脱出废水中重金属离子以及烟气脱硫方法的应用,较之传统碱具有很好优越性,国外关于氢氧化镁在环保方面的应用研究较早,发展也比较迅速,过去以生产镁砂为主的公司大多涉足氢氧化镁的生产.据统计,1998年氢氧化镁的产量日本为46万吨,美国为40万吨,而我国氢氧化镁的生产才刚刚起步,1998年生产能力不超过2万吨“11.随着塑料橡胶合成纤维等高分子材料生产的发展及其应用领域的扩展,其易燃性也曰益引起人们的关注。尤其当高分子材料与电器组合使用时(如电线.电缆等塑料制品),由于在高压发热放电等条件下工作,容易燃烧引起火灾。同时产生大量烟雾和有毒气体,燃烧时放出大量的热量,同时产生氯化氢、苯乙烯等腐蚀性气体和有毒气体,造成财物损失及人员伤亡,为此人们研究出各种阻燃剂来解决高分子材料的耐热和抑烟问题,如卤系(氯系、溴系)磷系以及无机阻燃剂(氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑)等,其中氢氧化镁由于具有阻燃、抑烟、热稳定性高无毒等特点而备受关注。氢氧化镁的分解温度高(340℃~490℃)且消烟性能好,尤其是:对氢氧化镁表面处理的技术发展和成熟,氢氧化镁能与加工温度较高的PP、PA、POM等聚合物有较好相容性,因此氢氧化镁作为阻燃剂在国内外受到特别重视。1.1.1氢氧化镁作为无机阻燃剂的优势随着高分子材料工业的发展,塑料、合成橡胶、合成纤维等高分子复合材料越来越广泛地应用于建材、家电、电子设备、汽车、化工、交通等领域,高分子材料的阻燃性能也同时受到全球的关注。近年来,随着重大火灾次数的增多、塑料焚烧造成的二次污染等问题的出现,使得人们对环境保护问题愈来愈重视,同时使得占市场份额较大的有机溴系阻燃剂的应用受到了限制。基于人们对环保的重视和对阻燃剂的严格要求,无毒、高效、抑烟的无机系列阻燃剂,特别是氢氧化铝和氢氧化镁的市场越来越广阔。无机阻燃剂主要有氢氧化铝和氢氧化镁,由于氢氧化铝问世早,目前世界上氢氧化铝阻哈尔滨工程大学硕七学位论文燃剂的性能优于氢氧化铝,因此它有进一步取代氢氧化铝的趋势。氢氧化铝在245~320℃范围内完成脱水反应,吸收潜热,降低温度,因此它的有效使用范围较低,适用于加工温度较低的树腊如PE、PP、PVC、环氧树脂、不饱和聚酯、丙烯树H抑ABS树脂等,而片状或纤维氢氧化镁具有高效、抑烟、无毒的阻燃剂之外,同时具有阻隔、抗酸及填充等多种功能,与销量最大的氢氧化铝相比,它在热稳定性、除酸能力、适用的聚合物的阻燃能力、抑烟能力等方面远优于氢氧化铝,因此是一种值褥大力开发的无机阻燃剂。氢氧化镁阻燃剂属于添加型无机阻燃剂,外观为白色粉末,无毒、无味、无腐蚀,可厂’泛应用于聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、高抗冲聚苯乙烯。ABS等塑料、橡胶行j№。相对于有机溴系阻燃剂来讲,由氢氧化镁阻燃的高聚物是一种绿色工程材料。它的主要优势表现在以下几个方面。(1)具有非常好的抑烟作用,其消烟能力优于氢氧化铝。NBS烟箱实验表明,氢氧化镁的添加量达9%时就有明显的抑烟作用,其最大烟密度由2556降至375埘。(2)氢氧化镁是一种不产生有害气体,不影响树脂电气绝缘性的无毒阻燃剂,属于绿色产品。其无毒性表现在制备、使用过程中和废弃物的处理上。制备过程中无有害物质排放,而且主要原料可以利用制盐母液或其制品——光卤石,实现制盐母液的综合利用,同时带动海洋资源的综合利用,解决晒盐苦卤的零排放问题,使其污染问题得到彻底解决。氢氧化镁阻燃剂的分解产物为氧化镁,它本身无毒,还能中和燃烧过程中产生的酸性及腐蚀性气体,如=二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳等。(3)氢氧化镁的热分解温度为330。C,比氢氧化铝高出100℃,这使得添加氢氧化镁的塑料能承受更高的加工温度,有利于加快挤塑速度,缩短模塑时间。同时氢氧化镁的分解能(1.37kJ/g)比氢氧化铝的分解能(1.17kJ/g)高,且热容也高17%,这有助于提高阻燃效率。(4)氢氧化镁的粒度比氢氧化铝小,对设备的磨耗低,有利于延长加工设备的使用寿命。(5)原料易得,成本低,市场竞争能力强。但一般的沉淀氢氧化镁是无定型体、易团聚的小颗粒,难以与有机树脂相亲合。作为阻燃剂的氢氧化镁根哈尔滨工程大学硕士学位论文据其用途不同必须是晶型良好、粒径大于20,t.tm的纤维状晶体或片状晶体。目前,国内外众多科研单位和企业都纷纷投入人力物力进行氢氧化镁阻燃剂的研究开发工作。日本最大的氢氧化镁阻燃剂厂协和化学工业公司从197.3年就开始进行氮氧化镁阻燃剂的研究]二作,并于1978年实现产业化。同时,同本神岛化学、日立、松下、旭化成等十几家公司也都先后进行氢氧化镁阻燃剂的丌发工作,并将其填充树脂形成阻燃复合材料。美国阻燃剂氢氧化镁也已有近20个品种,需求量以12%的年增长速率递增。1.1.2氢氧化镁的阻燃剂的机理无机阻燃剂的阻燃机理属于凝聚相阻燃机理,即凝聚相中延缓式中断阻燃材料热分解,从而产生阻燃作用,阻燃材料达到一定温度时,无机填充阻燃剂脱水、吸热,并生成的水蒸气有稀释可燃气体的作用,分解出的氧化物能促进聚合物碳化,从而对聚合物起到阻燃作用。目前市场上能够使用的无机阻燃剂主要有:Al(OH)。、 ̄lg(OH)。。由于氢氧化铝的分解温度较低,成型加一T:时易产生气孔。我们根据我所现有的加工设备,无法进行工业化生产。我们从实验过程中发现,当氢氧化镁的加入量达到60%左右,其极限氧指数一样可以达到要求,而且其分解温度较高,容易进行工业化生产。因此我们在阻燃剂的选择上选用了氢氧化镁做阻燃剂。氢氧化镁做阻燃剂反应式:Mg(OH)。一MgO+H。0在火焰的作用下添充到聚合物里的氢氧化镁吸收燃烧过程中放出的部分热量,等于从聚合物中取走热量,从而降低了聚合物的温度,减缓了聚合物的降解速度,这种分散吸热的化学冷却作用是氢氧化镁阻燃的主要作用。氢氧化镁释放出的水蒸气可以冲释火焰区域里气体反应物的浓度并兼有一定的冷却作用。氢氧化镁填充到聚合物里,有助于燃烧时形成碳化层。该碳化层即可阻挡热量和氧气进入,有可阻挡小分子的可燃性气体溢出。当然后面两种阻燃作用比起第一种要小的多,因此,在电缆遇火燃烧时,氢氧化镁能有效减慢聚合物的燃烧速度,减少燃烧产生的烟量,而且还能捕捉到因燃烧而产生的有害气体。11.3氢氧化镁的用途氢氧化镁主要用于:橡胶、塑料制品的填充材料及增强剂、在医学上作哈尔滨f:程大学硕士学位论文抑酸剂、化学工业作催化剂及制造其它镁的化合物、陶饔、i夏雨季层夏再?—罹石棉防火填充物、中和酸性废水、燃料污水处理、脱出废水中重金属离子以及烟气脱硫方面的应用,较之传统碱具有很好的优越性。尤其是氢氧化镁分解温度较高,故当一些热塑材料需要较高温度加工时(200。c),用氢氧化镁作阻燃剂可避免加工时,因阻燃剂分解而引起塑料的质变,从而降低火灾的危害,氢氧化镁与其它制剂混用,除了可改善高分子材料的耐热性外,还可改善它们的其它性能,如:机械强度、软化温度、制品表面亮度、绝缘性能、抗静电性能;氢氧化镁还具有良好的隔热性,如添加一定的量氢氧化镁的透明塑料薄膜具有良好的隔热作用,用作温室材料效果明显;氢氧化镁还可以用作变压器钢材的绝缘保护层等用途n,。1.污水中重金属处理来源于电镀、皮革、染料等企业的含cr废水通常以六价化合物存在,其毒性比三价大得多,并很稳定。郑荣光等人利用氢氧化镁乳液处理含铬废水时,先在酸性条件下,用硫酸亚铁还原CF(VI)…1,然后加入氢氧化镁乳液,‘方面中和废水的酸,另一方面使废水中的铅离子、铁离子形成氢氧化物沉淀而除去。使废水中的铬达到排放标准.tuenay等人研究发现:氢氧化镁可以可以对台金属阳离子的废水进行有效的预处理,但是需要进一步深度处理才可以排放。Schezberg等人,研究试验的两种类型的氢氧化镁去除废水中的重金属离子:Cu’、Fe”、cr(III)、Pb”和zn2+等能够完去除,Mn(II)和Hg(II)来说明效果不明显,对于Cr(Ⅵ)必须还原成Cr(III)。对于含Fe”的废水,可先将其转化为Fe”,然后与氢氧化镁反应生成氢氧化铁沉淀,也可将氢氧化镁制成一定厚度的过滤床层,填充在过滤柱中,当含有铜、镍等重会属离子的废水流过时,重金属离子就被吸附在氢氧化镁表面。Cater等人实验得出,用氢氧化镁处理含Nr、Pb”废水Ni2+从19mg/L降到0.Olmg/L”、1以下。郭如新文章提到:对于Mo.Co.Sn.w.Bi.和V等重金属也可用轻烧氧化镁、氢氧化镁或二者铝酸钠的合成品一铝碳酸加以脱出,较用氢氧化钙处理具有无可比拟的优越性,Mg(0H)。、Fe(0H)。联用可有效的除去废水中的氧化酸盐离子。废水脱磷脱胺,效果显著。例如处理含PO;3。<1200mg/L的污水,磷的脱出率在90%”1以上,用轻烧氧化镁脱出胺的效果在90%以上。2印染污水处理哈尔滨工程大学硕士学位论文印染废水中的污染物成分复杂,常规处理方法:化学混凝法、生化法、电化学凝聚法和活性碳法处理,赵宜江等人采用氢氧化镁对直接印染工业废水进行脱色处理,研究表明,氢氧化镁具有良好的脱色效果,在镁盐的添加为600mg/I.、pH值为11的条件下,脱色率达98%以上,同时测定了氢氧化镁对直接印染的饱和吸附量为2.1229/g。跟不同的固液分离方式对脱色效果的影响不同,他们又提出了氢氧化镁吸附和微滤过程相结合的方法,进行了活性染料废水脱色处理新技术的研究,将氢氧化镁吸附作为无机微膜率的预处理,通过对实际废水脱色的性能及膜通量的考察,确定了该工艺的技术可行性,在一定的条件下,选用1岫的膜,镁盐添加量为600~800mg/L”1,脱色率在98%以上,而且可实现一体化快速分离,出水澄清透明,有望实现循环利用。许昆等人用氢氧化镁对水性阴离子染料废水脱色的研究结果为:镁盐法去除水溶性阴离子染料,在一般情况下对实验所用的10种染料平均脱色率达99%93以上,使用CaO为碱化剂比使用Mg(OH)。效果更好,应尽量采用石灰或在钙盐存在下使用big(OH)。,严格控制pH值,避免加碱过量.一旦碱化完毕,马上加入高分子絮凝剂助凝并固液分离,以免因电性改变,染料解析而增加出水色度,Mg(oH)z对阴离子染料的吸附是静电引力离子吸附,并服从郎格缪尔得便法温吸附规律。3.酸性废水的处理酸性废水的处理方法通常先采用中和法,把溶液的pH值调节到6~9后,再进行生化法等进一步处理。Gibson等人发现,利用Mg(oH)。处理酸性废水比烧碱或石灰石效果更好,因为用烧碱或石灰石很难控制其碱度。Higgins等人利用NaOH、Ca(OH)。和 ̄lg(oH)。处理含H。S的产生,又把pH值控制到8.5,并且应用Mg(oH)。处理剂,可以减少沉淀的体积而且污泥的脱水性较好。4.氢氧化镁在烟气脱硫方面的应用目前石灰石一石膏法脱硫工艺占主导地位,我国烟气脱硫始于20世纪70年代,但发展较为缓慢,主要是因为烟气脱硫耗资巨大,随着我国经济实力的增强和环保法规的日益严格,烟气脱硫势在必行。采用镁质材料进行烟气脱硫最早始于日本,随后在欧美各国开始应用,Berman等人研究了用氢氧化镁作为吸收剂脱除烟气中sO:,反应器采用对流喷射塔,脱硫率可达94%~96%“ol。BreeRGly等人研究发现,当含有1%~5%的氢氧化镁存在时,能使烟气脱硫副产品石膏浆状脱水率提高,而且脱水石膏具有针状形态,这种石膏哈尔滨上程火学硕士学位论文比不加氢氧化镁的脱硫石膏用途更广、性质更优良。Hayakawa等人采用氢氧化钙等物质产生氢氧化镁,产生的氢氧化镁再回用于脱硫过程中。该方法减少了吸收剂的用量,同时降低了脱硫费用。Akyoshi等人利用氢氧化镁脱硫时,先将sO。在冷却塔内冷却,然后用氢氧化镁浆液吸收,吸收液再返回到冷却塔中,从而提高了处理机的利用率。Gmatsui等人研究了利用氢氧化镁处理焚烧炉尾气,尾气中的HCI和sO。在吸收塔中均可被吸收,而且吸收效率很高。5.氢氧化镁阻燃剂氢氧化镁同氢氧化铝一样,是无机添加型无毒阻燃型,具有阻燃,消烟,填充等多重性,与氢氧化铝相比,具有热稳定性高,高效的促基材成炭作用和强除酸能力等特性。氢氧化镁在高聚物中氢氧化镁作用乙烯一乙酸乙烯聚合物(EVA)阻燃填料尤为普遍,产品可作为电缆包皮和其他的绝缘材料。如着色剂、抗氧剂、紫外线吸收剂增强剂、润滑剂等具有兼容性。表面改型后的氯氧化镁可用作各种热塑性、热固性聚合物和弹性体的阻燃填料,包括聚乙烯单聚或共聚物、聚酯树脂、环氧树脂、丙稀酸树脂及其混合物,苯乙烯一丁二烯橡胶(SBR)、乙烯一丙烯橡胶(EP)等。6氯氧化镁在监测物质方面的应用(1)氢氧化镁共沉淀分光光度法测定水中铁、锰利用氢氧化镁共沉淀一分光光度法测定水中锰、铁,收到了良好的效果。由于沉淀沉降速度快,利用虹吸法很容易地把母液和沉淀分开,免去了繁琐的过滤或离心操作,具有简便、快速、无毒无害、捕集效率高等优点,氢氧化镁共沉淀一分光光度法测定水中铁、锰,方法简便、快速、无毒无害。锰的捕集率的捕集率100%,铁的捕集率97.4%,效果良好““。(2)用氢氧化镁共沉淀法测定水中镉、铅、铜、锌、铁、锰罗阳介绍了以氯化镁作沉淀剂,使重金属的氢氧化物与氢氧化镁形成共沉淀。用原子吸收分光光度法测定水中铜、铅、锌、锡、铁、锰,根据该方法对浅层地下水、深层地下水、自来水和地表污水进行实验,相对标准偏差0.8%~4.6%,加标回收率93%~104%,效果很好,比较稳定”…。7.其它方面的应用、(1)食品添加剂哈尔滨工程大学硕士学位论文美国食品与药物管理局(FoodandDrugAdministration,FDA)1999年确认氯氧化镁作为直接食品添加剂物质是安全可靠的,改变了过去不推荐氢氧化镁的作法。氢氧化镁可作为土豆贮存时的保鲜剂,在4℃~6℃条件下,在其表面涂一层含氢氧化镁3%的乳液,作为无毒保护层可有效地hytopathogens的发生。通过对比试验,氢氧化镁的保鲜效果在75%左右“1。是一种生态安全产品。肉类、鱼类首先用镁盐处理,再添加调味品和其它添加剂。用镁盐处理过的鱼肉制品,可防止肉组织生物降解,并保持弹性和柔软。(2)糖液精制可用氧化镁进行粗甜菜糖液的精制,氢氧化镁精制工艺较传统工艺废渣量减少1/5,节能15%,CO。减少15%~40%。1。所排放的含氢氧化镁的滤饼,可用作土壤改良剂(镁肥),一种用氢氧化镁精制粗甜菜糖的方法在日本已获得专利.1.2氢氧化镁的制法1.2.1氢氧化钙法氢氧化钙法是指以卤水或其它可溶性镁盐为原料,以ca(OH)z为沉淀剂的方法…1。反应式为:M92++Ca(OH)z—Mg(OH)2+Ca”此法原料易得,有较高的工业价值,但产品粒度小(可达0.5阳则以下),聚附倾向大,极难过滤,又易吸附杂质,而且要求原料含镁浓度低,同时原料中不能含有硫酸盐(形成石膏一同析出),故产品纯度低,只适合对产品纯度要求不太高的行业使用。1.2.2氨法氨法是指以卤水或其他可溶性镁盐为原料,以氨水作沉淀剂的方法”…,反应式为:M92+十2NH。.H20—Mg(OH)z十2N}k+此法是生产氢氧化镁的一个重要方法,由于NH。.H20是弱碱,同时由于N‰H。O的作用,使垤(oH)。溶解度加大,因而使反应变得容易控制,通过调整反应条件就可制各高纯微细产品,也可生产大晶粒易洗涤产品。但由于氨的哈尔滨T程火学硕七学位论文。的挥发性,如果密闭效果不好,操作环境较差。1.2.3氢氧化钠法以卤水或其他可溶性镁盐为原料,与氢氧化钠反应制得氢氧化镁,反应式为:Mg“十2NaOH—Mg(OH)。十2N矿一一由于NaOH是强碱,采用该法时,如果条件不当会使生成的氢氧化镁形成胶体沉淀,粒径偏小,给产物性能控制及过滤带来困难,也易带入较多的Na+和C1_,故此法要求合成条件较严格…1。1.2.4氧化镁水化法氧化镁水化法制氢氧化镁,是其热分解反应之逆反应。目的是为了得到高纯的或特殊物化性能的产品。氧化镁要求,必须是轻质MgO(轻烧镁),否则不易制备出氢氧化镁”…。1.2.5一种纳米氢氧化镁阻燃{}岫氧化镁原料制备新工艺以老卤水或菱镁矿得到的精制氯化镁溶液和工业氨水或氨气为原料,或者利用硫酸镁溶液和工业氨水或氨气为原料,采用超重力(旋转填充床)技术,利用液一液相反应或气一液相反应方式,制各纳米氢氧化镁阻燃材料训。1.2.6氢氧化镁超细粉末其制备方法及其阻燃性聚氯乙烯组合物在湿式粉碎工艺粉碎氢氧化镁时,通过抑制浆液粘度的上升,控制干燥时出现的二次凝聚和粘结现象,同时对氯氧化镁颗粒表面进行疏水处理,以提供充填在聚氯乙烯中分散性能好,能大幅度改善聚氯乙烯物理性能及外观的低成本氢氧化镁超细粉末。在100重量份的天然水镁石及或烧结氧化镁中,加入0.01~20重量份的聚羧酸型分散剂、0.Ol~20重量份的脂肪酸金属盐o。及10~1000重量份的水混合后,经湿式粉碎制备平均粒径在lOP.m以下的氢氧化镁超细粉末、并将所得超细粉末作为阻燃剂及或阻燃助剂用于热塑性树脂中。12,7硫氢化物一水热法制备氢氢化镁常温合成:按一定比例配制氯化镁(2.9ml/1)和硫氢化钡(0.97ml/1)溶液,混合后移入装有冷凝管的三口瓶。将三口瓶置于控温装黄,逐步加热(升哈尔滨工程大学硕士学位论文淀生成及硫化氢气体逸出。硫化氢气体冷凝后进入盛有NaOH溶液的吸收瓶。反应后期,硫氢化物逐渐分解完毕,逸出的硫化氢气体也越来越少,吸收瓶中无硫化氢气泡出现时视为反应结束,所得悬浮液经过滤、洗涤、干燥(105℃下干燥16h)、粉碎后用于水热改性实验“…。水热改性条件如下:NaOtI浓度:3tool/1,温度:200"C,时间:4h,搅拌转速:770r/min。1.3氧化镁的制备方法1.3.1溶胶凝胶法溶胶一凝胶法(SolGel)是指从金属的有机物或无机物的溶液出发,在低温下,通过溶液中的水解、缩合等化学反应,首先生成溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶,然后经过热处理或减压二F燥,在较低的温度下制备出各种无机材料或复合材料的方法。其化学过程为:原料一水解一活性单体一缩合一溶胶一凝胶化一凝胶一干燥、热处理一材料基本反应:1.水解反应:M(0R)。十H。0一M(OH),(OR)…十XROH2.缩合反应:一M—OH+H卜M一一—M^_o—M一+H:0——M—OR+HO——M一—-——M÷—旬--—^^一+ROH溶胶一凝胶法与传统的高温固相反应相比,具有以下几个优点:1.通过各种反应物溶液的混合,很容易获得需要的均相多组分体系;2.对材料制备所需温度可大幅度降低,从而能在较温和条件下合成多种功能材料;3.由于溶胶的前驱体可以提纯而且溶胶一凝胶过程能在低温下可控制的进行,因而可制各高纯或超高纯物质,而且可避免在高温下反应容器的污染等问题;4.溶胶或凝胶的流变性质有利于通过某种技术如喷射、旋涂、浸拉、浸渍等制备各种膜、纤维或沉积材料。溶胶一凝胶法也存在某些问题:1.目前所使用的原料价格比较昂贵,有些原料为有机物,对健康有害;哈尔滨l‘程大学硕士学位论文2.整个溶胶一凝胶过程所需时间很长,常需要以周、月计;3.凝胶中存在大量微孔,在干燥过程中又将除去许多气体、有机物,故干燥时产生收缩。1.3.2化学共沉淀法制备氢氧化镁的沉淀法包括直接沉淀法、共沉淀法和均相沉淀法等。直接沉淀法是仅用沉淀操作从溶液中制备氢氧化物或氧化物的方法;共沉淀法是将沉淀剂加入到混合金属盐溶液中,促使各组分均匀混合沉淀,然后加热分解以获得产物的方法。在用上述两种方法时,沉淀剂加入可能会使局部沉淀剂浓度过高,因此可以采用能逐渐释放沉淀剂NH。OH的尿素的均相沉淀法。1.化学共沉淀法制备的粉料组成均匀。由于该方法是在液相中进行的,可以在分子尺度上均匀的混合目标产物的各种离子,只要控制好沉淀条件就础‘以使沉淀反应生成的粉料组成非常均匀。2.化学共沉淀法制备的粉料纯度高,颗粒细。由于该方法是在反应器中进行的液相反应,所用的反应物都是纯度很高的溶液,反应生成的产物很少带入其它杂质离子。在分子尺度上混合反应物使得固相反应相对容易,不像高温圃相法那样容易残留杂相。通过适当的分散技术可以使制备的粉体颗粒纳米化,粒径均一。3.化学共沉淀法的合成温度低。化学共沉淀法可以在分子尺度上均匀混合各反应组分,从而大大降低了固相反应时的分子扩散传质阻力,降低了固相反应温度。不仅降低了对设备的要求,也降低了能耗。133水热合成法水热合成是指在一定温度和压强条件下利用溶液中物质化学反应所进行的合成。在水热合成条件下,水处于临界或超临界状态,物质在其中的物性和化学反应性能均有很大改变,因此水热反应异于常态。通过水热反应可以制得固相反应无法制得的物相或物种,或者使反应在相对温和的条件下进行。水热合成化学有如下特点:1.由于在水热条件下反应物反应性能的改变、活性的提高,水热合成方法有可能代替固相反应以及难于进行的合成反应,并产生一系列新的合成方法:哈尔滨工程大学硕士学位论文2.由于在水热条件下中间态、介稳态以及特殊物相易于生成,因此能合成与开发一系列特种介稳结构、特种凝聚态的新合成产物:3.能够使低熔点化合物、高蒸气压且不能在熔体中生成的物质、高温分解相在水热低温条件下晶化生成;4.水热的低温、等压、溶液条件,有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶体,且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体的粒度;5.由于易于调节水热条件下的环境气氛,因而有利于低价态、中间价态与特殊价态化合物的生成,并能均匀地进行掺杂。1.4国内外的研究现状随着塑料橡胶合成纤维等高分子材料生产的发展及其领域的扩展,其易燃性也日益引起人们的关注。为了使氢氧化镁能够用于塑料阻燃,日本协和化学工业公司自1973年开始研究特殊大晶粒,低比表面积的氢氧化镁,1975年研究成功,1978年正式工业化生产。随后日本神岛化学、日立、松下、旭化成等十几家公司都先后竞争开发氢氧化镁阻燃剂并将它填充树脂组成阻燃复合材料。我国杭州化工研究所、江苏海水综合利用研究所、兰州化学工业公司研究院、大连理工大学及新疆工学院等有关单位相继对氢氧化镁阻燃荆的制造和应用开展了研究。1.4.1国内现状及发展情景目前,国内外研究和应用较多的新型无机阻燃剂,主要是氨氧化镁和氢氧化铝及五氧化二锑等,尤其以氢氧化镁最为重要。阻燃剂型氢氧化镁不仅具有良好的阻燃效果,抑烟性强,而且具有较好的填充性能,安全无毒,产品性能稳定,颗粒细小均匀,与基料材料间的相容性好,生产工艺简单,原材料价廉易得,生产成本低,被填充的材料表面光洁明亮,色泽美观大方,因而深受广大用户的喜爱,从80年代中后期开始,我国杭州化工研究所、大连理工大学化工学院、兰州化工研究院、武汉化工学院、新疆工学院等单位相继进行阻燃剂氢氧化镁及氢氧化铝的工艺研究工作,并用它们逐步取代传统的阻燃剂进行使用,取得了理想的阻燃效果。到20世纪末尤其是用于电器材料、光缆通讯材料等特殊用途的纳米级氢氧化镁的开发成功,更是使新型无机阻燃剂独占螯头,应用前景不可限量。哈尔滨T程大学硕士学位论文(1)我国菱镁矿(MgC03)总储量为31亿t,85%集中在辽宁东南部地区,其次是山东莱州、河北邢台,其他省亦多有储藏。白云石(~lgCO,.CaCO。)储量为40亿t,水镁石(Mg(OH):)资源约1000万t,青海察尔汗内陆盐湖卤水中以氯化镁存在的镁盐为16亿t。山西运城盐池以硫酸镁存在的镁盐量为1050万t。海水制盐工业每年可供回收加工利用的氯化镁400万t,硫酸镁100万t。凡此种种都是开发氢氧化镁及其它镁化学制品的宝贵原料。我国镁矿资源分布之广‘、品种之多、开发潜力之大是国外任何一个国家无可比拟的。我们应该充分认识和利用这一得天独厚的资源优势,变宝贵的资源优势为实在的经济优势。(2)随着我国环境治理项目的日趋增多和环境立法的逐步完善,必将更多地采用高技术、效果好、无污染、简易安全的治理方案。废水处理仅是氢氧化镁(包括轻烧氧化镁)众多应用领域中的一项,其它方面都有不同程度的需求,这就为大量推广应用氢氧化镁提供了机会。因此,在我国开发氢氧化镁产品,潜力巨大,前景乐观。(3)1998年我国不同规格氢氧化镁生产能力约为1.O~1.2万t,由山东胶州沽河镁盐厂、上海振泰化工厂、河北武邑县阻燃剂厂等几个厂家生产,在国际上远排不上位次(日本46万t,美国40万t,荷兰20万t,高大利15万t),这与镁矿资源大国的地位极不相称。况且,国外(美国、日本、瑞士)都从我国进口的初级原料(菱镁矿、轻烧氧化镁、水镁石)生产总量超过10万t的不同规格高附加值的氨氧化镁并进入国际市场。这对我国来说既是一个挑战又是一个机会。面对这一现实,国内有关部门应认真研究对策,制订规划措旎,让中国不仅成为供给氢氧化镁原料国内外市场,而且成为供给氢氧化镁产品国内外市场”11.4.2国外动态在世界阻燃剂销售中,无机阻燃剂约占50%。由于无机阻燃剂分解时无腐蚀性或有毒物质释放,愈益受用户亲睐。其主要品种有氢氧化铝、氢氧化镁等。表1.1日本氢氯化镁生产厂家及生产能力。4哈尔滨上程人学硕士学位论文AsahiGlasscompany15.0海水以料浆产品为主,粉状用于阻燃剂1.id./KTTAKYusHu,FukucKaDaiCelAbsosBsangyo外购从中国进口轻烧氧化镁为原料K.K/Himeji,HyogoKuomachemicalIndustyO.9卤水生产粉状产品,用Co.Lid/sakaide.kagamaCo.1ie/Ube,Yanguchi20.0丁助燃剂生产合计>46.1而其中氢氧化镁因其原料广阔、品质优良,发展势头引人嘱目,开发研究比较活跃。据不完全统计,近年美国(化学文摘)所载阻燃剂氢氧化镁的制备和应用开发文献每年既有百余篇之多。日本Naikai盐业和宇部材料工业公司生产粉状和料浆状产品,旭硝于和新日本盐业仅生产料浆状产品。Konoshima和协合生产粉状产品。旭硝于和新日本盐业仅生产料浆状产品。Konoshima和协和生产粉状产品,1999年i月Tosch.Tatecho和DaidoHoxam联合组建了TMG合资企业,生产阻燃剂氢氧化镁,该厂已于2000年4月开工生产。阻燃剂牌号Finmag—MOFinmag—SN,可,“泛用于电线电缆行业,产品供围内外两个市场。鉴于中国廉价的轻烧氧化镁资源,日本己有三个厂家利用这一原料生产氢氧化镁。美国生产阻燃剂,合成品用量4~5Kt,天然品用量15~20Kt,未来5年的年增长率为7%~10%。在西欧大量氢氧化镁。在阻燃剂领域,氢氧化镁是西欧增长速度最快的无机、无卤阻燃剂。年消耗量估计在10~15Kt左右。表1.22000年7月美国氢氧化镁生产厂家生产能力统计表”41单位:Kt/a公司名称Martil3Manetta地址Manistee能力2310原料卤水备注生产工业级产品MartinManettaMartinManettaMartinManettaDowchemicalCO.PitlsburghKnoxvilleLenoir轻烧氧化镁12125轻烧氧化镁卤水Ludington部分用于氧化镁生产哈尔滨,L程大学硕士学位论文I)owchemicalCO.Frepor20海水AppliedchemicalBullhead30水镁石MagcomDMarble30水镁石PremierchemicalSBrownsvile20PremierchemicalsGabbs25菱镁矿Premierehemica]SNewBem20PremierchemicMsPbcemixlO轻烧氧化镁PremierchemicalSPortst.joe50海水Premiel"chemicalSSanteFe20轻烧氧化镁spnlngsPremierchemicalSWilmington20轻烧氧化镁RohmandHaasManiStee20卤水BarcoftCOLeWes7海水RMCMineralS10水镁石A1ucheInclO水镁石阻燃剂级合计462阻燃剂级1.5纳米微粒概述1.5.1纳米微粒的基本特性纳米科学技术的发展,使人们对纳米微粒的性质有了广泛的认识.就目前的研究状况看。纳米微粒的特性中要有以下四种效应”…:1.表面与界面效应表面效应是指超细粉未表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大。超细粉的比表面积可达lO~70m2/g,比表面积的改变导致一系列热力学性质的变化,如物理、化学平衡条件的变化,熔点随颗粒尺寸减小而降低等。此外,表面原子的几何构型、原子间的相互作用均有所不同,具有很大的化学活性。因此与表面有关的吸附、催化、扩散烧结等特性明显与大颗粒不同。哈尔滨工程大学硕士学位论文当微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小,导致声、光、电、磁、热力学等呈现新的特性,即小尺寸效应。3.量子尺寸效应所谓量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到最低值时.费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。4.宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应.近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应,称为宏观量子隧道效应。表面与界面效应的研究对催化领域有着重要意义,纳米微粒表面积比相同体积的宏观粒子大很多,大大增加了表面能和与物质的接触面,改变催化剂的性能。由于纳米微粒具有上述的四种效应、因而在许多方面有着特异的性质。下面简要加以介绍.(1)熔点降低纳米微粒比表面原子数多,这些表面原子近邻配位不全,活性大,体积远小于通常的大块材料,使得纳米粒子熔化时所需增加的内能小得多,导致纳米微粒熔点急剧下降。如:块状金的熔点为1063"C。而2nm的金粒子焙点降低为300。C左右。(2)烧结温度降低烧结温度是指把粉末先用高压压制成形,然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合成块,密度接近常规材料的最低加热温度。纳米微粒具有表面与界面效应,在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的,即烧结温度降低。如:A1。0。常规烧结温度在2073~2173K:在一定条件下纳米A1z0。可在1423K至l773K烧结,致密度可达99.7%。常规Si。N4烧结温度高于2273K,纳米极限。量子尺寸效应、隧道效应将是未来微电子器件研究的基础、或者哈尔滨.L程大学硕士学位论文况它可以确立现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子磊件iF五;两型化时必须考虑量子效应,Si。N;烧结温度降低为400~500K。(3)磁性的变化粒径10一loonm的纳米粒子处于单磁畴结构,Hc增大,晶体纳米化后可使一些抗磁性物质变为顺磁性物质.如:金属sh通常为抗磁性,其6=一1×10~emu/g,,但纳米晶Sb的6=20×10“emu/g表现出顺磁性,纳米化后还具有显著的磁效应、巨磁阻效应等。(4)光学性质变化量子尺寸效应和表面效应对纳米微粒的光学特性有很大的影响.因而使其与同样材质的的宏观大块物体相比,具有一些新的光学特性。主要表现在:宽频带强吸收:大块金属具有不同颜色的光泽,这是由于它们对可见光范围各种(波长)颜色的反射与吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒颜色发生变化,如:Au变为红色,Ag变为桃红色,A1变为黑色,且随粒径变小颜色逐渐变深.导致这种现象的原因是它们对可见光的反射率降低,吸收率增大。蓝移现象:与大块材料相比,纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移现象”即吸收带移向短波方向。纳米微粒的发光:1990年日本佳能研究中心的H.Tabagi发现粒径小于6nm的硅在室温下可以发射可见光.(5)超导性随着粒子的纳米化.超导临界温度Tc逐渐提高。如:Al、zn、Pb等纳米粉末随着粒度的减小,Tc提高.(6)化学反应活性提高纳米粒子表面原子数多,这些表面原子具有高的表面能和更多的表面断键,致使其化学反应活性增大。即使耐热耐腐蚀的氮化物纳米粒子也会变得不稳定。如:粒径为45nmTiN的纳米粒子在空气中加热即燃烧成白色的TiO:纳米粒子。(7)力学性能常规情况F的软金属,当其颗粒尺寸小于50nm时,金属强度增大.如:用粒度为5~7nm的粒子制得的铜和钯纳米固体的硬度和弹性强度比常规金哈尔滨』:1:=程人学硕士学位论文属样品高出5倍。(8)敏感特性纳米微粒具有大的比表面积,高的表面活性,对气体及周围环境十分敏感。因而利用纳米粒子可以制成光敏、温敏、气敏、湿度等各种敏感元件。纳米粒子还有一些奇异的特性如:离子导电性、低温下热导性能好、比热增加等。1.5.2纳米粒子的应用纳米微粒与常规材料相比,具有许多奇异的特性,因而在磁性材料、电子材料、光学材料、催化、传感等方面具有广阔的应用前景,有的已达到实用化程度。1.在催化方面的应用通常的金属催化剂如Fe、Co、Ni、Pd、Pt等制成纳米微粒可大大改善催化效果.如氢气和液体燃料一直是人们研究的重要课题.最近日本用纳米Pt微粒作为催化剂放在Ti02载体上,再加入甲醛的水溶液中通过光照射成功地制取了氢气,而且产率比原来提高几十倍;用硅作载体的Ni纳米微粒作催化剂,当粒径小于5nm时,不仅使催化效果明显提高,而且对丙醛氢化反应的反应选择性急剧上升,使丙醛生成正丙醇氢化反应优先进行,而使脱羰引起的副反应受到抑制。2在磁记录上的应用记录材料高性能化和记录高密度化是信息社会的需求。磁性纳米微粒具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性,用它制作磁记录材料可以提高信噪比,改善图象质量。日本松下电器公司已制成纳米级微粉录象带,它具有图象清晰、信噪比高、失真小的优点。3.在传感器方面的应用纳米微粒是应用于传感器的最有前途的材料。早在1980午松下电器产业部的阿部等人就开发了氧化锡纳米微粒传感器。利用纳米微粒使制造高灵敏度的超小型、低能耗、多功能传感器成为可能。哈尔滨工程大学硕士学位论文纳米微粒制各电极材料有助于提高电化学活性。研究表明,利用纳米级尖晶石LiMn204制备的电极材料,在合适煅烧温度情况下,放电容量和循环稳定性非常好,被认为是下一‘代锂离子电池最有前途的正极材料之一。5在医学、生物工程上的应用由于纳米粒子比红血球小得多,可以在血液中自由运动,因而可以注入各种纳米粒子到人体各部位,检查病变和进于亍治疗。如:在磁性Fe304纳米微粒表面包敷蛋白携带药物,注射进入人体血管,通过磁场导航输运到病变部位释放药物,可减少药物产生的副作用。6在光学方面的应用纳米微粒在光学方面的应用主要表现为:(1)光学纤维纳米微粒可以降低光导纤维的传输损耗。如热处理后的纳米Si02光纤对波长大于600nm的光传输损耗小于10dB/km;(2)红外反射材料纳米微粒用于该材料上主要制成薄膜和多层膜来使用,为提高发光效率,增加照明度提供了一个新的途径。(3)在研究紫外吸收材料时发现纳米三氧化二铝粉体对250nm以下的紫外光有很强的吸收能力。该特性将有可能使延长日光灯管使用寿命这一问题得到解决。1.6课题研究背景及意义近年来,随着环境呼声的日益高涨,无卤阻燃剂受到广泛的关注。无卤阻燃剂中,由于氢氧化镁在热行为和应用功能方面优于氢氧化铝,在经济方面价格适中易为用户所接受。因此是无卤阻燃剂中颇具发展前景的一个品种。我国一些厂家都在密切关注这一产品的开发与应用,并且国内有丰富的原料资源(海水、盐湖卤水、镁质矿物如菱镁矿、白云石、水镁石和蛇纹石等),又有广阔的应用市场,国际市场上也有需求。国内无机盐界、盐化界、矿业界应抓住时机,为促进我国氢氧化镁以批量、规模化生产化工产品做出贡献。1.7本论文的主要工作1.本论文以氯化镁和氨水为原料,进行各种工艺条件的试验,在此基础上通过加入各种分散剂获得过滤、洗涤性能良好的氢氧化镁沉淀并且哈尔滨‘r程大学硕十学位论文加一定的CaCI。作为添加剂大大提高了产品的收率。根据试验得到最佳的工艺条件,制备出纯度高、成本低的纳米氢氧化镁。2.氢氧化镁煅烧制备氧化镁。3.氢氧化镁用油酸钠等表面活性剂进行表面处理。4.把氢氧化镁添加到聚氯乙烯并进行阻燃性能、力学性能实验。哈尔滨I:程大学硕十学位论文第2章纳米氢氧化镁的制备粒径为40nm~lm的氢氧化镁主要用作高分子材料的阻燃剂,其主要优点是分解温度较高,故当一些热塑材料需要较高温度加工时(200。C),用氢氧化镁作阻燃剂可避免加工时,因阻燃剂分解而引起塑料的质变,从而降低火灾的危害:氢氧化镁与其它制剂混用,除了可改善高分子材料的耐热性外,还可改善它们的其它性能。如机械强度、软化温度、制品表面亮度、绝缘性能、抗静电性能等;氢氧化镁还具有良好的隔热性,如含氢氧化镁1~10%的透明塑料薄膜油料有好的隔热作用,用作温室材料效果明显;纳米氢氧化镁还可以用作变压器钢材的绝缘保护层:纳米氢氧化镁主要用于橡胶、塑料制品的填充材料及增强剂,在医学上作抑酸剂,化学工业作催化剂及制造其它镁的化合物、陶瓷、玻璃等原料,作石棉防火填充物,绝缘保温材料等。综上所述,纳米氢氧化镁是一种具有耐热性、隔热性、绝热性、增强性的无机材料。随着该产品不断开拓,它将会有更加广泛的应用前景,所以丌展纳米氢氧化镁的研究意义非常重大。合成高分散纳米Mg(OH)。物质的主要原料氯化镁(MgCL。.6H。0)可溶于水和乙醇,在碱性条件下可形成碱式氯化镁和Mg(0H)。沉淀,氨水是较理想的沉淀剂,不影响产物纯度而且过量氨和氯化胺可回收,对在水溶液中用氨水作沉淀剂制备Mg(0H)。进行系统研究后,发现Mg(OH)。沉淀在水溶液中易胶结团聚,洗涤过滤困难,而且收率较低。为克服这些问题,本文对水一乙醇溶荆体系下合成№(OH):作了系统研究。探索出了制备纳米Mg(0H)。的实验条件,在适当条件下可制得粒度为20~lOOnm的超细№(oH)。的粉体;用不同的分散剂,可制备0.1~1啪针状的氢氧化镁、50~lOOnm片状的氢氧化镁,产率40%左右,添加适量氯化钙添加剂可提高氢氧化镁产物的产率为80%左右。2.1材料与设备2.11化学试剂MgCl。・6H。0分析纯(天津市化学试剂一厂):聚乙二醇(PEG),化学纯,分子量6000(上海化学试剂采购供应站)o表2.1试剂、纯度及生产厂家哈尔滨工程大学硕士学位论文试剂MgCh・5H20纯度生产厂家分析纯分析纯北京红星化工厂天津市取船化学试剂厂乙酸乙酯N,N一二甲基甲酰胺环乙烷十温一80Na2CO:}K2C03分析纯分析纯分析纯分析纯天津市科密欧化学试剂开北京化工厂上海申隆药业有限公司哈尔滨新春化工厂哈尔滨新春化_T厂哈尔滨市新达化工厂哈尔滨市新达化工厂分析纯分析纯分析纯氨水盐酸硝酸聚乙二醇乙醇分析纯分析纯哈尔滨市新达化工厂东陵精细化学公司(进口哈尔滨新春化工厂分析纯2.1.2仪器与设备本实验所用实验设备及生产厂家列于表2.2中。表2.2实验设备及生产厂家设备名称生产厂家上海标本模型厂河北省黄骅航天仪器厂上海天平仪器厂电动搅拌机6511型TDA一8002恒温水浴锅FA2004电子分析天平SHZ-D(III)循环水式真空泵DZ-88型电热恒温真空干燥箱RIM-2.8-IOA马福式加热用电阻炉Kanthalsuperrapidhightemperaturefurnace巩义市英峪予华仪器厂上海跃进医疗器械厂哈尔滨第二锅炉厂BulletinKanthalABY500刹x~射线衍射仪CRY一32P捌差热分析仪丹东上海精密仪器有限公司.21-哈尔滨工程大学硕士学位论文——_—!-!!_鼍-!,只—,’’-II2.2氢氧化镁的制备2.2.1实验条件一一I_-—・——-_・_———・_—I—・-——_—--—一。表2.3制备氢氧化镁No1234567MgCl2|(m1)200200200200200200200200200MgCI2(mol/1)O.2270.227O、2270.3500.3500.3500.5000.5010.500聚乙:醇(g)O.k320.2030.2900.1320。2030.29001320.2030.290氨水(m1)9,2909.2909.2914.28014.28014.2802040020.40020.400温度(℃)304045—40453045408930按队上表2.3试验来探讨制备氢氧化镁的条件;搅拌速度、搅拌时间、反应温度、氯化镁的浓度、氨水浓度、氨水过量多少、高分子分散剂的种类及陈化时间,按表2.3表做实验,反应条件:氯化镁和氨水分别装在250m1分液漏斗,高分子分散剂装在有水1000ml三口瓶中(反应器),同时向反应器滴淀,滴淀速度:先慢,大约三秒一滴,后快,大约一秒一滴.反应结束后陈化一小时,再抽滤。2.2.2分散剂聚乙二醇最佳用量表24制备氢氧化镁NolMgCl。(m1)200200200NH,心0(m1)14.2814.2814.28聚乙二醇(g)0.0406O.0812O.1218温度(℃)40404923温度40。C、氯化镁(0.35moi/1)、氨水(25~27%)过量20%进行探讨分散剂聚乙二醇最佳用量。哈尔滨丁程大学硕十学位论文以lOOppm的聚丙烯酰氨与聚7,--醇混合作为分散剂,MgCl。的浓度为0.5mol/L,氨水的浓度为26%制备氢氧化镁。表2.5制备氢氧化镁NolMgCl2(m1)200200200200200200200200聚丙烯酰氨(m1)100100100100100聚乙二醇(g)O.132氨水(m1)9.299.29温度(℃)3040452345670.2030.2900.1320.2030.2909.2914.28404514.2814.2820.4020.4020.4010010010010030453030O.1320.2030,290892002.2.4制备纳米氢氧化镁的改性实验表面活性剂的选择直接影响产物的特性:聚乙二醇(PEG)的长链结构在形成胶束的过成中容易缠结、团聚,但同时具有与无机物相互作用形成不同模板的的特性,PEG的用量、溶剂配比以及温度等外界条件的变化直接影响到模板形成及形态,表面用span一80(失水山梨醇单油脂)改性样品,加入一定量的醋酸丁酯提高溶液的极性,使聚乙二醇分子链得到一定的伸展,促进PEG微乳液的行成。其实验为以下三种方式进行,其中MgCl。的浓度为0.35mol/L,氨水的浓度为26%制备氢氧化镁。表2.6制备氢氧化镁NolMgCl2(m1)200200NH3}k0(m1)14.28聚乙二醇(g)0.04060.08120.1218醋酸丁酯(m1)3温度(℃)40402314,2814.283320040哈尔滨T程大学硕士学位论文2.3样品的表征2.31X射线衍射分析使用丹东产Y500型x一射线衍射仪进行晶形结构分析,衍射条件为:Cu靶,K0c辐射(九=0.15418nm),管压30kV,管流20mA,扫描速度0.03。/s和0.1。/s,步进角度0.03。和0.1。,扫描范围15—75。。23.2差热分析采用上海精密仪器有限公司生产的CRY一32P型差热分析仪进行差热分析。升温速度为20℃/min,空气气氛。2.3.3电镜分析采用HITACHIH-800型透射电子显微镜进行样品的表面形貌、团聚情况及粒径分析。六硼化镧灯丝,加速电压200kV,球羞系数1.Omm。2.4结果与讨论2.41温度对沉淀氢氧化镁的影响.1.温度对氢氧化镁沉降的影响表2.7温度对氢氧化镁沉降影响的实验时间(min)温度(℃)5.506.OO6.507.007.508.OO8.509.OO300.130.290.49O.66O.79O.87O.91O.9140O.20O.35O.43O.490.54O.57O.59O.60450.190,37O.520.65O.75O.820.890.91哈尔滨上程大学硕十学位论文1008恒蚶06恻琏04嚣02OO50556065707580859095时间分图2.130’C时沉降曲线06躲05Ⅱ唧蚓04逝蟋o3O2505.56065707580859095时间分图2.240℃时沉降曲线-25.哈尔滨j[‘程人学硕士学位论文,0O9O8O70BO5O4O3堰删删遨蜉O2O,505fi6D6fi70758085909fi时间分图2.345℃沉降曲线在温度分别为30℃、40"C、45℃时,将氨水加入氯化镁中,氢氧化镁沉降重量随时间变化如表2.7所示。由表2.7可以看出,当温度为40"C时,前8分钟氢氧化镁已沉降了大部分,因而40。C时氢氧化镁的沉降速度最快。根据表2.7做重力沉降曲线如图2.1到图2-3所示。2.温度对氢氧化镁沉淀沉降影晌的分析由图2.1到图2.3氢氧化镁的沉降曲线可以看出,氢氧化镁的沉降呈对数曲线形状,这表明生成的氢氧化镁粒度分布不一。为了做出氢氧化镁粒度大小的分布曲线,需要求得粒度分布函数f(r),f(r)用来表明半径r至lJr+dr之间的粒子重量占粒子总重量w的分数。我们可按下式来计算f(r):f(r)=1/*・dG/drr=(rl+r。)/2(2—1)(2-2)以f(r)对半径作图,便可得到相对于图2.1到图2.3的粒度分布曲线图。由图2.4到图2.6我们可以看出,温度为40℃时氢氧化镁粒子半径最大,沉淀效果最好;45。C时的粒子半径最小,沉降效果最不好。同时根据沉降分析法,有公式如下:r=3/2“2-[qv(p—p。)g]“2式中:(2-3)r一粒子半径(cm)哈尔滨工程人学硕士学位论文q~介质粘度(泊)p~粒子密度(g/cm3)p。——r一介质密度(g/cm3)g一重力加速度(em/s2)V一粒子下沉速度(cm/S)由式(2—3)可知,当介质粘度、密度及粒子的密度已知时,测得粒子的沉降速度以后,就可计算出相应的粒子半径。由于实验中生成的粒子半径大小不同,所以根据公式计算出的粒子半径是平均粒子半径。由实验中测得氯化铵的密度和氢氧化镁的密度变化很小、可以认为是不变的。实验测得氯化铵的密度为2.36/cm。、氢氧化镁的密度为1.039/cm3,在测得氢氧化镁的平均沉降速度后,我们就可以利用公式:r=k・(nV)”2式中:(2-4)r一平均半径q一介质粘度(泊)V一粒子下沉速度(cm/s)按(2—4)进行计算,其中k为常数,求出氢氧化镁的平均半径r。k=3/2“2・[1/(P—P。)g]“2(2-5)当温度为30℃时,V为O.0063cm/s,n为9.55x10一Pas,计算得粒子的平均半径为50。6nm;当温度为40℃时,V为0.0083cm/s,n为8.37xi0一Pas,计算得粒子的平均半径为54.9rim;当温度为50℃时,V为0.0078cm/s,n为1.OlxlO~Pas,计算得粒子的平均半径为54.4nm.对比可得温度为40。C时氢氧化镁的粒度最大,沉淀速度最快。表2.830℃时的粒度分布r(nm)Lr(%)0.000.OO600.1120.0030.000.0480.000.0740,000.0690.000.06550.00O.12100.000.0356.000.240.0270.00O.09r(nm)Lr(%)120000.028哈尔滨上程大学硕十学位论文rnm图2.430℃时的粒度分布曲线表2.940。C时的粒度分布曲线r([1rfl)0.00200040.0060.0080.00Lr(%)0.00O.050.050.120.06r(nm)100,00120.00140.00160.OO180.00Lr(%)0.04O.030.040.040.01表2.1045℃时的粒度分布r(nm)O.OO20.0030.0040.0050.00Lr(%)0.OO0.030.060.050.04r(nm)600080.00100.OO120.00140,00Lr(%)0.050.040.020.Ol0005-28哈尔滨工程大学硕十学位论文・200204060r80100120140160180nm图2.540‘C时的粒度分布曲线O200.15Jh0100.05000图2,645。C时的粒度分布曲线24.2溶剂对沉淀反应和产物的影响实验中发现,沉淀反应因溶剂不同有较大差别,在水溶液体系中伴随着氨水的加入,体系pH值逐渐提高,溶液中出现半透明的胶状沉淀,最后形成稳定的胶状沉淀,凝胶悬浮时间长,沉降速度慢。当溶剂中含有乙醇的体系哈尔溪上程大学硕士学位论文乙醇在Mg(0H):吸附乙醇分子后,降低了表面能,胶结得到的抑制,形成的沉淀为独立的小团聚体””“1。故而沉降快,过滤容易。从不同溶剂下得到沉淀物的IR光谱可以证实这一点,在含乙醇溶剂体系下得到的沉淀物的IR谱线中出现明显的甲基、亚钾基峰(见图2.7),证明粉体表面吸附了乙醇。除此之外,其他峰都能与基准Mg(0H)。粉体吸收峰相对应。证明溶剂只对粉体的表面有影响,对产物物相没有影响,XRD分析结果也证实了这一点,见图2,8,从XRD谱线中看出、产物为Mg(0H)。粉体,但由于:一次粒子尺寸较小,使得衍射峰变宽…““。W埘ENUⅣ噔ERJcrn-1图2.7不同溶剂下得到沉淀物的IR谱线2.4.3溶剂对粉体状态、粒径及形貌的影响经研究发现溶剂对粉末的分散状态有一定影响。水溶液中获得的粉体有明显的团聚,而当乙醇与水比例为1:2和1:1时,得到的粉体分散性较好,其中乙醇与水比例为2:l时得到的粉体的分散性最差,并有一定程度的硬团聚。由TEM照片可以看出这一点,见图2.8。从TEM照片中还可以看出溶剂除对粒径影响外,对晶体形貌也有较大的影响。水溶液下得到的粉末以细小的针状晶体的软团聚体为主,团聚粒径较大。当乙醇与水比例为l:2和1:1时,得到粉体中间时含有粒状、针状晶体,前者以针状为主、后者以粒状为主,二者分散性较好,平均粒径200hm;乙醇与水比例2:1时得到的粉体的晶粒粗大,分散性差,粒径约0.5~1um,由此看出,乙醇吸附在晶粒表面抑制了晶体沿单一方向生长的优势,是晶体呈粒状。哈尔滨】.程大学硕士学位论文-itItII■●■●■_l_‘___一卜纯水、2乙醇与水比例l:2、3一乙醇与比例1:1、4乙醇L-j比例2:1图2.8不同溶剂下的到的Mg(OH)r粉体的TEM_f!}{片2.4.4高分子表面保护的作用对Mg(0H)。粒径及外貌的影响高分子聚乙二醇的长链结构在形成胶束的过程中容易缠结、团聚,但同表2,11复合分散剂研究NoA1A2A3A4MgCl:(m1)200200200200氨水(m1)20.420.420.420.4聚乙=醇(g)0.132301323醋酸丁酯(m1)聚丙烯酰胺温度【℃)40lOOppm22lOOppm4040400.13200.1320时又具有与无机物相互作用形成不同模板的特性。“,高分子的用量、溶剂配比、温度以及与其他少量有机物如:醋酸丁酯、聚丙烯酰胺等一定配比混合作为分散剂等外界条件的变化直接影响模板的形成及形态,最终导致产物形貌的不同,粒径大小相差甚大。按表2.11进行实验,其中MgCI。的浓度为0.35mo]/1,氨水的质量分数为26%,如图2.9、2.10可得出:分散剂不同,Mg(oH)。的形貌不同,表2.11的A2.A3.A4的产物是片状,其粒径20nm~lOOnm【‘i100%。A1的产物是针状,其粒径0.5~1№占70%。哈尔滨’F程人学硕士学位论文图2.10不同分散剂F得到的Mg(oH):粉体的TEM照片I鞋皿盛图2.11样品的XRB图谱图2.11不同分散剂F得到的Mg(0H)。粉体的XRD图谱2.4.5CaCI。作为添加物对产率的影响表2.12在有添加物存在时№(oH):温度对产率的影响No氯化镁溶液mol/ml氯化镁、氯化钙混合液MgCl2(mol/1)0.25O.250.250.25加最(m1)250250250250CaCl:(mol/1)0.24O.24O.240.24加量(m1)250250250250B1B2B3B4O.50.50.50.5NoMgCl。与CaClz的质量比反应温度(℃)30应反时间(min)Mg(oH)。的产率51.00Bl360B23406068.20.32.哈尔滨工程大学硕士学位论文B33506074.43B4360607453本实验制备氢氧化镁产率只有40%左右,因此在保证Mg(OH)。的产率是本课题要重点解决的关键技术问题。为了获得较高的产率,在有添加物存在时,曾研究各种因素对氢氧化镁产率的影响,以确定制各分散氢氧化镁的最佳工艺参数。表2.13在有添加存在时,氨水加量对Mg(oH)。的产率的影响MgCle溶液MgCl2・CaClz混合溶液MgCl2(N砘・Hz0编号MgCl2(mol加量(m1)250250CaClI(mol/1)O.24O,24加量(m1)25(3250/1)B3mol/1)0.25加量(rot)2222质量百分数(%)22.522.50.50.5B40.25MgCl。与编号B3B4CaCl。的质比量33反应温度(℃)5050应反时间(分)6060Mg(oH)。的产率74.4381.232.4.6氢氧化镁的结晶学性质用NorthDakata州立大学Fargo的最小二乘晶胞参数精化计算法对三种Mg(0H):的晶胞参数进行计算可知,不同来源的Mg(0H)z其晶胞参数亦不同(表2.15),这是由于生成条件不同,或含有不同种类,不同浓度的杂质缺陷引起的…“1。1.讨论氢化镁的结晶学性质表2.14不同来源Mg(0H)z的化学组成Mg(OH)zMgO酸不溶物(%)0.01Ca(%)Fe(%)重金属以(Pb计%)<O.005Mg(OH)z制备(%)98.2(%)O.06氧化镁一氨法向石灰一氯化镁法0.005O.0l96.851.132,20O,020.0l<O,004哈尔滨工程大学硕士学位沦文2.15三种Mg(oH)。的晶胞参数对比晶胞参数氯化镁一氨法C(A‘)C(A‘)3.1454,787Mg(()H)z制各白云石灰氧化镁法3.1494.775天然水镁石3.1524760表2.16S#数据显示出各种Mg(OH)。的主要衍射面的半峰宽不同,其顺序为:Mg(OH)。“>gg(OH)。自id{击>Mg(OH)。m《i镕。这说明三种不同来源Mg(OH)。的结晶性不同,氯化镁一氨法的结晶性最差,天然水镁石结晶性最好。表2.16三种Mg(0H)。的001}1110峰的半峰宽(20)Mg(OH)2的制备001氯化镁一氨法0+410.45白云石灰氧化镁法0.24天然水镁石0.22O.371lOO.38表2.16所给出的衍射峰宽度,实际是晶体大小和晶体内部张力两种因素共同作用的结果。因此,仅从半峰宽说明结晶性的差异似乎还不够确切。我们利用半峰宽等实验数据计算晶粒大小,可进一步说明三种搬(0H)。结晶性的差异。为了保证测定和数据处理的准确性,我们分别进行了衍射图谱的背景消除和x衍射光源的分离纯化处理,所用波长为x=1.5418Ao。假定天然水镁石1;发生宽化,则其余两种MgoH):的纯峰宽可由Scherrer公式计算:p=B~b式中:(2—1)B一表观半峰宽b一标准样品(此处为天然水镁石)的半峰宽Scherrer方程:t=K凡/0.COS0(2-2)式中:K一常数^一波长。一布拉格角.34.哈尔滨工程大学硕士学位论文B一表观半峰宽即根据(2—2)公式可计算出各衍射面所对应的平均晶体大小。计算结果如表2.17所示。表2.17不同来源Mg(oH)2的晶粒大小晶粒大小(nil])样品001蝰110l喹0.4196Mg(0H)z(氨法)Mg(OH)。(白云石灰法)0.04420.2797l’5182表2.17中数据表明,白云石灰法所得Mg(OH)。的晶粒大于氨法所得Mg(OH)z,故其结晶性较好。联系前面半峰宽数据,可得出结论:上述三种№(0H)。的结晶性顺序为:Mg(OH)。i#<Mg(OH)zRii#<Mg(OH)2水《i%2.Mg(0H):的粒径和活性表2.18中数据和图2.12表明,三种Mg(0H)。的平均粒径和粒度分布不同,白云石灰法Mg(OH),的粒度分布曲线斜率较大,即小颗粒所占比例较大,因而平均粒径最小。这些数据还说明,结晶性和表现粒度的大小不是相同的概念。尽管白云石灰法Mg(OH)。的晶粒较大,结晶较为完整,但其颗粒却小于氨法Mg(0H):,这是由于我们所测得的粒度,往往是二:次颗粒,即由微小晶体聚集而成的颗粒的大小。表2.18不同来源Mg(oH)。平均粒径样品Mg(0H)。(氨法)45Mg(OH)。(白云石灰法)85天然水镁石120天然水镁石105平均粒径nm表2.19各种Mg(OH)zCAA值(s)Mg(OH)z的CAA值Mg(oil):(白云石灰法)126Mg(oH)。(氨法)42Mg(OH)z天然矿478从表2,18中数据可以看出,在平均粒径相近的情况下,三种来源Mg(0H),的活性kECAA值差别很大,其活性顺序为:Mg(OH)。§#>Mg(OH)。自i6*>Mg(OH)。。。。此序恰与结晶性顺序相反,即结晶性越好,反应活性越低。对于同一来源Mg(OH):,粒度越小,活性越高(表2.18、2.19),但粒径对活性的影响较小。因而可以断言,在一定范围内,影响Mg(0H)。活性的主要因素是结晶性,哈尔滨T:程人学硕士学位论文结晶性越差,反应活性越高。表2,20不同来源Mg(oH)z的粒度分布X(nm)Y;(%)Y。(%)Y。(%)0.00O5.61817.833435024.645857035.278B20309078CD0鼎丧妞豳9喀1020∞4050607080粒径nm圈2,12不同_jl∈源Mg(0H)z的粒度分布圈B:Mg(0H)。(氯法)C:Mg(OH)z(天然水镁石)D:Mg(OH)“(白云石灰法)2.5结论上述实验可见:(1)溶剂对№(0H)。的合成有很大的影响,适量的乙醇可以抑制沉淀胶合晶体的单项生长、同时对克服粉体的团聚也有显著作用。乙醇含量对hig”的沉淀率有一定的影响,在乙醇和水比例1:1时M92+的沉淀率较高。从各方面指标综合看,合成纳米Mg(oH):的较理想溶剂为乙醇和水比例为1:2~l:2的混合溶剂,在水一乙醇体系下可合成出粒度100~200nm的Mg(OH)z粉体。(2)分散剂用量、溶剂不同、溶剂配比、温度以及与其他少量有机物如:哈尔滨T程大学硕十学位论文醋酸丁酯、聚丙烯酰胺等一定配比混合作为分散剂等外界条件的变化直接影响到产物形貌,粒径大小。(3)用氨水作为沉淀剂从氯化镁溶液中沉淀Mg(OH):沉淀,但Mg(0H)。产率只有40%左右。在有添加剂氯化钙存在时,用氨水从氯化镁溶液中沉淀Mg(0H):产率可达80%左右。(4)当氨水加入氯化镁中时,30。C时氢氧化镁的产率最低;40。C时氢氧化镁的粒度最大,沉降速度最快;45。C时氢氧化镁的产率最高,且沉降速度较快;综合考虑氢氧化镁的产率和沉降速度,实验表明40。C~45。C时,氢氧化镁的沉降效果最好。哈尔滨工程大学硕士学位论文第3章纳米氧化镁的制备纳米MgO是一种粒径介于1~100nm的新型功能精细无机材料.由于其颗粒细微化而具有不同于本体材料的热、光、电、力学和化学等特殊功能。采用纳米M90,不使用烧结助剂便可实现低温烧结,制成高致密的细晶陶瓷,可望开发为高温、高腐蚀气体等苛刻条件下的尖端材料,它还可作为氧化镐、氧化铝、氧化铁等其他纳米粒子的烧结助剂和稳定剂而获得高质量的纳米陶瓷;纳米MgO也可作为油漆、纸张及化妆品的填料,塑料和橡胶的填充剂和补强剂以及各种电子材料的辅助材料““。以本论文第3章制备的氢氧化镁为前驱物为制备氧化镁,并讨论烧结温度对氧化镁的影响。3.1氧化镁的制备把前驱物氢氧化镁在不同温度和不同时间煅烧,温度在350℃~600℃和时间3小时、4小时、6小时、7小时、8小时。表3.1氨氧化镁在350。C~600℃的不同温度下,煅烧4小时。表3.1氢氧化镁的煅烧No123456温度(℃)350400450500550600表3.2氢氧化镁在3小时~8小时不同时间,450。C下煅烧。表3.2氢氧化镁煅烧No78g1011时间(小时)346783.2结果与讨论32.1从理论上讨论对晶粒影响因素沉淀法合成纳米MgO,沉淀反应的控制至关重要,在沉淀反应过程中,当溶液中Mg”和[OH]的离子浓度积大于一+定值时,M92+和[0H]一开始结合,首先生成晶核,然后是晶核成长,形成沉淀微粒沉淀微粒在继续成长过程中,构晶离子按一定晶格定向排列,则形成晶形沉淀;若沉淀颗粒疏松地聚集为更大的聚集体,则形成无定形沉淀。哈尔滨工程人学硕士学位论文反应温度对晶粒的生成和长大都有影响。当温度很低时,离子具有能量较低,即使过饱和度很大,晶粒的生成速度也很小,随温度升高,晶粒生成速度可达到极大值,继续提高温度,一方面过饱和度下降,同时也不利于形成稳定的晶粒,晶粒生成速度反而下降,研究还表明:晶核生成的最大速度所在温度区间比晶核长大最大速度所处的温度区间低,另。方面,沉淀反应速率取决于沉淀剂,沉淀剂必须有一适宜的反应温度,既能控制产物的粒度,又可维持较高的产物收率。理论上讲,反应时间愈短,晶粒粒径愈小,粒径分布愈窄,因此要确定一定的反应时间。实际反应中,选择适当反应时间,既要获得相对小的粒度及分布,也要保持较高的产物收率。在稀的反应物浓度下,体系过饱和度较小,不利于晶核的生成,也不利于晶核的生长,而高的反应物浓度下,既有利于晶核的生成,亦有利于晶核的生长,但随反应物浓度的增大,晶核生成速度要比晶核生长速度增加快得多,所以在较高浓度下析晶产物粒径小,另一方面,反应物浓度增加,产物的收率增加。但不呈单调上升,存在一个最佳的反应物浓度“…。3.2.2氧化镁的表征图3.1给出了沉淀法法制备的纳米氧化镁的x射线衍射分析图谱,由图3.1可见,其d值与粉末衍射标准联合委员会卡4—829脚完全一致,证明它为立方晶系结构,并且纯度很高。图3.1谱图XRD哈尔滨工程大学硕士学位论文3.23氢氧化镁热分解行为与机理研究1.氢氧化镁热分解机理氢氧化镁的结晶性是影响其分解温度的主要因素,从不同气氛中各种氢氧化镁的DTA曲线可以看出,水镁石在静态空气中与真空状态下的DTA曲线无明显区别,故天然Mg(0H):的热解应是由其晶体内部离子的扩散控速的,而不足非产物H。0扩散控速。由于水镁石结晶很完整,晶体内各质点排布规则,故而很稳定,分解温度较高,分解速度较慢,分解反应是由晶体内Mg”、0旷和0’扩散控速的”…。而由MgCl。~NH.;法合成的Mg(OH)。DTA曲线受气氛影响较大,由于水是唯一气相产物,故其分解反应只能是由产物水扩散控速的,这是因为合成氢氧化镁的结晶性较差,XRD谱峰宽化严重,晶体不完整,各质点不够规则,晶粒细小,因而不稳定,分解温度较低,分解速度快。不可能是由扩散慢的内部离子控速,因此,氢氧化镁的来源不同,其热分解机理是不相同的。当氢氧化镁的结晶完好时,其分解反应是由晶体内部Mg”、OH2。、02。扩散控速的,而随晶体稳定性的提高,转而由表面水的扩散控速。2.生成条l牛对Ng(OH)。热分解行为的影响从热分解曲线还可以看出,部分氢氧化镁的DTA曲线出现双峰,MgCl。一NH。法制备Mg(OH)。,其吸热峰是由两个相距很近的峰叠加在一起的,证明其分解反应非简单的一步反应,而是分步进行,这只能解释为是氮氧化镁的结晶性有差异所致。MgCl。溶液通氨法所得氢氧化镁有较大的晶体学差异,起始反应时,Mg”浓度大,加入氨水或通氨后即生成大量晶核,此时晶核生成速度远大于晶核生长速率,故产物结晶性较差,所得产品为多晶聚集体,随着反应进行,Mg“浓度逐渐减少,晶核生长速度大于晶核生成速度,此时,有些晶粒长大,尤其是新生晶粒晶形完整,活性较低。为此,我们研究了沉淀条件对其热分解行为及其产物的影响:不同浓度Mg”所得氢氧化镁的DTA皓线,从不问镁盐浓度和不同pH值条件下得到的氢氧化镁DTA曲线可以看出,镁盐的浓度,尤其是沉淀时的pH值也会影响氢氧化镁的热分解行为,高的M92+浓度或高的pH值,都会使氢氧化镁的DTA曲线分裂为双峰。这说明过高的llg”浓度,过高或过低的pH值,都不是氢氧化镁晶体的良好生长环境,不易得到结晶性均…的产品,故制各氨氧化镁应选择适宜的镁盐、盐浓度和pH环境。哈尔滨T程人学硕l:学位论文3.前驱物的热失重一一一从氢氧化镁的TG/DTA曲线可以看出:有三个失重台阶,在100。C~180。C之间,主要是残留水分的挥发,脱附所致。在210。C~330。C之间为聚合物聚乙二二醇燃烧分解,对应于DTA曲线上都有宽的放热峰出现。在350℃~400。C温度范围,失重为26.3%,氢氧化镁的理论失重为27.3%,两者几乎相同,因此这一范围的失重主要是氢氧化镁的分解:同时在DTA曲线有一个很强的吸热峰是由于氢氧化镁分解造成的,温度超过450℃后,几乎没有进一步的热失重。3.3对氧化镁的粒径大小的影响反应温度、反应时间、反应物配比、反应物浓度对纳米氧化镁粒径的影响。表3.2反应温度对纳米粒径的影响温度(℃)20253035404550粒径(nm)32303335403128403836t√34醴型3230图3.2反应温度对纳米粒径的影响表3.3反应时间对纳米粒径的影响时间(h)3,03.54.04.550粒径(rim)2831252728”j主刭八/蓬:,j\./时HIh)图3,3反应时间对粒径的影响表3.4反应物浓度对粒径的影响0.20310.25300.30290.353204028反廊物浓度(mol/L)粒径(rim)《32-j图3.4反应物浓度对粒径的影响3.4本章结论采用沉淀法合成纳米M90可得到粒度分布均匀、平均粒径28nm、分散性良好的球形斟gO,合成纳米lIlgO的最佳工艺条件为:前驱物氢氧化镁反应温度25。C~35。C,反应时f<4~Sh,反应物酣P,MgCl。:NH。H。0为1:4.5,氯化镁摩尔浓度为0.40mol/L。IIf__l_l__●__I___●__I___-_I-_---__-_-l哈尔滨工程大学硕士学位论文__第4章纳米氢氯化镁改性聚氯乙烯的研究当氢氧化镁阻燃剂添加到聚合物材料中时,由于相容性和加工流动性较差,影响聚合物材料的加工性能和机械性能,这主要由于以下几个方面造成的:(1)氯氧化镁是一种极性很强的无机化合物,其晶体在(ioi)方向有微观内应变,晶体表面带有正电荷,具有亲水性,晶粒趋向于二次凝聚。这样即使在氢氧化镁被干燥后,晶体内也存在着不可忽视的水分;同时,氢氧化镁与聚合材料的界面产生空隙,导致分散性很差。(2)氢氧化镁与聚合材料的热膨胀系数不同,在加工成型时,其热胀冷缩导致两相界面处易形成微细裂纹。(3)氢氧化镁阻燃剂与聚合材料在成型加工后制得的产品,长时间放置在潮湿的空气中,会发生如下反应:Mg(0H)=十№0十CO广xMgC03・yMg(OH)。・2H。0使制品表面“起霜”,发生白斑或者失去光泽。为克服这~缺点,通常可以采用超细化,表面处理,改善晶体结构等。表面处理方法:干法和湿法,偶联剂大多数耐水性差,只能在惰性有机溶剂稀释使用,所以一般采用干法。将偶联剂用适量的惰性溶剂稀释后,喷淋于氢氧化镁粉末上,在室温低速搅拌20~30分钟,或者室温搅拌2~3d'时,以保证偶联效果。阴离子表面活性剂在水中稳定性很好,一般采用湿法,将氢氧化镁与一定量的阴离子表面活性剂和一定的去离子水,温度控制在50℃~60。C,充分搅拌,反应2~3d,时后,过滤,洗涤,最后在1IO"C左右干燥,制得阻燃剂纳米氢氧化镁。4.1氢氧化镁阻燃剂的制备4.1.1仪器与设备表4.1仪器与设备设备生产厂家JS948B型微电泳仪[IN一881K台式多用恒温振荡器上海杰成实验有限公司江苏太仓光明实验分析仪器厂上海分析仪器厂751G分光光度计PCOI粉末接触角测定仪武汉化工学院哈尔滨工程大学硕士学位论文ASAD2010C表面测定仪NDJ一79型旋转粘度计氧指数仪Hc900—2万能材料机DCS一5000简支梁冲击试验机xcJ矗500美国Co.micromcrtics同济大学机电厂江苏日本岛津制作所承德试验机厂法国七用机组除此以上设备外,其他设备与第3章制备氢氧化镁相同。4.1.2化学试剂表4.2试剂、纯度及生产厂。家试剂纯度医药级生产厂家哈尔滨市新达化工厂天津市科密欧化学式剂开发中哈尔滨市新达化工厂北京化工厂温卅I市化学用料厂长春化学试剂厂液体石蜡(稠环芳烃)、500MN.N-二甲基酰胺(c。H,NO)500m1分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯工业产品盐酸、350mi环己烷CeH,2油酸钠丙醇正戊醇中国上海试剂~厂天津天泰精细化学品有公司北京燕化石油化工股份有限公正庚烷低密度聚乙烯树脂除以上以试剂外,其它试剂与第3章的设备相同。4.2氢氧化镁表面改性实验加水250mi于500ml烧杯中,然后加粒径为20nm~lOOnm的氢氧化镁250克、3%油酸钠(按氢氧化镁的重量)、石蜡5ml,在80。C条件,高速搅拌2d,时,抽滤、于70℃烘干。4.2.1氢氧化镁表面改性后性能的测定1.吸附量的测定于带塞磨口锥形瓶中称取/tl(g)氢氧化镁(20nm~lOOnm),加入初始浓度为C。的吸附质SDBS溶液V(m1),在恒温振荡器中振荡2.od,时至吸附平衡,样品经离心分离后,分析溶液的平衡浓度ce,吸附量按公式:哈尔滨:r程大学硕士学位论文P=(C。—-ce)V/m(4—1)式中:C。~初始浓度Ce~平衡浓度V~吸附质溶液体积按(4一1)计算,和c。按紫外光度分析法求得,测定SDBS的波长为261Elm.2.Zeta电位的测定用Js94B型微电泳仪直接测量得到。3.接触角的测定用PC01粉末接触角测定仪测量,计算时,以氢氧化镁原样的接触角为零度作为基准”…。4.在分散介质中粘度的测定配制不同比例的“氢氧化镁一液体石蜡”分散液,并经充分搅拌消泡,用NDJ一79型旋转粘度计于(25±0.5)℃条件下测定。5.比表面的测定比表面采用BET多点法用ASAP2010C表面测定仪测定。4.3纳米Mg(0H):阻燃剂改性聚氯乙烯4.3.1实验(1)氢氧镁+乙醇+石蜡,在温度40℃条件,高速搅拌,晾干备用。(2)单辊挤出一线丝状一造粒一压制成片一制样机制样片一力学性能测试、阻燃性能的测试。测试结果如下表:表4.3Nol2Mg(OH)z改性聚氯乙烯石蜡(m1)4689i21416Mg(OH)2(g)26聚乙烯(g)2002002002002002002002003458lO1620304067820-45-哈尔滨工程大学硕士学位论文实验条件:温度为45℃、高速搅拌。4.3.2聚氯乙烯性能测试1.力学性能试验用特定模具将1唧厚试样制成哑铃型的标准样条,然后按2951.6—82在DCS--5000型万能材料试验机(日本岛津公司)上测定试样的拉伸强度和断裂伸长率,拉伸速度为25mm/min,燃烧性能测试。2.氧指数实验氧指数是指将试样处于流动的氮气和氧气的混合气氛中,测定刚好能维持有火焰燃烧时的最小氧浓度,以体积百分数表示。实验时所用试样的尺寸为lOOmmX6.5mmx3mm,氧指数实验是在Hc一2型氧指数测定。4.4结果与讨论4.4.1氢氧化镁的吸附性质1,阴离子表面活性剂在氢氯化镁表面的吸附等温线由图4.1可见,油酸钠在氢氧化镁表面的吸附等温线Ls型,吸附可分为四个阶段,在第一阶段a,浓度较小,未缔合的表面活性剂阴离子主要通过离子交换吸附,吸附质与吸附剂之间作用较强;在第二阶段b,吸附量增加缓慢,这可能是由于表面电荷减少和由原来平躺在表面转为垂直状;在第三阶段c,已吸附在固体表面上的表面活性剂离子的烃链与溶液中表面活性剂的烃链相互吸引,形成半胶束结构,使吸附量急剧上升;在第四阶段d,由于原来带电的固体表面电荷被吸附的阴离子中和,甚至表面电荷变号,要进一步吸附,就必须克服表面与吸附离子相同电荷的排斥力,所以吸附量变化不大。表4.4油酸钠在氢氧化镁上吸附(t=25℃.pH=9.8)Ce/mm01.L10.100.150.250.500.620.731.OO2.00r/}Ijn01.g_。2.504.807.5010.0012.5015.0020.OO2l-OO哈尔滨丁程人学硕士学位论文12。1∞,s/7一~\./.1J.//.,,/{i,。J、J毫./7‘,j/,。,。j。:。2.pH值对吸附量的影响图4.1油酸钠在氢氧化镁上吸附(t=25℃.pH=98)圈4.2是pH对zeta电位的影响,zeta电位随pH增大丽不断减小,等电点大于12,这表明在通常情况下,氢氧化镁表面带正电荷,有利于阴离子表面活性剂的吸附,图4.3是pH对油酸钠吸附量的影响,吸附量随pH增加而减小,这也说明油酸钠在氢氧化镁表面上的吸附过程受介质pH值影响较大,因为随着pH值增大,一方面,表面正电荷减少;另一方面.OH一参与竞争吸附,都使油酸钠吸附量减少。表4.5zeta电位‘随pH的变化DH8.02.08.55.19.44.79:84,010.63.611.52.5;/mv表4.6油酸钠吸附量r随pH的变化(t=28‘C.Ce=2mmol/L)pHr“mol/L9.118.29.817.8ll11,714.412.514.112.813.116I____●--l_--_l-___-____●●l-_●_●___●_-_IIIIl_I-II__●_II_ll--_哈尔滨工程大学硕士学位论文卜一\\75BB8590一051pO'06”011512ppH图4.2zeta电位随pH的变化喜l温度/℃r/pm01/L2826.5井\\\。、一一\9og510口'O6”D”5120’25130pH图4.3油酸钠吸附量r随pH的变化(t=28℃.Ce=2口,nol/L)3.温度对吸附量的影响表4,7温度对吸附量的影响3422.14321.2502156521.2表4.7说明吸附量随温度升高而先降低后变化不大,这是因为温度升高,油酸钠阴离子表面活性剂在水中溶解度增大,因而从水中向界面逃逸的倾向减少,吸附在固一液界面上的趋势减少;而随温度继续升高,吸附量基本不变,是否因为温度升高而使固体表面活化,从而出现化学吸附这一竞争过程,这有待于进…步研究。哈尔滨上程大学硕十学位论文表4.8固液比对吸附量的影响同液比/g/ml2/10082.O4/10045.86/10037.88/10029.810/10023.2吸附量/umol/g(Co=2mmol/L,pH产9.8,t=28℃)表4.8表明随着固液比的上升,吸附量变小,从工业经济利益方面考虑,采用固液比10/100(g/mL)为宜。综合上述几种因素,在制备油酸钠吸附大样品时,采用工艺条件为:pH值在9~10,固液比为10/100,初始浓度C。=2~3mmol/L,常温下搅拌2~3小时。44.2表面改性对氢氧化镁表面物化性能的影响1.对表面性质的影响由改性前后氢氧化镁粉体的红外谱图可见,改性后的氢氧化镁2930cm表4.9改性对氢氧化镁表面性质的影响改性剂无接触角0比表面积(m2/g)42.85±0.506油酸钠9044.56±0.4572850cm。处出现亚甲基的不对称、对称伸缩振动吸收峰,证实了表面改性层的存在,表4.9为改性前后氢氧化镁的比表面和接触角,改性后,比表面稍有上升.而接触角变大,这表明氢氧化镁表面处理后,表面已由亲水性向憎水性过渡.2.液体石蜡分散液粘度对氢氧化镁的影响由图4.4可知,随着氢氧化镁用量增加,改性后的氢氧化镁体系的粘度上升幅度明显变缓,这表明氢氧化镁经改性后其与油性介质的润湿和亲和性大为提高,从而减少了在流动场中的流动阻力,这有利于克服氢氧化镁粉体易产生二次凝聚,与基材有机聚合物亲和力欠佳的缺点。_●----●-__II——哈尔滨一[程大学硕士学位论文II_●-__●_--___-__●_____--__●-●___●■●_-___●■_-—E1m\lv巡螋埋饕∞∞∞拍{弓佰伯oD1%3%4%5%8%10'/*15%氢氧化镁的百分含量图4.5氢氧化镁填充量对燃烧速度的影响表4.11水平燃烧实验结果PVC/Mg(OH)。1%383%375496255%15.58968.1510%15%0.34燃烧速度阻燃等级0.68M一38GB2408-80M一37.5M一25醒一15.5M一8.15M~3M一54.4.4表面处理剂对材料燃烧性能及力学性能的影响由表4.12可以得出,由于氢氧化镁的表面有机化处理能在一定程度上提高其憎水性能,从而改善了它在高聚物中的分散性,故改性后的氢氧化镁具有阻燃性。经油酸钠改性后的力学性能好于用硬滕酸钠改性的性能,这是因为在加工过程中,聚氯乙烯与活性氢氧化镁表面的不饱和双键反应,形成化学交联结构”“。表4.12改性剂体系性能的影响体系PVC/Mg(OH)z改性荆无拉伸强度/l'/,Pa6.287.336.93氧指数27.528.5PVC/Mg(OH)zPVC/Mg(OH)z油酸钠硬脂酸纳4,5本章结论(1)Mg(0H)。填充量对复合材料阻燃性能的影响,随着Mg(OH)z填充量增哈尔滨r程人学硕士学位论文加,PVC/Mg(OH):燃烧速度下降。纯PVC的燃烧速度为38ram/min,当Mg(0H)。填充量为1%~3%时燃烧速度为37.5mm/mira,阻燃效果不显著,当Mg(OH)。填充量为5%~15%具有显著的阻燃作用。(2)氨氧化镁粉体表面带有正电荷,且等电点较高,可以在较大范围内吸附阴离子表面活性剂。经表面处理后,氢氧化镁的亲水性减小,亲油性增强。在有机物岔TJPVC中的分散性能有所改善,机械性能的下降不如未经处理的氯氧化镁那么剧烈:另外,油酸钠效果好于硬脂酸钠,可能是油酸钠与PVC之间形成了化学控制,因此用含有双键的油酸钠对氢氧化镁表面进行处理,不仅能提高其在高聚物中的分散性,而且能改善阻燃剂分子与聚氯乙烯之间的亲合力。(3)表面处理剂对氢氧化镁粉体处理,对无卤阻燃体系的力学性能、流变加工性能影响都很大。哈尔滨工程大学硕士学位论文结论本文通过对氢氧化镁、氧化镁的制各方法以及氢氧化镁作为阻燃剂对聚氯乙烯改性的实验研究,可以得出如下结论:1.溶剂对Mg(OH)。的合成的影响表现为,适量的乙醇可以抑制沉淀胶结结合成晶体的单项生长,同时对克服粉体的团聚也有显著作用。乙醇含量对M92+的沉淀率有一定的影响,在乙醇和水比例1:1时Mg”的沉淀率较高。实验结果表明,合成纳米Mg(OH):的较理想溶剂为乙醇和水比例为1:1~1:2的混合溶剂,在水一乙醇体系下可合成出粒径50~lOOnm的Mg(OH)e粉体。2.分散剂用量、溶剂配比、温度以及与添加少量有机物等外界条件的变化直接影响到产物形貌,粒径大小。如温度为40℃~45℃、分散剂为聚乙醇(6000),用量为1%~3%,可制备形貌为针状与片状混合的50nm~lOOnm氢氧化镁;温度为40℃~45℃,分散剂聚乙醇用量为4%~6%,1~2m1醋酸丁酯,首次制备出100%的40nm~lOOnm片状氢氧化镁。3.实验结果表明:合成纳米MgO的最佳工艺条件为制各前驱物氢氧化镁的反应温度为25℃~35℃,反应时间4~5h,反应物配比MgCl::NH。为l:4.5,MgCl。的摩尔浓度为0.4mol/L,煅烧氢氧化镁温度为450。C,时间为3小时。其产物为粒度分布均匀、平均粒径28nm、分散性良好的纳米MgO。4.以纳米№(oH):作为阻燃剂,其对聚氯乙烯阻燃性能的影响表现为:随着Mg(oH)。填充量增加,PVC/Mg(OH)。燃烧速度显著下降。纯PVC的燃烧速度为38wlln/min,当Mg(0H)。填充量为1%~3%时,其燃烧速度为37.5mm/min,阻燃作用不明显,当Mg(0H)。填充量为5%~15%时,其燃烧速度为8.15~O.34mm/min,阻燃效果显著,达至UGB2408---80/II一8标准。在论文的进行中,还遇到许多问题,但是由于客观条件和时间的关系,许多工作还没有深入下去,因此还有许多工作有待于进一步的研究。制备成本的降低以及改性后聚氯乙烯的力学性能等需要进一步研究。今后这方面实验还得大量深入研究其阻燃性能,尤其是怎样降低制备纳米氢氧化镁的成本,提高制备产品的效率。哈尔滨工程大学硕士学位论文参考文献[1]郭如新,绿色安全中和剂氢氧化镁.化工科技市场,1999.11(12):18—21页[2]郭如新.日本与美国的氢氧化镁阻燃剂现状及前景.阻燃材料与技术.1997,10(6):7—12页[3]郭如新.西欧氧化镁与氢氧化镁应用与研发简况.苏盐科技.2002:4-6页【2]扬鸿.氢氧化镁阻燃剂的开发与应用.无机工业.2001,33(3):23—26页[3]高散民,王善华,孙树声.市场前景广阔的无机阻燃剂一氢氧化镁.化工进展.2001,10(8):56—59页[4]郭如新.透过国外氢氧化镁阻燃剂的发展看中国.精系与专用化学.1999,12(15):13-16页[5]李洪庆.李国臣.李青山,氢氧化镁/聚烯烃阻燃技术新进展.化学工程师.2000:45—47页[6]马艳飞,王九思.绿色安全处理剂.环境监测与生态.2002,15(4):282—283页[7]郭如新.氢氧化镁在工业废水处理的应用.工业水处理.2000,20(2):卜4页[8]赵宜江,张艳等.氢氧化镁对印染废水脱色处理.水处理技术.2000,26(4):245-248页[9]Chem.MarketRep.1999,256(10):20P[1O]曹霞,陈秀萍.浅谈氢氧化镁法脱硫技术.有色冶金设计与研究.2003,21(1):47—51页[11]郑光荣,徐永花.氢氧化镁处理含铬废水的研究.华东地质学院学报.1999,22(3):265—269页[12]艾有年,邢大荣.氢氧化镁共沉一分光度法测定水中的铁锰.环境与健康杂志.1991,8(4):176—177页[13]罗阳.用氢氧化镁共沉淀法测定水中镉、铅、铜、锌、铁、猛・水资源保护.1998(08):21—23页哈尔滨工程大学硕士学位论文[14jHornsbyPR,FireandMaterialS.1994.03.23,18(5):269~276P[15jHornsbypRFireandMateriaLS.1994.08,18(5):269~276P[16]魏炳举,张万峰.…种极具发展前景的镁系产品一氢氧化镁.海湖盐与化工.2002(1):26—30页[17]吴育飞,常淑凤等.氢氧化镁与微观状态的SEM分析.电子显微学报.200l,20(4):312—313页[18]秦蓁,乌锡康.镁盐对水溶性阴离子染料废水的脱色研究中.国环境科学.1994(14):356—360页[19]郑荣光,徐永花.氢化镁处理含铬废水的研究.华东地质学院学报。1999(3):265—269页[20]郑荣光,王芳.氢氧化镁处理含铬废水的研究.无机盐工业.2000,32(1):26—27页[21]许坤,贾智萍,姜兆春.氢氧化镁对水溶性阴离子染料废水脱色的研究.环境科学.1998,17(1):94~99页[22]王秀荣,孙立波,张桂芳.氢氧化镁共沉淀火焰原予吸收法测定酱油中铅.预防医学文献性息.1997(3):246—247页[23]张艳,赵宜江,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作者:

学位授予单位:

何昌洪

哈尔滨工程大学

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