采用綠色溶劑改良電工級氧化鎂的生產工藝

王繼奇，高斌，史生川，姚威，田旭，徐寶彤，高恩軍

（1.遼寧嘉順科技有限公司，遼寧 大石橋 115100；2.遼寧科技大學，遼寧 鞍山 114051）

電工級氧化鎂是由電熔結晶后的氧化鎂打磨細加工經篩分出不同目數的顆體粉末，再經過進一步表面活化處理科學配比出來的氧化鎂，使其具有良好的絕緣性和耐火性[1-12]。該產品主要應用于電熱設備的耐火絕緣層，例如電熱管中的填充料、電纜導線外包裹層等。根據不同的應用需求分為：普通氧化鎂（N）、低溫氧化鎂（L）、中溫氧化鎂（M）、高溫氧化鎂（H）。其中高溫氧化鎂適用于中高、高功率或高溫空燒類管狀電加熱元件中使用，制品可經過如1 050 ℃高溫熱處理等退火工藝，退火或排潮后需及時有效密封封口。中溫氧化鎂適用于中溫空燒類管狀電加熱元器件中使用，制品不經如1 050 ℃等高溫熱處理，但需200～300 ℃排潮3～5 h 除濕，排潮后具備良好的絕緣防潮性能，簡單封口即可。低溫氧化鎂適用于低溫水燒類管狀電加熱元器件中使用，制品不可經如1 050 ℃等高溫熱處理，無需排潮，即可具備良好的防潮絕緣性能，簡單封口即可。因此研究提升氧化鎂產品的阻抗性是重中之重的。

常見的氧化鎂覆膜制備方法有固相法、氣相法和液相法[13-15]。固相法由其廉價且易得的原料、簡單的工藝方法、生產產品純度高等優(yōu)點，被廣泛的采用。固相混合法一般是采用原始開采的菱鎂礦經打磨后的礦粉為原料，外加有機溶劑等在氧化鎂原料表面形成一層覆膜，經過攪拌、干燥等操作工序制得。制得的氧化鎂覆膜顆粒借助一些有機溶劑和一些附加物可以有效提升其阻抗系數和常規(guī)需要的化學檢測性質。常用的氧化鎂產品絕緣電阻要求如表1所示。

表1 各等級氧化鎂的絕緣電阻要求

在進行覆膜實驗工藝中，加入有機溶劑時通過不同的結合方式將溶劑吸附在氧化鎂晶體表面[15-17]，引起不同程度的氧化鎂晶體發(fā)生晶格畸變，進而使氧化鎂的性質發(fā)生改變，其中阻抗指標是尤為重要的性質，但鮮有關于綠色溶劑在該領域的研究報道。因此，筆者對于利用無公害綠色有機溶劑改變氧化鎂表面性質做了大量研究。本文選取環(huán)戊烷、環(huán)己烷、環(huán)庚烷為添加劑，改變原有工藝中的具有危害性的苯類污染性溶劑，系統(tǒng)考察不同綠色有機溶劑對氧化鎂產品的阻抗系數、流動性及化學物質含量的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

原有工藝采用市場普遍油類物質A、致癌類苯類物質B 與助揮發(fā)類物質C，混合攪拌制備覆膜氧化鎂，使阻抗絕緣系數及化學性質都存在大幅度的提升。本文采用環(huán)烷類取代致癌類苯類物質，環(huán)烷類物質綠色無毒且更為穩(wěn)定，在密閉條件下發(fā)生粉爆情況極低，為綠色安全生產工藝。

1.2 實驗原料與儀器

實驗原料：菱鎂礦粉原料，遼寧嘉順科技有限公司；環(huán)戊烷，化學純，上海阿達瑪斯試劑有限公司；環(huán)己烷，化學純，上海阿達瑪斯試劑有限公司；環(huán)庚烷，化學純，上海阿達瑪斯試劑有限公司；普遍性油類物質，分析純；助揮發(fā)類物質。

實驗儀器：5 L 不銹鋼反應釜，上海況勝實業(yè)發(fā)展有限公司；數顯恒溫磁力攪拌器，金壇市杰瑞電器有限公司；電熱鼓風干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；ZC93 型絕緣電阻箱。

1.3 氧化鎂覆膜制備

以菱鎂礦打磨破碎后的粉體為原料，加入1 體積的普遍性油類物質作為穩(wěn)定劑，加入0.5 體積的環(huán)戊烷、環(huán)己烷、環(huán)庚烷作為添加劑。將助揮發(fā)類物質在烘箱中150 ℃下干燥3 h，取出備用。先取200 g 氧化鎂原礦粉加入到反應釜中，將環(huán)戊烷與普遍性油類物質以1∶2 的比例在攪拌器中充分混合，在攪拌30 min 后在通風櫥中靜置24 h，取攪拌后的溶劑混合物3 g，加入到反應釜中反應2 h；再將準備好的助揮發(fā)類物質4 g 加入反應釜中繼續(xù)反應2 h得到最終產物。環(huán)己烷、環(huán)庚烷操作步驟同上。所得到的覆膜氧化鎂顆粒在熒光倒置顯微鏡下成像如圖1所示。其中，中間明亮部分為氧化鎂單晶晶核，在外面包裹的一層為覆膜在氧化鎂上面的混合溶劑，這驗證了溶劑可以很好地包裹在氧化鎂單晶顆粒上。

圖1 熒光倒置顯微鏡下的覆膜氧化鎂

2 結果與討論

2.1 對覆膜氧化鎂泄漏電流分析

電工級氧化鎂泄漏電流越高，進而無法有效防止鐵鋁絲的鋁析出，有機硅的高溫碳化導致電工級氧化鎂泄漏電流增加，不能達到使用要求。在高溫環(huán)境下，氧化鎂泄漏電流導致內部發(fā)黑會產生氧化鎂煙，吸入氧化鎂煙能導致金屬煙霧病，吸入過多煙霧會導致胃酸過多，腎功能不全可能產生滯留性中毒，患高鎂血癥。所以在工作人員做好防護的情況下，也要盡可能的減少煙霧的揮發(fā)。

取3 組實驗覆膜氧化鎂分別進行泄漏電流的測試。取50 g 試驗產品裝入測試用電熱管中，每組進行8 次循環(huán)試驗。不同的環(huán)烷類綠色有機溶劑代替苯類物質得到的覆膜氧化鎂泄漏電流效果如表2所示。其中可以看出環(huán)己烷在泄漏電流方面可以到達生產要求，有效防止漏電現象。

表2 三組實驗的循環(huán)泄漏電流

2.2 絕緣電阻與耐壓強度分析

在檢測過程中要盡可能模仿工作環(huán)境，所以在工作溫度下、室溫下和潮態(tài)下分別測試絕緣耐壓強度。采用ZC93 性絕緣電阻表進行實驗，測試方法：打開電源，將電壓調換值1 000 V，將絕緣接線柱（L）端搭在電熱管引出棒上，另一端（E）搭在電熱管表皮，觀察指針變化值，穩(wěn)定后，記錄數據。3 組實驗循環(huán)測量絕緣耐壓電阻性質結果如表3所示。

表3 3 組實驗循環(huán)測量絕緣耐壓電阻性質

2.3 化學性質分析

在使用電工級氧化鎂時，需要產品達到一定的測試值才能滿足工作時需要，大部分的工業(yè)生產中所需要的氧化鎂質量分數需要在96%以上，但是鐵、硅質量分數過高將嚴重影響電熱管的使用性能，不能達到絕緣要求。對于原方法與新工藝的氧化鎂產品做化學性質的分析比較，結果如表4所示。由表4可知，環(huán)己烷替換的新工藝可以將產品的性能進一步提升，具有較強的實用性。

表4 各種試驗產品的化學分析數據

3 結 論

通過優(yōu)化無公害綠色環(huán)烷類有機溶劑，篩選出環(huán)己烷代替原有工藝中污染性嚴重的有害苯類溶劑，優(yōu)勢突出。一是采用綠色有機溶劑取代致癌類苯類物質，可以大大減小對人體的危害程度；二是泄漏電流測試中環(huán)己烷替換產品經過多次試驗的測試值均小于0.410，可以達到正常使用要求；三是對于3 種試驗產品進行絕緣阻抗測試，發(fā)現采用環(huán)己烷替代產品可以完美符合使用要求；四是在化學常規(guī)5 項的測試中，發(fā)現采用環(huán)己烷替換產品可以提升產品純度。該先進工藝現已完成中試階段性能評估，根據實際生產規(guī)模，擬進行產品試生產，產品具有廣闊的應用前景。