一種利用堿式硫酸鎂晶須制備納米氫氧化鎂晶須的方法
【專利摘要】一種利用堿式硫酸鎂晶須制備納米氫氧化鎂晶須的方法，是以153型堿式硫酸鎂晶須為原料，向153型堿式硫酸鎂晶須中加入蒸餾水配制成153型堿式硫酸鎂晶須的初始料漿，再加入濃度為1.0-4.0mol/L的氫氧化鈉和助劑硬脂酸鈉制成基料；1.0-4.0mol/L的氫氧化鈉溶液加入量按Na0H:153型堿式硫酸鎂晶須=2-4.5:1的配料比加入；硬脂酸鈉加入量為135型堿式硫酸鎂晶須質(zhì)量的1-5%；將基料放入高壓反應釜中，反應釜內(nèi)溫度達到160-200℃時，保溫1-5h,然后停止加熱和攪拌，空冷至室溫，經(jīng)過常規(guī)分散、洗滌、過濾和干燥，即得。本發(fā)明工藝簡單，投資省，易產(chǎn)業(yè)化，獲得經(jīng)濟效益高。
【專利說明】一種利用堿式硫酸鎂晶須制備納米氫氧化鎂晶須的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本項發(fā)明屬于無機非金屬粉體材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種利用堿式硫酸鎂晶須制備納米氫氧化鎂晶須的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]21世紀人們對多功能材料的研發(fā)及使用尤為關(guān)注，對材料多功能性及環(huán)保性能要求越來越高，因此品質(zhì)好、功能多綠色環(huán)保的高端材料是目前材料界研發(fā)及生產(chǎn)的主要方向之一。而納米氫氧化鎂晶須因其具有較高的附加值，已成為阻燃劑及材料領(lǐng)域的研究熱點之一 O
[0003]普通氫氧化鎂產(chǎn)品作為阻燃劑添加到聚合物中主要有兩個缺點:一是起到阻燃效果時氫氧化鎂的添加量需很大方能起到良好的阻燃效果；二是與聚合物基體的相容性較差，制備的復合材料力學性能較差，不能滿足材料領(lǐng)域?qū)ζ淞W性能的要求。一般情況下若要獲得很好的阻燃效果，氫氧化鎂的添加量往往需要達到50份(晶須質(zhì)量/100基體質(zhì)量)以上，這將大大降低復合材料的力學性能和加工性能，很難達到實際使用的質(zhì)量要求。所以在提高氫氧化鎂阻燃效果的同時不改變或不明顯降低基體材料本身的力學性能是目前急于解決的關(guān)鍵問題之一。研究表明，氫氧化鎂同聚合物基體的附著能力和氫氧化鎂的團聚程度對復合材料的力學性能影響顯著，而氫氧化鎂晶體形貌是這些影響因素的關(guān)鍵因素之一。相對于其他尺寸的氫氧化鎂，納米氫氧化鎂在材料基體中有更好的分散性，形貌特殊的氫氧化鎂晶體對基體材料的力學性能有很好的補強效果，纖維狀氫氧化鎂/聚合物復合材料的拉伸強度和沖擊強度均明顯高于球形氫氧化鎂/聚合物復合材料。因為納米氫氧化鎂晶須具有良好的耐熱、隔熱、絕熱、增強等性能，隨著納米氫氧化鎂晶須的不斷研發(fā)和完善，其應用前景將會更加廣泛，所以開展納米氫氧化鎂晶須的制備及分散性的研究有著非常重大和現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明的目的，是提供一種利用堿式硫酸鎂晶須制備納米氫氧化鎂晶須的方法。
[0005]本項發(fā)明以153型堿式硫酸鎂晶須(MgSO4.5Mg (OH) 2.3H20)(堿式硫酸鎂晶須簡稱M0SW)為原料，以氫氧化鈉為沉淀劑，采用水熱法制備納米氫氧化鎂晶須。經(jīng)過多次試驗，最終發(fā)明了比較簡單的納米氫氧化鎂晶須制備方法，用本方法制備出的產(chǎn)物純度高、單根晶須含量為晶須總數(shù)的80%、晶須平均直徑85nm、長徑比>100、晶須形貌均勻。
[0006]為實現(xiàn)上述目的而采用的技術(shù)方案是:
一種利用堿式硫酸鎂晶須制備納米氫氧化鎂晶須的方法，包括下述步驟:
(I)以153型堿式硫酸鎂晶須為原料，加入蒸餾水配制成153型堿式硫酸鎂晶須的初始料漿，初始料漿濃度為0.01-0.05mol/kg。
[0007](2)向步驟(1)制備成的初始漿料中加入濃度為1.0-4.0mo I/L的氫氧化鈉和助劑硬脂酸鈉，制成基料，其中1.0-4.0mol/L的氫氧化鈉溶液加入量為以摩爾比計按NaOH: 153型堿式硫酸鎂晶須=2-4.5:1的配料比加入,硬脂酸鈉加入量為153型堿式硫酸鎂晶須質(zhì)量的 1-5%。
[0008](3)將步驟(2)配制成的基料放入高壓反應釜中，邊升溫邊以100-500/min速度攪拌，反應釜內(nèi)溫度達到160-200°C時，恒溫恒壓保溫l_5h，然后停止加熱和攪拌，空冷至室溫，自反應釜中取出合成產(chǎn)物，經(jīng)過常規(guī)分散、洗滌、過濾和干燥，即得到納米氫氧化鎂晶須。
[0009]上述納米氫氧化鎂晶須的形貌為長徑比> 100、平均直徑為85nm，單根晶須含量達到80%ο
[0010]對上述技術(shù)方案的進一步說明:
一、在實施本項發(fā)明創(chuàng)造制備納米氫氧化鎂晶須過程中，影響產(chǎn)物質(zhì)量的主要參數(shù)包括153型堿式硫酸鎂晶須的形貌、堿式硫酸鎂晶須初始料漿濃度、NaOH = MOSW摩爾比、反應溫度、反應時間，攪拌速度、添加劑種類及加入量等因素。
[0011](1)153型堿式硫酸鎂晶須形貌。153型堿式硫酸鎂晶須原料的形貌對納米氫氧化鎂晶須的形成有著關(guān)鍵性的影響，其中選取晶須直徑< 500nm，長徑比>100，表面光滑、筆直、纖細、形貌均勻、分散效果好的153型堿式硫酸鎂晶須，制備出的納米氫氧化鎂晶須比較理想。
[0012](2) 153型堿式硫酸鎂晶須初始料漿濃度。153型堿式硫酸鎂晶須的長徑比較大，分散性較好，分子中含有3個結(jié)晶水，當與蒸餾水一起制備成堿式硫酸鎂初始料漿時，晶須均勻分散于水中，當其質(zhì)量摩爾濃度達到一定值后，經(jīng)攪拌即成糊狀料漿。該種料漿的質(zhì)量摩爾濃度如果偏低會影響 產(chǎn)物的形貌，過高將影響產(chǎn)物產(chǎn)率。為了使氫氧化鈉水溶液與堿式硫酸鎂料漿混合均勻，使反應充分進行，本發(fā)明采用的堿式硫酸鎂晶須的初始料漿濃度為 0.01-0.05mol/kg。
[0013](3)Na0H:M0SW摩爾比。為了使合成的納米氫氧化鎂晶須的形貌更均整，產(chǎn)量更高，應將NaOH = MOSW摩爾比控制在一定范圍內(nèi)，二者摩爾比過低不能形成晶須，過高時形成的晶須直徑粗大，團聚現(xiàn)象明顯。為了使晶須達到最佳的形貌，本發(fā)明采用的Na0H:M0SW摩爾比為 2.0-4.5:1。
[0014](4)助劑種類及加入量。助劑的加入對納米氫氧化鎂晶須的制備起著關(guān)鍵的作用，當采用硬脂酸鈉作為分散助劑，在制備的過程中硬脂酸鈉加入量為硬脂酸鈉:M0SW質(zhì)量比為1_3%，所合成的氫氧化鎂晶須直徑為納米級，形貌均整，晶須直徑均勻。
[0015](5)反應溫度。在納米氫氧化鎂制備過程中，反應溫度應嚴格控制在一定范圍內(nèi)，溫度過低不利于晶須的形成，溫度過高影響晶須分散性的同時也造成了能源的浪費。本發(fā)明中在160-200°C時所獲得的納米氫氧化鎂晶須形貌比較理想，長徑比較大，晶須直徑較細平均直徑為85nm，晶須的均整性較好，細小晶須含量相對較低。
[0016](6)反應時間。水熱反應時間對合成產(chǎn)物形貌和物相結(jié)構(gòu)均有直接的影響。水熱反應時間不能過短，晶須的形成需要充足的反應時間，但反應時間過長晶須產(chǎn)物形貌的均整性會有所降低，晶須直徑變粗。在160-200°C下，當反應時間達到l_5h，晶須形貌較理想，長徑比較大，晶須均整。利用X —射線衍射儀對于合成產(chǎn)物進行物相結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明，其合成產(chǎn)物的X —射線衍射峰d值與TOF 74-2220氫氧化鎂標準卡片的d值——對應，且峰形尖銳，無雜質(zhì)峰存在，說明反應產(chǎn)物全部為結(jié)晶完好的氫氧化鎂。[0017]( 7)攪拌速度。為了使水熱反應能夠均勻的進行，反應過程中對于轉(zhuǎn)入反應釜中的堿式硫酸鎂晶須和氫氧化鈉混合溶液要始終進行攪拌，攪拌速度應控制在一定范圍內(nèi)。當攪拌速度為100-500r/min時，可以制備出較理想形貌的納米氫氧化鎂晶須。
[0018]采用S-3400N掃描電子顯微鏡觀察水熱合成產(chǎn)物形貌，由SEM圖分析測量纖維狀產(chǎn)物的直徑和長度，計算出產(chǎn)物的長徑比；利用Ultima IV型X—射線衍射儀檢測合成產(chǎn)物的物相組成。
[0019]二、153型堿式硫酸鎂晶須原料的制備方法:
153型堿式硫酸鎂晶須原料制備流程為:準確稱取一定質(zhì)量高活性氧化鎂粉末研磨至74 μ m,加入去離子水，充分攪拌配制成濃度為0.01-0.05 mol/kg的氧化鎂初始反應料漿，將lmol/L濃度的硫酸溶液加入到料漿中，充分分散后轉(zhuǎn)入高壓反應釜中，升溫到170-200°C，保溫2.0-6.0h，關(guān)閉加熱電源停止攪拌，反應產(chǎn)物隨釜空冷卻至室溫，取樣、分散、洗滌、過濾、干燥，即得到153型堿式硫酸鎂晶須(MgSO4.5Mg (OH)2.3H20)，其晶須直徑(500nm，長徑比>100，表面光滑、筆直、纖細。
[0020]與已有的制備納米氫氧化鎂晶須的技術(shù)方法相比，本項發(fā)明具有如下優(yōu)點:
(I)原料來源廣泛。我國是優(yōu)質(zhì)菱鎂礦儲量最多的國家之一。以其為原料，可明顯降低納米氫氧化鎂晶須的制備成本。
[0021](2)工藝簡單。整個工藝過程分為兩大工序，每一工序需要控制的相關(guān)參數(shù)比較少，操作簡單。
[0022]( 3 )生產(chǎn)設(shè)備比較單一。焙燒爐、高壓反應釜和干燥設(shè)備是整個制備工藝中的三大主體設(shè)備，其余為耐酸堿的大型料槽、混合和攪拌設(shè)備等，因此投資少，容易產(chǎn)業(yè)化，且主體設(shè)備容易實現(xiàn)自動控制。
·[0023](4)利用本方法生產(chǎn)的納米氫氧化鎂晶須填補國內(nèi)空白，填加到橡膠、塑料等高分子聚合物中既可減少橡膠、塑料的用量，降低制品成本，又可顯著提高材料的阻燃和機械力學性能，減少火災事故的發(fā)生，為社會減少不必要的損失，提高人民安全感和生活質(zhì)量，實現(xiàn)綠色環(huán)保阻燃。
[0024]【具體實施方式】 實施實例I
利用遼寧某地所產(chǎn)的菱鎂礦為原料，制備納米氫氧化鎂晶須。
[0025]準確稱取2.4g菱鎂礦煅燒后的高活性氧化鎂粉末(研磨至74 μ m)，加入1985mL去離子水，充分攪拌均勻后，加入15mL濃度為1.0mol/L的硫酸溶液,制成濃度為0.03mol/kg初始氧化鎂初始料漿，混合均勻后轉(zhuǎn)入高壓反應釜中，升溫到180°C時，保溫4h，停止加熱和攪拌隨反應釜空冷卻至室溫，取樣、分散、過濾、干燥，即得到153型堿式硫酸鎂晶須，分子式為MgSO4.5Mg (OH) 2.3H20。此堿式硫酸鎂晶須原料直徑≤500nm,長徑比>100，表面光滑、筆直、纖細，經(jīng)化學定量分析純度達到98.17%。
[0026]將制備出的堿式硫酸鎂晶須加蒸餾水配制成質(zhì)量摩爾濃度為0.02mol/kg的初始料漿，然后將氫氧化鈉水溶液按照NaOH = MOSW摩爾比為3:1的加入量加入到堿式硫酸鎂晶須料漿中，同時按硬脂酸鈉:M0SW質(zhì)量比2%的量加入硬脂酸鈉，經(jīng)混合均勻后轉(zhuǎn)入高壓反應釜中，以攪拌速度為lOOr/min邊攪拌邊升溫，當釜內(nèi)溫度升到180°C時，恒溫恒壓保溫lh，然后停止加熱和攪拌，自然冷卻到室溫。自反應釜內(nèi)取出反應生成物，經(jīng)過分散、洗滌、過濾、干燥，即得到納米氫氧化鎂晶須。
[0027]本項研究所獲合成產(chǎn)物的形貌及物相組成，采用XRD譜圖和SEM掃描電子顯微鏡測試分析，結(jié)果表明，合成產(chǎn)物形貌呈纖維狀，長度較大，晶須平均直徑84nm，屬于納米級；長徑比>100，且纖細均勻。合成產(chǎn)物的主要X-衍射峰d值(由大到小)分別為:4.7680、2.7254,2.3661、1.7944、1.4942 和 1.3729，與 PDF 74-2220 氫氧化鎂標準卡片的 d 值——對應，峰形尖銳，無雜質(zhì)峰存在。測試分析結(jié)果表明水熱合成產(chǎn)物為納米氫氧化鎂晶須，結(jié)晶完好，純度達到98.0%以上。
【權(quán)利要求】
1.一種利用堿式硫酸鎂晶須制備納米氫氧化鎂晶須的方法，其特征在于:包括下述步驟: (1)以153型堿式硫酸鎂晶須為原料，其中153型堿式硫酸鎂晶須直徑≤500nm，長徑比>100，表面光滑、筆直、纖細，向153型堿式硫酸鎂晶須中加入蒸餾水配制成153型堿式硫酸鎂晶須的初始料漿，初始料漿濃度為0.01-0.05mol/kg ； (2)向步驟(1)制備成的初始漿料中加入濃度為1.0-4.0moI/L的氫氧化鈉和助劑硬脂酸鈉制成基料；1.0-4.0moI/L的氫氧化鈉溶液加入量以摩爾比計按NaOH: 153型堿式硫酸鎂晶須=2-4.5:1的配料比加入；硬脂酸鈉加入量為135型堿式硫酸鎂晶須質(zhì)量的1-5% ； (3)將步驟(2)配制成的基料放入高壓反應釜中，邊升溫邊以100-500/min速度攪拌，反應釜內(nèi)溫度達到160-200°C時，恒溫恒壓保溫l_5h，然后停止加熱和攪拌，空冷至室溫，自反應釜中取出合成產(chǎn)物，經(jīng)過常規(guī)分散、洗滌、過濾和干燥，即得納米氫氧化鎂晶須。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用堿式硫酸鎂晶須制備納米氫氧化鎂晶須的方法，其特征在于:上述納米氫氧化鎂晶須的形貌為長徑比> 100、平均直徑為85nm，單根晶須含量達到80%ο
【文檔編號】C30B7/10GK103849924SQ201410048281
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年2月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月12日
【發(fā)明者】姜玉芝, 張忠陽 申請人:沈陽理工大學