当前，各国塑料的阻燃材料主要是以十溴二苯醚为主，但十溴二苯醚在燃烧时会产生有毒致癌的多溴代二苯并呋喃等物质，而使它遭到一些国家的抵制使用。因此，阻燃材料亦朝向高效、低毒、低烟方向发展。大力发展性能优异的无毒阻燃剂非常必要。作为阻燃剂的无机材料有Mg(OH)2，AL(OH)3，Sb2O3等。 这些无机阻燃剂在合成材料中除有阻燃效果外，还有抑制发烟和氯化氢生产的作用。因为赋予材料无毒性、无腐蚀性，因而得到广泛应用。尤其是氢氧化镁，由于其 优越的阻燃性能及效果而广泛受青睐，它主要用于聚丙烯、聚氯乙烯和树脂等高分子材料的阻燃剂，以及用于含铅废水的处理，是一种环保产品，其市场前景十分广 阔。
试验以工业氯化镁为原料，研究了纳米级氢氧化镁的制备工艺，分析了制备纳米级氢氧化镁阻燃剂的最佳方法和工艺条件，得出了形状和粒度都符合要求的高质量纳米氢氧化镁。
1 试验
1．1试验原料
氨法低温合成氢氧化镁是以工业级氢氧化镁为原料，与沉淀剂氨水（添加表面活性剂）的反应，反应方程式为：
MgCL2+2NH3·H2O 2NH4CL+Mg(OH)2
本文试验用原料氯化镁（六水氯化镁）由湖北某化工企业提供，其主要成分的化学分析结果如表1所示。其它所用试剂为分析纯。
1．2氢氧化镁的阻燃特点
对氢氧化镁的热重分析和差热分析（TGA-DTA，Thennpgravimetric Analysis Differential Thermal Analysis）曲线（图1）的分析可以看出，无毒、阻燃、抑烟热稳定性高的氢氧化镁约在340℃时，开始发生分解反应：
Mg(OH)2 MgO+ H2O_Q，在430℃时分解速度最高，490℃时分解结束，整个热分解过程中仅产生水蒸气和耐火材料MgO，不产生腐蚀性气体，分解吸热量为0.77KJ/g，（44.8KJ/mol）,并具有高的热稳定性和良好的消烟作用，其消烟特性在固体降解区明显优于碳酸钙和氢氧化铝阻燃剂（图2）。
表1氯化镁原料组成
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组分 |
KCL |
NaCL |
MgCL2·6H2O |
CaSO4 |
其他 |
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质量分数/％ |
0.01 |
0.59 |
91.5 |
0.55 |
7.35 |
1．3试验装置及工艺流程
低温氨水合成氢氧化镁的试验装置如图3所示，包括带搅拌器的反应器、恒温水浴氨水容器与低价装置（混有表面活性剂），其中恒温水浴的作用是保持反应器内溶液的温度基本为一定值。试验研究的工艺流程如图4所示，低温合成采用顺加料方式，即氨水以一定的速度加入氯化镁溶液内进行反应。
氨水 表面活性剂
MgCL2水溶液 水热处理 表面处理
干燥分析 过滤洗涤
图4 纳米氢氧化镁工艺流程
2 试验结果与分析
2．1反应温度对氢氧化镁粒径与形貌的影响
当镁离子初始浓度为1.0～1.2mol/L，镁离子与氢氧根离子浓度比为1：1.7，反应时间为60min时，不同温度条件下，氢氧化镁粒径与温度关系如表2所示。反应温度对氢氧化镁粒径的影响如图5所示。由图5可见，随着反应温度升高，氢氧化镁颗粒的粒径增大，温度超过80℃时，颗粒粒径又减小。通过电镜分析发现，随着反应温度的上升其形貌逐渐规则，75℃时粒度分布大小均匀，成片状结构。
表2 氢氧化镁粒径与温度关系
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温度/℃ |
粒径/平均值nm |
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60 |
21 |
|
65 |
26 |
|
70 |
30 |
|
75 |
35 |
|
80 |
31 |
2．2镁离子初始浓度对氢氧化镁粒径与形貌的影响
当镁离子与氢氧根离子浓度比为1：1.7，反应温度70～80℃时，反应时间为60min时，镁离子初始浓度对氢氧化镁粒度的影响如图6所示，试验数据见表3。
表3 初始浓度的影响
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初始浓度/mol/L |
平均粒径/nm |
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0.75 |
45 |
|
0.85 |
39 |
|
0.95 |
37 |
|
1.05 |
35 |
|
1.15 |
30 |
由图6可见，随着溶液中镁离子初始浓度的增加，生成纳米氢氧化镁的粒径逐渐减小，由45nm逐渐减小到30nm。当镁离子初始浓度为1.05mol/L时，可以得35nm左右、片状、粒度大小均匀得纳米级氢氧化镁。
2．3反应时间对氢氧化镁粒径与形貌的影响
当反应温度为70～80℃时，镁离子浓度为1.0～1.2mol/L，Mg2+和OH-的物质质量比为1：1.7时，反应时间对氢氧化镁粒度的影响如图7所示，数据如表4所示。实验结果显示，氯化镁与氨水之间的速度非常快，整个反应可在瞬间完成。随着反应时间的延长，氢氧化镁粒径逐渐减小。但试验和结果表明，反应时间过短，氢氧化镁大部分以无定型的状态存在。要生成晶形完整的氢氧化镁晶体，反应需要一定时间。
表4 反应时间的影响
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反应时间/min |
平均粒径/nm |
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35 |
55 |
|
45 |
43 |
|
55 |
39 |
|
65 |
35 |
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75 |
30 |
2．4表面活性剂对氢氧化镁粒径与形貌的影响
试验中加入表面活性剂的目的是为了改变氢氧化镁粒子的表面性质，有效的降低氢氧化镁粒子团聚的发生，改善氢氧化镁粒子的形貌。试验研究显示，随着表面活性剂浓度的增加，氢氧化镁的粒径有一个先减小后增大的趋势。表明加入的表面活性剂有一个最佳值。实验数据如表5所示，表面活性剂浓度对氢氧化镁粒径的影响见图8。
表5 表面活性剂的影响
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反应浓度/％ |
平均粒径/nm |
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1 |
41 |
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2 |
37 |
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3 |
35 |
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4 |
39 |
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5 |
43 |
通过上述试验，得出纳米氢氧化镁适宜的制备条件是反应温度（70～80℃）、反应时间（60min），镁离子初始浓度（1.0～1.2mol/L），氨水浓度（3.0～3.2mol/L），表面活性剂浓度（3％）以及镁离子与氢氧根离子的浓度比（1：1.7）。上述条件下制备得到的纳米氢氧化镁的电镜照片如图9。
3 结论
采用氨法低温合成纳米氢氧化镁阻燃剂，可以得到如下结论：1）低温条件下，加入表面活性剂能够制备纳米氢氧化镁阻燃剂。合适的工艺条件为：反应温度（70～80℃）、反应时间（60min）、镁离子初始浓度（1.0～1.2mol/L），氨水浓度（3～3.2mol/L），表面活性剂浓度（3％）以及镁离子与氢氧根离子的浓度比（1：1.7）。2）缩短水热法合成氢氧化镁的工艺，降低反应条件。制得的氢氧化镁阻燃剂平均粒径在35nm。【南阳东方应用化工研究所】