氫氧化鎂納米棒的制備和表征

王寶和，云利娜

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧大連 116012）

氫氧化鎂納米棒的制備和表征

王寶和，云利娜

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧大連 116012）

以堿式氯化鎂納米棒為前驅(qū)物，采用沉淀轉(zhuǎn)化法制備出直徑100～200 nm，長約6 μm的氫氧化鎂單晶納米棒。通過X－射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和選區(qū)電子衍射（SAED）對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征與檢測，研究了溶劑、沉淀轉(zhuǎn)化劑類型、氫氧化鈉溶液初始濃度、反應(yīng)物物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間等制備工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)物形貌的影響，獲得的最佳制備工藝條件為：溶劑為乙醇，沉淀轉(zhuǎn)化劑為氫氧化鈉，氫氧化鈉溶液初始濃度為2 mol/L，氫氧化鈉與堿式氯化鎂的物質(zhì)的量比為2∶1，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間為1 h。

氫氧化鎂；納米棒；制備；表征；形貌

Abstract：Magnesium hydroxide single crystal nanorods with diameter of about 100～200 nm and length of about 6 μm are prepared by precipitation conversion method，using basic magnesium chloride nanorods as precursor and sodium hydroxide as precipitation conversion agent.The obtained products are characterized by X－ray diffraction（XRD），scanning electron microscopy（SEM）and selected－area electron diffraction（SAED）.Effects of preparation parameters on the morphology of magnesium hydroxide nanorods are investigated.The result shows that the optimum conditions to prepare magnesium hydroxide nanorods are as follows：solvent of ethanol，precipitation conversion agent of sodium hydroxide，initial concentration of sodium hydroxide solution is 2 mol/L，molar ratio of sodium hydroxide to basic magnesium chloride is 2∶1，reaction temperature is 60℃，reaction time is 1 h.

Key words：magnesium hydroxide；nanorods；preparation；characterization；morphology

氫氧化鎂是一種市場潛力巨大的環(huán)境友好型聚合物阻燃劑。據(jù)報(bào)道，納米級(jí)的氫氧化鎂，尤其是一維納米結(jié)構(gòu)（包括納米棒、納米線、納米晶須等）的氫氧化鎂阻燃劑具有更優(yōu)異的性能，不僅使填充量下降，還能提高聚合物材料的抗彎強(qiáng)度和延伸率等機(jī)械性能；納米氫氧化鎂也是制備納米氧化鎂的前驅(qū)體。氫氧化鎂納米棒的制備方法主要有沉淀法、水（或溶劑）熱法等［1－2］。本文擬以堿式氯化鎂納米棒為前驅(qū)物，采用沉淀轉(zhuǎn)化法制備氫氧化鎂納米棒，探討溶劑、沉淀轉(zhuǎn)化劑類型、氫氧化鈉溶液初始濃度、反應(yīng)物物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間等制備工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)物形貌的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

試劑：六水氯化鎂（MgCl2·6H2O，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心），輕質(zhì)氧化鎂（MgO，北京北化精細(xì)化工產(chǎn)品有限公司），無水乙醇（C2H5OH，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心），氨水（NH4OH，中國醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑廠），氫氧化鈉（NaOH，沈陽市試劑三廠），以上試劑均為分析純。

儀器：D/Max2400全自動(dòng)X－射線衍射儀，日本理學(xué)電機(jī)株式會(huì)社；KYKY－2800B掃描電子顯微鏡，北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司；JEM－1200EX透射電子顯微鏡，日本JEOL公司。

1.2 樣品的制備

采用沉淀轉(zhuǎn)化法制備氫氧化鎂納米棒的實(shí)驗(yàn)步驟：①以六水氯化鎂和輕質(zhì)氧化鎂為原料，制備出堿式氯化鎂納米棒（詳見文獻(xiàn)［3］）；②在水浴加熱并攪拌的條件下，將前驅(qū)物堿式氯化鎂納米棒加入到反應(yīng)溶劑中，在一定溫度常壓下反應(yīng)一定時(shí)間后停止攪拌；將反應(yīng)體系在室溫下陳化14 h得到氫氧化鎂沉淀；③將1 g沉淀物用50 mL去離子水洗滌、過濾；再將1 g沉淀物用20 mL無水乙醇洗滌、過濾，以除去Na+、Cl－等雜質(zhì)；④將洗滌過濾得到的沉淀物在烘箱中干燥（80℃，3 h）得到白色的氫氧化鎂納米棒晶體。

1.3 樣品的分析與表征

利用掃描電子顯微鏡（SEM）、選區(qū)電子衍射（SAED）和X射線衍射（XRD）對(duì)制備出的產(chǎn)物氫氧化鎂納米棒進(jìn)行分析表征。

2 結(jié)果與討論

影響氫氧化鎂納米棒形貌的制備工藝參數(shù)主要有：沉淀轉(zhuǎn)化劑類型、氫氧化鈉溶液初始濃度、反應(yīng)物物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及溶劑等。

2.1 沉淀轉(zhuǎn)化劑類型對(duì)產(chǎn)物形貌的影響

當(dāng)采用乙醇與水的體積比為3∶1的溶液為溶劑，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h，分別用初始濃度25%的濃氨水（氨與堿式氯化鎂的物質(zhì)的量比為71∶1）和1 mol/L氫氧化鈉（氫氧化鈉與堿式氯化鎂的物質(zhì)的量比為5.3∶1）為沉淀轉(zhuǎn)化劑時(shí)，產(chǎn)物的SEM結(jié)果如圖1所示。可見，用氫氧化鈉為沉淀轉(zhuǎn)化劑比氨水更易形成氫氧化鎂納米棒。

圖1 沉淀轉(zhuǎn)化劑類型對(duì)產(chǎn)物形貌的影響

2.2 氫氧化鈉溶液初始濃度對(duì)產(chǎn)物形貌的影響

當(dāng)采用乙醇與水的體積比為3∶1的溶液為溶劑，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h，氫氧化鈉與堿式氯化鎂物質(zhì)的量比為5.3∶1，氫氧化鈉溶液的初始濃度分別為0.01、0.1、1和2 mol/L時(shí)，產(chǎn)物的SEM結(jié)果如圖2所示。可見，當(dāng)氫氧化鈉溶液的初始濃度為0.01 mol/L時(shí)，大部分為不規(guī)則片狀產(chǎn)物，只有少量棒狀產(chǎn)物存在；當(dāng)氫氧化鈉溶液濃度初始增加至0.1 mol/L時(shí)，基本上是棒狀產(chǎn)物，但仍有不規(guī)則小碎片存在；當(dāng)氫氧化鈉溶液初始濃度增加到1 mol/L時(shí)，棒的直徑?jīng)]有明顯變化，長度增加到約8 μm；當(dāng)氫氧化鈉溶液初始濃度為2 mol/L時(shí)，直徑?jīng)]有明顯變化，長度增加到10 μm以上，且形貌外觀良好。

圖2 氫氧化鈉溶液初始濃度對(duì)產(chǎn)物形貌的影響

2.3 反應(yīng)物物質(zhì)的量比對(duì)產(chǎn)物形貌的影響

當(dāng)采用乙醇與水的體積比為3∶1的溶液為溶劑，氫氧化鈉溶液初始濃度為1 mol/L，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h，氫氧化鈉與堿式氯化鎂的物質(zhì)的量分別為2∶1、4∶1、5.3∶1和7∶1時(shí)，產(chǎn)物的SEM結(jié)果如圖3所示?？梢姡姆N情況都可以得到氫氧化鎂納米棒，但隨著堿過量程度的增加，棒的直徑?jīng)]有明顯變化，但長度有所減小。當(dāng)氫氧化鈉與堿式氯化鎂的物質(zhì)的量比為2∶1時(shí)，產(chǎn)物形貌良好，直徑為300～400 nm，長度約10 μm。

圖3 反應(yīng)物物質(zhì)的量比對(duì)產(chǎn)物形貌的影響

2.4 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物形貌的影響

當(dāng)采用乙醇與水的體積比為3∶1的溶液為溶劑，氫氧化鈉與堿式氯化鎂的物質(zhì)的量比為5.3∶1，氫氧化鈉溶液初始濃度為1 mol/L，反應(yīng)時(shí)間為2 h，反應(yīng)溫度分別為26、45、60和80℃時(shí)，產(chǎn)物的SEM結(jié)果如圖4所示。可見，當(dāng)反應(yīng)溫度在26℃時(shí)，基本為不規(guī)則片狀產(chǎn)物，只有少量棒狀產(chǎn)物存在；當(dāng)反應(yīng)溫度為45、60和80℃時(shí)，都可得到直徑300～400 nm的棒狀氫氧化鎂，但60℃時(shí)的產(chǎn)物長度稍長。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物形貌的影響

2.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物形貌的影響

當(dāng)采用乙醇與水的體積比為3∶1的溶液為溶劑，氫氧化鈉與堿式氯化鎂物質(zhì)的量比為5.3∶1，氫氧化鈉溶液初始濃度1 mol/L，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間分別為1、2、4和6 h時(shí)，產(chǎn)物的SEM結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為1 h時(shí)，可得到直徑300～400 nm、長度約10 μm的氫氧化鎂納米棒；隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，直徑基本不變，但長度不斷減小，且外表變得比較粗糙。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物形貌的影響

2.6 溶劑對(duì)產(chǎn)物形貌的影響

當(dāng)反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h，氫氧化鈉與堿式氯化鎂物質(zhì)的量比為5.3∶1，氫氧化鈉溶液的初始濃度為2 mol/L，乙醇與水的體積比分別為100%乙醇、3∶1、2∶1、1∶1、100%水時(shí)，產(chǎn)物的SEM照片如圖6所示?？梢钥闯?，當(dāng)溶劑為100%乙醇時(shí)（圖6A），可以得到直徑300～400 nm、長5～10 μm的氫氧化鎂納米棒，產(chǎn)物分散性良好。隨著溶劑中水量的增加，棒的直徑稍有增加，長度有所減小，并伴隨有不規(guī)則的片狀氫氧化鎂出現(xiàn)。

2.7 氫氧化鎂納米棒的最佳制備工藝條件

綜合上述結(jié)果，氫氧化鎂納米棒的最佳制備工藝條件為：反應(yīng)溶劑為乙醇，沉淀轉(zhuǎn)化劑為氫氧化鈉，氫氧化鈉溶液的初始濃度為2 mol/L，氫氧化鈉與堿式氯化鎂的物質(zhì)的量比為2∶1，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間1 h。在此合成條件下，得到直徑約100～200 nm、長約6 μm的氫氧化鎂單晶納米棒，其XRD、SEM及SAED結(jié)果如圖7和下頁圖8所示。

圖7 最佳制備條件下氫氧化鎂納米棒的XRD譜圖

圖8 最佳制備條件下氫氧化鎂納米棒的SEM圖（A）和SAED圖（B）

3 結(jié)論

以堿式氯化鎂納米棒為前驅(qū)物，采用沉淀轉(zhuǎn)化法成功制備出直徑100～200 nm、長約6 μm的氫氧化鎂單晶納米棒。通過實(shí)驗(yàn)考察了沉淀劑類型、氫氧化鈉溶液初始濃度、氫氧化鈉與堿式氯化鎂的物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及溶劑對(duì)產(chǎn)物氫氧化鎂納米棒形貌的影響，得到氫氧化鎂納米棒的最佳制備工藝條件為：反應(yīng)溶劑為乙醇，沉淀轉(zhuǎn)化劑為氫氧化鈉，氫氧化鈉溶液初始濃度為2 mol/L，氫氧化鈉與堿式氯化鎂的物質(zhì)的量比為2∶1，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間為1 h。

［1］云利娜.氫氧化鎂納米棒的制備和干燥動(dòng)力學(xué)研究［D］.大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

［2］鄒積琴，王寶和.氫氧化鎂一維納米材料的制備技術(shù)研究進(jìn)展［J］.河南化工，2008，25（3）：11－13.

［3］呂曉明.堿式氯化鎂納米棒的制備及表面改性研究［D］.大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

Preparation and Characterization of Magnesium Hydroxide Nanorods

WANG Bao－h(huán)e，YUN Li－na
（School of Chemical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116012，China）

TQ132.2

A

1003－3467（2010）21－0035－03

2010－05－11

王寶和（1959－），男，副教授，主要從事氧化鎂等鎂系功能性微納米材料的制備和微納米材料干燥技術(shù)的研究工作，電話：（0411）39893916。