影響氫氧化鎂沉降性能的元素

劉大江

(青海鹽湖工業股份有限公司鉀肥分公司，青海格爾木 816000)

氫氧化鎂作為添加型無機阻燃劑，具有熱穩定性好、無毒、抑煙、高效促基材成炭的作用，且在不產生腐蝕性氣體的同時還具有中和燃燒過程中產生的酸性和腐蝕性氣體功能，作為一種環境友好型的綠色阻燃劑具有很好的市場前景。以氯化鎂為原料，以氨水作為沉淀劑制備了一系列的氫氧化鎂。分析討論了制備過程中的主要因素對氫氧化鎂沉降性能的影響，通過采用氨水作沉淀劑直接沉淀鎂離子制備氫氧化鎂，反應如下：

MgCl2+NH3·H2O→Mg(OH)2↓+NH4C1

根據原料的特點，采用圖1工藝流程，選擇合適的pH值、原料濃度、溫度、加料速度、反應時間、陳化時間、洗滌方式等條件，制備出超微片狀氫氧化鎂。

1 實驗原料及儀器

1.1 實驗原料

實驗以鹽湖富產的氯化鎂為原料，氨水為鹽湖鎂業公司提供。

1.2 實驗儀器

SXJQ-1數顯電動恒速攪拌器(上海一科有限公司)；MS8001S 電子天平(瑞士梅特勒有限公司)； SHB-B95A型循環水式多用真空泵(鄭州長城科技工貿有限公司)；DZ-2BC型真空干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)；PSB200小型臺式離心機(蘇州巴拓有限公司。)

2 實驗步驟

將一定量的氫氧化鎂加入到蒸餾水中，并用電動攪拌器進行充分攪拌，配制質量分數為6%左右的料漿。稱取一定量的改性劑放在燒杯中，并用無水乙醇為介質進行超聲分散(由于改性劑的用量比較少，將其分散在無水乙醇中，可以保證改性劑用量同時可以使改性劑與氫氧化鎂料漿在改性過程中比較均勻地混合)，將上述配制好的氫氧化鎂料漿放在一定溫度的恒溫水浴鍋中，加入已經分散好的改性劑，并不斷地進行機械攪拌，反應一定時間以后進行抽濾、洗滌，并在105 ℃下將其烘干，研磨后得到改性的氫氧化鎂樣品。

2.1 氫氧化鎂沉降性能的影響元素

2.1.1 加料順序

在圖1所示的工藝流程的操作下，制得氫氧化鎂產品A、B， 測試其沉降性能如表1。

圖1 制備氫氧化鎂的工藝流程圖Fig.1 Process flow chart for preparation of Mg(OH)2

由表1可以看到，氨水加入氯化鎂溶液中可以獲得較好的分散體系，而鎂離子溶液加入氨水則料漿穩定性差，很快就聚沉了。故在實驗中，選擇氨水加入到鎂離子溶液中為確定的加料方式。

表1 不同加料方式下制得的氫氧化鎂的沉降性能Tab.1 Settlement properties of Mg(OH)2 prepared by different feeding ways

2.1.2 鎂離子濃度

選擇所述的在圖1工藝流程的操作下條件下， 制得樣品A、B、C，其沉降性能測試結果見表2。

表2 鎂離子濃度對氫氧化鎂沉降性能的影響Tab.2 Effect of magnesium ion concentration on the deposition property of Mg(OH)2

由表2可以看出，鎂離子濃度在2.0 mol/L的時候，體系比較穩定，沉降時間在24 h以上，這是因為體系中[OH-]濃度一定的情況下，Mg2+濃度越高，[Mg2+]· [OH-]2過飽和程度越大，瞬間氫氧化鎂成核速度遠大于晶核生長速度，生成的氫氧化鎂晶粒就越小， 沉降時間也就越長。鎂離子濃度較低時，更有利于晶核生長，晶粒較大，沉降也就較快；但鎂離子濃度比較高時(3.0 mol/L),體系中鹽濃度增大，壓縮了膠粒的雙電層，減小了膠粒間的距離，從而加劇了膠粒的團聚，體系分散性差，易于沉降。

2.1.3 反應終點pH值

實驗中采用氨水加入到氯化鎂溶液中的加料方式，分別選擇反應終點為pH值=9.0、pH值=10.0、pH值=11.0，其他條件同上，制得到樣品P1，P2，P3。其沉降性能測試見表3。

表3 不同反應終點pH值對氫氧化鎂的沉降性能Tab.3 Deposition property of Mg(OH)2 at pH values of different reaction endpoints

由表3可以看出，當反應終點pH值控制在大于10.0就可以達到比較好的分散體系，小于10.0由于更接近氫氧化鎂膠粒的等電點，體系中膠粒間的斥力較小，容易沉降，分散體系不穩定。

2.1.4 氨水加入速度

氨水加入速度對氫氧化鎂的沉降性能也有較大的影響，從理論上講，氨水加入速度慢，氫氧化鎂的成核速度小于晶核的生長速度，得到的氫氧化鎂晶粒較大，分散度較低，沉降性能好；氨水加入速度快， 得到的氫氧化鎂晶粒小，分散度高，但過快的加料速度會導致體系局部氨水濃度過高，引起氫氧化鎂顆粒團聚嚴重，顆粒大小不均一。但在實驗中，由于加入了復合分散劑，使得無論在較高還是較低的氨水加入速度下，都可以得到分散性能較好的乳白色分散體系。 不同氨水加入速度下制得的氫氧化鎂的沉降性能測試見表4。

表4 氨水加入速度對氫氧化鎂沉降性能的影響Tab.4 Effect of ammonia addition rate on the settlement property of Mg(OH)2

可以看出，氨水加入速度較慢(1.5 mL/min)和較快(3.5 mL/min)都可以得到分散性較好的體系。但氨水加入速度較快會造成鎂轉化率的嚴重下降。綜合考慮分散性和沉鎂效率，選擇合適的氨水加入速度為1.5 mL/min。

2.1.5 陳化過程

陳化過程是能否制得良好晶形的氫氧化鎂的關鍵。陳化時間和陳化溫度是陳化過程中重要的因素，實驗中在所選擇的條件下研究了陳化時間對鎂轉化率、氫氧化鎂沉降性能的影響。若沒有升溫陳化過程，形成的氫氧化鎂晶體沒有規則的外形，晶形極不完整；而60 ℃下陳化過程形成的氫氧化鎂有清晰的外形，晶形較完整。測試性能見表5。

表5 陳化時間、溫度對氫氧化鎂沉降性能的影響Tab.5 Effect of aging time and temperature on settlement property of Mg(OH)2

由表5可以看出， 由于氫氧化鎂形成需要一定的溫度和時間，陳化溫度過低不僅不利于析出氫氧化鎂，造成比較低的轉化率，而且會影響氫氧化鎂結晶的完整性。隨著陳化溫度的升高，氫氧化鎂的結晶性有較大幅度的提高，較高的陳化溫度更有利于得到晶粒較大的氫氧化鎂。實驗中在常溫(30 ℃)陳化后，難于過濾，就是因為無升溫陳化得到的氫氧化鎂晶粒較小，堵住了濾紙的細孔。最終得出試驗中陳化時間為60 min，陳化溫度對氫氧化鎂的沉降性能沒有明顯的影響在所選擇的溫度條件下，均可以得到分散性較好的乳白色體系，氫氧化鎂的沉降時間均超過24 h。故認為60 ℃條件是最適合的陳化溫度水平。

3 實驗結果與討論

實驗采用氨法制備氫氧化鎂阻燃劑，即常壓下以鹵水為原料，以氨水為沉淀劑進行反應，以加料順序、反應終點pH值、鎂離子濃度、氨水加入速度、陳化過程對氫氧化鎂沉降性能的影響因素進行多次試驗，在所選擇的反應下，考察多種條件對氫氧化鎂產品轉化率、沉降性能的影響。主要結論如下：

1)由上述分析得出，所選擇的各影響因素在氫氧化鎂制備過程中對其沉降性能的影響程度依次為：鎂離子濃度>加料順序>反應終點pH值>氨水加入速度>陳化過程；

2)適合的實驗條件為：氨水加入鎂離子溶液的加料方式，氨水濃度為25%(13 mol/L)，鎂離子濃度為約2.0 mol/L，氨水加入速度為1.5 mL/min～2.0 mL/min，反應終點pH值=10.0，反應溫度30 ℃，陳化溫度60 ℃，陳化時間60 min。