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无机材料—氢氧化镁的介绍

发表时间:2023-09-12 访问量:1992

一、氢氧化镁概述

氢氧化镁是一种高填充量与添加型的无机阻燃剂与抑烟剂。受热时,发生分解吸收燃烧物表面热量达到阻燃作用;同时,释放出大量地水分稀释燃物表面的氧气,而分解生成的活性氧化镁会附着在可燃物的表面,进一步阻止燃烧的进行。在整个阻燃过程中,氢氧化镁并没有产生任何有害物质,而且分解出的产物在阻燃的同时,还可以大量地吸收塑料、橡胶等高分子燃烧生成的有害气体与烟雾,是一种新兴的的环保型无机阻燃剂。

二、化学性质

氢氧化镁为中强碱(氢氧化镁溶解度很小,溶液碱性很弱,有时作为弱碱处理),加热至623K(350℃)即脱水分解:Mg(OH)2 →MgO+H2O,易溶于酸或铵盐溶液。与氧化镁一样易吸收空气中的二氧化碳,逐渐形成组成为 5MgO·4CO2·xH2O 的碱式碳酸盐。在高于350℃时分解为氧化镁和水,但只有在1800℃以上才能完全脱水。

氢氧化镁阻燃剂分解温度高(340℃~450℃),热分解产物为MgO和H2O,不释放任何有毒有害物质,对环境和人类健康没有任何危害,因此,氢氧化镁阻燃剂成为目前最受关注的无机类阻燃剂之一,具有广阔的应用前景。

三、氢氧化镁的助燃机理

氢氧化镁具有特殊的层状结构,使其呈现优良的触变性和低表面能,对塑料起良好的阻燃、消烟等作用。氢氧化镁在340℃开始受热分解为氧化镁和水,完全分解时温度可高达490℃,分解时吸收大量热能。具体阻燃机理为:

(1)氢氧化镁具有较大热容,在受热分解时吸收大量的热量,同时释放出大量水蒸气,不仅降低了材料表面的温度,而且可以减少可燃性小分子物质的生成。

(2)受热分解产生大量水蒸气还可覆盖材料表面,降低燃烧面空气中氧浓度,从而妨碍材料的燃烧。

(3)氢氧化镁受热分解生成的氧化镁是一种良好的耐火材料,其不仅能够覆盖在材料表面,还能够促进聚合物材料炭化,形成炭化层阻挡热量和空气进入,从而有效阻止燃烧。

(4)氢氧化镁具有氧化还原反应催化剂作用,能够促进燃烧过程中CO转化为CO2;分解产生的氧化镁可中和燃烧过程中产生的SO2、CO2及NO2等,从而减少有毒有害气体的释放。

四、氢氧化镁阻燃剂的制备

1.物理粉碎法

物理粉碎法是采用机械或者超声的方法将天然矿物(多为水镁石)进行粉碎和超细粉碎,得到所需粒度范围内氢氧化镁的方法。采用物理粉碎法制备氢氧化镁虽然工艺简单、成本较低,但是制备的氢氧化镁纯度较低、粒度分布不均,通常需要采用特殊研磨方式或在研磨过程中添加助磨剂(或分散剂)获得品质较高的氢氧化镁。因此其在工业上的应用和发展受到较大限制。

2.化学固相法

固相法制备氢氧化镁是将固态的金属盐和金属氢氧化物按照一定的比例混合,经过研磨和煅烧,发生固相反应从而得到氢氧化镁产物的过程。该方法具有工艺简单、成本较低等特点,但也存在产品纯度较低、易团聚、分散性能较差等缺陷,在实际大规模工业化生产中应用较少。

3.化学气相法

气相法制备氢氧化镁是以氨气作为沉淀剂,将氨气直接通入含有Mg2+的溶液中制备氢氧化镁。以气相法制备氢氧化镁,其品质受氨气流量、搅拌强度及反应温度等因素的影响。通过气相法制备氢氧化镁阻燃剂过程中因氨浓度稳定,制得的产品具有纯度高、粒径均匀和分散性能较好等优点;同时通入氨气过程中不引入水分,得到的氢氧化镁浆浓度高,生产过程中占地面积小,单位设备产率较高,但是对设备和技术的要求较高,也容易产生氨气扩散污染环境的问题。

4.化学液相法

液相法制备氢氧化镁是以镁盐为主要原料,将其与含氢氧根离子(OH-)的碱性物质进行反应,生成氢氧化镁沉淀,再经洗涤、干燥等得到制品。液相法可分为直接沉淀法、溶剂热及水热法、沉淀-共沸蒸馏法、超声化学法及微波辅助法等。

五、氢氧化镁阻燃材料应用要求

作为阻燃剂的氢氧化镁有以下几方面的要求:

(1)必须具有极高的纯度(Mg(OH)2>93%),纯度高的氢氧化镁不仅阻燃性能高,而且可以减少其在材料中的添加量。

(2)粒度小,用微纳米级氢氧化镁制备的复合材料在各方面的性能(包括阻燃效果,消烟和力学性能等)都远远优于微米级的氢氧化镁。

(3)表面极性低,氢氧化镁表面极性降低时,团聚程度就会降低,分散性和相容性增加,作为阻燃材料添加到聚合物中才能与聚合物具有较好的相容性,降低对材料力学性能的影响。

六、氢氧化镁阻燃材料改性原因

目前,市场上生产的氢氧化镁阻燃剂大多是微米级(d>5μm),粒径分布宽,在应用中需大量填充;另外制备的氢氧化镁产品易团聚、疏水性强、与高分子聚合物不兼容。实际应用中氢氧化镁对高分子聚合物材料的力学性能造成了严重的损害,极大地限制了氢氧化镁阻燃剂的应用。

通过一定的物理化学方法获得表面极性低、亲水性强、粒径小且分布窄、能够较好地与高分子聚合物兼容的氢氧化镁阻燃剂成为了当前科技工作者研究的热点。

一方面,使用有机官能团对氢氧化镁表面改性能够降低氢氧化镁表面的极性,提高其与高分子聚合物的兼容性;微纳米级的超细氢氧化镁填充量低,使用其制备的复合材料性能良好。

另一方面,同样质量微纳米级的氢氧化镁阻燃性能比微米级氢氧化镁高几倍,且对聚合物高分子材料性能影响也较低。极性低的微纳米级氢氧化镁能够在高分子聚合物材料中均匀分散,使得整个材料的阻燃性能、力学性能保持一致。因此,针对氢氧化镁阻燃剂的表面改性和超细化能够解决氢氧化镁阻燃剂应用中存在的缺点。

七、氢氧化镁的应用

氢氧化镁是塑料、橡胶制品优良的阻燃剂。在环保方面作为烟道气脱硫剂,可代替烧碱和石灰作为含酸废水的中和剂。亦用作油品添加剂,起到防腐和脱硫作用。另外,还可用于电子行业、医药、砂糖的精制,作保温材料以及制造其他镁盐产品。

01

烟气脱硫

世界上采用氢氧化镁排烟脱硫最早的为日本和美国,都始于二十世纪七十年代。在该领域使用的氢氧化镁,从纯度上讲是低档产品,其对纯度要求不是很高,一般在85%以上即可,而且都是以料浆状(含氢氧化镁35%~50%)形式应用。氢氧化镁法脱硫就是以氢氧化镁作碱性脱硫剂,把烟气中的二氧化硫吸收除去。该药剂可直接添加在锅炉燃料中,具有操作简单、成本低廉、脱硫效率高、无固废排放、不易结垢的优点。其反应生成物硫酸镁作为无害排放水排放,无二次污染。

02

工业废水处理剂

氢氧化镁是一种弱碱具有缓冲性,无论中和哪种酸类,也不管是否过量,其pH值更高不会超过9,这恰好是美国环保局“清洁水条例”中允许排放物pH值更高极限。氢氧化镁比表面积大、吸附力强,易于从工业废液中吸附并除去对环境造成危害的Ni2+、Cd2+、Pb2+、Cr3+等重金属离子,可单独使用也可与石灰、膨润土等配合使用。氢氧化镁处理印染废水时,主要利用Mg(OH)2带正电,容易吸附带负电的阴离子染料而使染料废水脱色。该领域使用的氢氧化镁产品主要为膏状或浆状,用量更大的是料浆状氢氧化镁。

03

氧化镁系列产品前驱体

氢氧化镁是重要的无机化工产品,同时也是制备高纯氧化镁的中间产物,相当一部分氢氧化镁用于生产各种氧化镁产品,特别是高纯度的系列氧化镁。

04

阻燃剂

阻燃剂的工业化和应用始于20世纪60年代的美国,而氢氧化镁作为阻燃剂的早期文献发表于1963年,水镁石作为阻燃剂的篇文献发表于1980年。氢氧化镁具有阻燃、抑烟、热稳定性高、无毒等特点,特别适用于填充那些加工温度高于180℃的高聚物,不仅可以节约树脂降低成本,更主要赋予复合材料阻燃性,所以氢氧化镁在阻燃剂领域增长很快。国外在大量使用无机阻燃剂,而我们国内在无机阻燃剂的应用与开发上还处于起步阶段。

八、结语

氢氧化镁作为阻燃剂具有各方面的优异性能,其应用范围将越来越广泛。并且氢氧化镁具有价格便宜的优势,为工厂生产节约了成本。通过轻烧镁粉制备氢氧化镁,提高了产品的附加值,实现了资源的有效利用,能有效增强企业在市场经济中的竞争能力。

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