高纯纳米氧化镁制备工艺研究

①

胡章文1

,饶丹丹1

,杨保俊2

,单承湘2

,陶庭先

(1.安徽工程科技学院生化工程系,安徽芜湖241000;2.合肥工业大学化学工程学院,安徽合肥230009)

摘　要:以M gC l 2 6H 2O 为原料,聚乙烯醇为分散剂,采用氨水沉淀法制备氢氧化镁,经煅烧得高纯纳米氧化镁。单因子实验与正交实验表明,在沉淀反应时间为25m i n ,氢氧化镁煅烧时间3h 时,制备高纯纳米氧化镁的最佳工艺条件为:反应温度35℃,原料摩尔比(NH 3 H 2O ∶M gCL 2 6H 2O )2.2∶1,M g 2+摩尔浓度1.3m o l /L ,分散剂用量为2mL ,煅烧温度700℃。在此条件下,反应最终产物氧化镁的纯度达到了99%以上。并采用X 射线和透射电镜等对样品进行表征,结果表明,样品粒径分布窄、分散性良好,平均粒径为35n m ,满足高纯纳米氧化镁要求。该工艺流程简单,产品质量稳定,适宜于工业化生产。关键词:高纯氧化镁;纳米;制备工艺;氨水沉淀法中图分类号:TQ123.4

文献标识码:A

文章编号:0253-6099(2006)05-0068-04

Preparati on Para m eters ofH igh -purit y Nano m eter M agnesi u m Ox i de

HU Zhang -w en 1

,RAO Dan -dan 1

,YANG Bao -jun 2

,SHAN Cheng -x iang 2

,TAO Ting -x ian

(1.D epart m ent ofB i o che m icalEng i n eering ,Anhu iUn i v ersity of Tec hnol o gy and Scie nc e ,W uhu 241000,Anhu i ,China ;

2.School of Che m ic a lEng i n eeri n g ,H efeiUn i v ersity of Tec hnol o gy ,H efei 230009,Anhui ,China )

Abst ract :Using M g C l 2 6H 2O as precursor ,P VA as t h e dispersant and NH 3 H 2O as pr ecipita ting agent ,a m agnesi -um oxide o f h i g h purity and nano m e ter can be prepar ed .The resu lts o f sing le fac t o r and o rthogona l experi m ents indicate t h at t h e opti m u m techno log ical conditions are as follo w s :reaction ti m e o f 25m ins ,ca lcinations ti m e of 3h ,reaction te mperature of 35℃,a mm onia /m agnesiu m propo rtion o f 2.2∶1(m o le ),concentration o fM g

of 1.3m o l /L ,disper -

sant o f 2m L ,ca lcinations te mperature o f 700℃.The m orpho l o gy o f the po w dersw as charac t e rized by tr ans m issi o n e lec -tron m icr o scopy (TE M )and X -ray d iffrac tion (XRD ).The r esu lts indicate tha tm agnesium hydrox ide partic l e s are we ll dispersed w ith a na rro w size d istri b u tion and an ave r age size is o f 35nm ,and itm ee ts t h e de m and fo r h i g h -purit y nano -m e t e r m agnesium oxide .The si m ple pr ocess intr oduced can bring steady pr oduct qualit y and can be easil y industrial -ized .

K ey w ords :high purit y m agnesiu m oxide ;nano m eter ;preparation process ;a mm onia w ate r precipita ting 氧化镁作为一种重要的无机化工产品,主要用于耐火材料和提炼金属镁,也用于纸浆、建筑材料、肥料、橡胶、塑料和粘合剂等[1～3]

。纳米氧化镁是随着纳米

材料技术的发展而生的一种新型功能精细无机材料,由于其具有不同于本体材料的热、光、电、力学和化学等特殊性能,而被广泛应用于电子元器件、高级陶瓷材料、电气绝缘材料、化妆品、香料、油漆、橡胶填充剂、酸

性气体吸附剂、催化剂载体等领域[4～6]

。纳米氧化镁有其独特的制备方法,目前国内外关于纳米氧化镁合成的报道很多

[7～9]

,但实际上能够应用于工业生产的

不多。一是因为设备、成本、原料、规模、投资等问题;

二是有些工艺尚处于实验室研究阶段,属探索性的,甚至有些根本不可能实现工业化生产

[10～11]

。

实验表明,当氧化镁含量大于98%时,它的导热

性高,比氧化铝高1倍,介电损失只有氧化铝的1/10,同时具有耐腐蚀的性能。它还可以用作氧化硅及氧化铝等各种陶瓷烧结助剂、稳定剂及各种电子材料用辅助材料,也可作为橡胶、塑料工业上的特殊添加剂。但目前,我国生产的氧化镁主要是含量小于96%的轻质氧化镁,不能满足高质量耐火材料等的要求。因此,在我国高纯氧化镁的生产几乎是一个空白,急需开发研究

[12～13]

。本文以M gC l 2 6H 2O 为原料,添加适宜的

①收稿日期:2006-03-24

基金项目:国家自然科学基金资助项目(20471002);安徽省教育厅自然科学基金重点资助项目(2006KJ034A )

作者简介:胡章文(1969-),男,安徽桐城人,副教授,硕士,主要从事无机非金属功能材料研究。

第26卷第5期2006年10月

矿　冶　工　程

M I N I NG AND M ETALL URG I CAL ENG I NEER I NG V o.l 26№5

O ctober 2006

分散剂,采用氨水沉淀法制备氢氧化镁,经煅烧制得高纯纳米氧化镁,获得了制备高纯纳米氧化镁的最佳工艺条件。该工艺简单,产品质量稳定,适宜于工业化生产,有很大的发展前景。

1　实验部分

1.1　实验试剂和仪器

1)主要试剂。M g C l 2 6H 2O ,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;NH 3 H 2O ,分析纯,上海化学试剂有限公司;聚乙烯醇(PVA ),分析纯,皖维集团。

2)主要仪器。SX2-8-10箱式电阻炉,上海实验电炉厂;L X J -Ⅱ离心沉淀机,上海医用分析仪器厂;FC104电子天平,上海精科天平仪器;GZX -400-BS -Ⅱ电热恒温干燥箱,上海新苗医疗器械制造有限公司。1.2　实验原理

本研究采用直接沉淀法,即在金属盐溶液中加入沉淀剂,使生成的沉淀从溶剂中析出,将阴离子从沉淀中除去,再经热分解制得纳米氧化镁。常见的沉淀剂有NH 3 H 2O 、N a OH 、(NH 4)2CO 3、N a 2CO 3等。本实验采用的是以NH 3 H 2O 作为沉淀剂,M g C l 2溶液作为金属盐溶液,以聚乙烯醇为分散剂。

合成中涉及到的主要化学反应方程式为:M g C l 2+2NH 3 H 2O

M g (OH )2+2NH 4C l

M g (OH )2

M gO +H 2O 以氧化镁纯度和粒度为考察指标,确定制备高纯纳米氧化镁的适宜工艺条件。

1.3　实验方法

配制一定摩尔浓度的M g C l 2溶液100m L ,按确定摩尔比选取一定量浓氨水于三口烧瓶中,加入分散剂PVA 。在一定温度和搅拌条件下,向氨水中加入已配置好的M g C l 2溶液100mL ,控制反应时间25m in 。反应完毕,离心分离并充分洗涤至无氯离子,120℃恒温干燥2h 。干燥产物放入马弗炉里煅烧,在一定温度下煅烧3h ,获得产物。1.4　工艺流程

制备高纯纳米氧化镁的工艺流程见图1。

图1　制备高纯纳米氧化镁的工艺流程

1.5　分析方法

产品中M g O 含量及C a 、Fe 、A l 、C l 、Si 、SO 4

、盐酸

不溶物等主要指标按GB 9004-88进行测试。

1.6　样品表征

用日本理学公司的D /m ax -γB 型X -ray 衍射仪(C u 靶,λ为0.1540nm ,管电压为40k V ,管电流为100mA ,衍射速度为4Deg /m in ,扫描范围2θ=10°～

70°)分析样品晶体结构。用日立H -600型透射电子显微镜观察微粒的大小、形貌。

2　结果与讨论

2.1　单因子实验

2.1.1　反应温度的影响　在M g 2+

摩尔浓度为1m o l /L 、原料摩尔比(NH 3 H 2O :M g C l 2 6H 2O )为

2.4∶1、分散剂量为5m L 、反应时间为25m i n 、煅烧温度800℃、煅烧时间为3h 时,反应温度对产物纯度的影响如图

2所示。

图2　反应温度对产物纯度的影响

由图2可知,随着反应温度的升高,产物的纯度也升高;但反应温度升高到45℃左右,产物纯度达到最大值;再升高温度,产物的纯度会逐渐下降。这主要是由于温度过低,反应不能完全进行;温度过高,加大NH 3 H 2O 的挥发损失,这些都导致产物纯度的下降。同时,随着反应温度的升高,产物的粒径逐渐减小。2.1.2　M g 2+

摩尔浓度的影响　当原料摩尔比为2.4∶1、分散剂量为5mL 、反应时间为25m in 、反应温度为45

℃、煅烧温度为800℃、煅烧时间为3h 时,M g 2+

摩尔浓度对产物纯度的影响如图

3所示。

图3　料液浓度对产物纯度的影响

第5期胡章文等:高纯纳米氧化镁制备工艺研究

结果表明,产物纯度随着浓度的升高而升高,当M g 2+

摩尔浓度升高到1.2m o l /L ,产物纯度达到最大值,随后,产物纯度随M g 2+

摩尔浓度的升高而降低。同时高浓度利于形成晶粒,能得到较小的晶粒;浓度低不利于晶粒生成,得到的产物粒径也较大。

2.1.3　原料摩尔比(NH 3 H 2O ∶M gC l 2 6H 2O )的影响　当M g 2+

摩尔浓度1.0m o l /L ,分散剂量5mL ,反应时间25m in ,煅烧温度为800℃,煅烧时间为3h 时,原料摩尔比对产物纯度的影响如图4所示

。

图4　原料配比对反应产物的影响

结果表明,原料摩尔比越大,反应产物纯度越高。因为配比越大,可以使反应进行的比较完全,因而产物的纯度也就高。

2.1.4　分散剂用量的影响　当M g 2+

摩尔浓度为1.0m o l /L 、原料摩尔比为2.4∶1、反应时间为25m i n 、煅烧温度为800℃、煅烧时间为3h 时,分散剂用量对反应产物纯度的影响如图5所示

。

图5　分散剂量对产物纯度的影响

由图5可以看出,产物纯度随分散剂用量的增加

先降低后升高,当分散剂用量为4m L 时,产物的纯度达到最大。同时分散剂的不同用量对形成不粘连、形状和大小均匀的粒子也有很大的影响。

2.1.5　煅烧温度的影响　当M g 2+

摩尔浓度为1m o l /L 、原料摩尔比为2.4∶1、分散剂量为5m L 、反应时间为25m in 、反应温度为45℃,煅烧时间为3h 时,煅烧温度对反应产物的纯度的影响如图6所示

。

图6　煅烧温度对产物纯度的影响

由图6可以看出,随着煅烧温度的升高,产物纯度也随之升高。煅烧温度太低,时间短,M g (OH )2纯度低,温度过高,时间长,又会使M g O 粒子粘连长大。2.2　正交实验

在单因素实验基础上,根据正交实验方法,以产物M g O 纯度为考察指标,对影响M g O 纯度的反应温度、

原料配比、料液浓度、煅烧温度、分散剂用量5个因素,采用正交实验L 16(45

)方法进行制备高纯纳米氧化镁工艺条件优化研究。正交实验因素水平表见表1所列,正交实验及其分析结果见表2所示。

对实验结果进行极差分析,根据极差大小判断各影响因素的顺序。由表2中R 项可知,各因素极差分别为反应温度R A =1.15,原料摩尔比R B =0.89,M g

摩尔浓度R C =1.00,分散剂用量R D =0.84,煅烧温度R E =0.96,故各因素对氧化镁纯度影响的显著性顺序依次为:反应温度A 、M g 2+

摩尔浓度C 、煅烧温度E 、原料摩尔比B 、分散剂用量D 。得到的较优水平组合为A 2B 1C 3D 1E 3。按此较优水平组合进行实验,得到的氧化镁的纯度都在99%以上,该结果表明A 2B 1C 3D 1E 3为最佳条件。即制备高纯纳米氧化镁的最佳条件为反应温度35℃,原料摩尔比2.2∶1,M g 2+

摩尔浓度1.3

m o l /L ,分散剂用量为2mL ,煅烧温度700℃。

表1　正交实验的因素和水平

水平序号反应温度(A )/℃

原料摩尔比(B )M g 2+摩尔浓度(C )/(m ol L -1

)P VA 用量(D )/m L 煅烧温度

(E )/℃1302.2:1 1.026002352.4:1 1.236503402.7:1 1.347004

3.0:1

1.5

800

70矿　冶　工　程第26卷

表2　正交实验及其极差分析结果

实验号

因素A 因素B 因素C 因素D 因素E M g O 纯度/%11111199.0821222296.4231333398.2641444497.4652123498.7062214398.2172341299.4582432196.9693134296.44103243196.0711*******.80123421397.60134142399.70144231496.27154324197.48164413296.86

K 1391.22392.92388.95392.4387.59K 2392.32386.97389.2389.88387.97K 3388.91386.56393.03388.89393.77K 4388.31386.88392.68389.57388.23k 198.7898.7598.3499.1598.07k 299.2198.0398.6598.4598.34k 398.15.97.8698.9698.3199.03k 498.0698.1297.9698.5898.54R 1.150.89 1.000.840.96优水平

C 3

2.3　样品表征

2.3.1　XRD 表征　图7为最佳条件下所制备样品的XRD 图,与标准卡对比,结果表明了所制备的样品为

氧化镁,并且结晶良好

。

图7　样品XRD 图2.3.2　TE M 表征　较优水平组合下的最佳条件下所

制备产物的电镜分析如图8所示(放大12万倍)。由图8可以看出,所制备的氧化镁样品粒径分布窄、分散

性良好,其平均粒径为15n m 。

图8　样品TEM 效果图

3　结论

以M g C l 2 6H 2O 溶液作为金属盐溶液,聚乙烯醇为分散剂,采用氨水沉淀法制备氢氧化镁,经煅烧得高纯纳米氧化镁。单因子实验与正交实验表明,在沉淀反应时间为25m in ,氢氧化镁煅烧时间3h 时,沉淀反

应与煅烧制备高纯氧化镁的最佳工艺条件为:反应温度35℃,原料摩尔比2.2∶1,M g 2+

摩尔浓度1.3m o l /L ,分散剂用量为2mL ,煅烧温度700℃。在此条件下,反应最终产物氧化镁的纯度达到了99%以上,满足了高纯氧化镁的要求。XRD 分析表明,产品结晶良好。TE M 分析表明,样品粒径分布窄、分散性好,其平均粒径为15nm 。该工艺简单,产品质量稳定,适宜于工业化生产,有很大的发展前景。参考文献:

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