表面活性劑對氫氧化鎂制備的影響

劉有智，馮霞，申紅艷，白俊紅，薛阿強

（中北大學山西省超重力化工工程技術研究中心，山西太原 030051）

表面活性劑對氫氧化鎂制備的影響

劉有智，馮霞，申紅艷，白俊紅，薛阿強

（中北大學山西省超重力化工工程技術研究中心，山西太原 030051）

采用了六水氯化鎂-氫氧化鈉直接沉淀法制備納米氫氧化鎂。主要研究了硬脂酸、硬脂酸鈉、鈦酸丁酯和葡萄糖等作為表面活性劑，單獨使用和復配使用對氫氧化鎂沉降速率和過濾速率的影響。實驗結果表明：在反應溫度為60℃，攪拌時間為0.5 h，攪拌速度為200 r/min，在反應溶液中添加表面活性劑后，氫氧化鎂沉降速率和過濾速率顯著提高；適宜的表面活性劑為陰離子表面活性劑、復配表面活性劑。本實驗為改善氫氧化鎂的過濾和沉降性能提供了理論基礎。

表面活性劑；氫氧化鎂；過濾速率；沉降速率

氫氧化鎂是現(xiàn)代工業(yè)中十分重要的化工原材料和添加品，可用作塑料、纖維等高分子材料的阻燃劑［1］，酸性廢水中和劑、重金屬脫除劑、煙氣脫硫劑或燃煤固硫劑［2］，保鮮劑和食品添加劑［3］，催化劑載體、電子載體、化妝品和醫(yī)藥制劑的添加材料等［4-5］。氫氧化鎂粉體的改性方法按操作工藝可分為干法、濕法和在線改性。微膠囊化改性氫氧化鎂是近年來發(fā)展的新方向，受到諸多學者的重視［6］。目前，對沉鎂工藝的研究主要是以顆粒粒徑均勻分布、分散性良好為指標進行工藝優(yōu)化，有關沉鎂過程中顆粒沉降、過濾特點和規(guī)律［7-9］等機制目前報道較少。加強沉鎂過程機理的研究，找出顆粒沉降、過濾的特點及規(guī)律不僅有助于從微觀方面深入研究沉鎂過程，提高顆粒沉降速率和過濾速率，還有助于實現(xiàn)整個沉鎂過程的精確控制和連續(xù)化操作，降低工業(yè)生產(chǎn)成本。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器設備

MgCl2·6H2O、NaOH，分析純；無水乙醇，分析純；硬脂酸（分析純）、硬脂酸鈉（分析純）、鈦酸丁酯、葡萄糖（分析純）。

HH-S數(shù)顯恒溫水浴鍋，JJ-1精密增力電動攪拌器，SHZ-3循環(huán)水真空泵，電子天平，DHG-3電熱恒溫鼓風干燥箱，滴液漏斗，三口燒瓶，溫度計，量筒（20 mL）。

1.2 實驗方法

在一定溫度下，將一定量的表面活性劑加入置有MgCl2·6H2O溶液的三口燒瓶中，開啟電動攪拌，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為200 r/min，待溶液混合均勻后，打開恒壓滴液漏斗旋塞，按3.3 mL/min的滴加速度滴加堿液，滴加結束后，在該溫度下繼續(xù)攪拌0.5 h，取出一部分置于有刻度的試管中靜置，觀察并記錄其沉降速率，其余冷卻，真空過濾，并計算過濾速率，用無水乙醇和去離子水洗滌數(shù)次，在240℃下煅燒6 h，得到產(chǎn)品。

1.3 檢測方法

沉降速率測定：將反應后的晶漿置于帶有刻度的試管中，每間隔一定時間讀取上清液高度，從而得出沉降速率；

過濾速率測定：恒定過濾面積上對懸浮液進行真空恒壓抽濾，記錄過濾所需要的時間t，濾液量V，從而計算出過濾速率q，q=V/t［10］。

2 結果與討論

2.1 表面改性劑對過濾速率的影響

首先對表面活性劑的選取進行研究，試用硬脂酸、硬脂酸鈉、鈦酸丁酯和葡萄糖4種表面活性劑，以蒸餾水作為對比，測定單獨使用時對過濾速率的影響，結果見圖1。從圖1可以看出，鈦酸丁酯對氫氧化鎂過濾速率的影響最大，在加入量為氯化鎂質(zhì)量的2.0%時過濾速率最快，為0.372 mL/s。硬脂酸鈉對氫氧化鎂的過濾速率影響最小，過濾速率最大值為0.297 mL/s。隨著添加量的增加，葡萄糖和硬脂酸鈉對過濾速率的影響較平緩，而硬脂酸和鈦酸丁酯對過濾速率的影響較大。硬脂酸、硬脂酸鈉和葡萄糖屬于陰離子表面改性劑，其中的親水基和親油基分別與Mg（OH）2和聚合物發(fā)生相互作用，提高了Mg（OH）2在聚合物中的分散性和相容性。硬脂酸會改變?nèi)芤核釅A性，而偏酸性的環(huán)境不利于氫氧化鎂晶體的生長，且硬脂酸會與部分氫氧化鎂產(chǎn)品發(fā)生反應，形成的懸浮液濃度小所以過濾速率較大。而硬脂酸鈉略顯堿性，Na+的存在又會一定程度地抑制氫氧化鈉的解離，且易吸附在氫氧化鎂晶體表面，使晶體粒徑增大，過濾速率增大不明顯。葡萄糖分子鏈較長，會發(fā)生橋接效應，所以對氫氧化鎂懸浮液的過濾情況改善效果不明顯。鈦酸丁酯屬于鈦酸酯偶聯(lián)劑，會在氫氧化鎂粉體表面形成鈦酸酯單分子膜，使得Mg（OH）2獲得良好的分散性和潤濕性，有效地避免團聚從而使過濾速率得到極大的改善。

圖1 幾種表面改性劑單獨使用時對過濾速率的影響

考慮到表面改性劑復配使用的協(xié)同效應可能會使氫氧化鎂的過濾速率比單獨使用時要大。因此，對硬脂酸鈉與鈦酸丁酯復配對過濾速率的影響與兩種表面改性劑單獨使用時的效果作對比，結果見圖2。在鈦酸丁酯和硬脂酸鈉復配使用時，當加入量很小時，過濾速率就達到最大值，比兩種表面改性劑單獨使用時效果要好很多；之后隨著添加量的增大，過濾速率逐漸減小，但始終比單獨使用硬脂酸鈉效果好。表面改性劑復配使用時的協(xié)同效應使得氫氧化鎂的過濾速率明顯加快。

圖2 表面改性劑復配使用時對過濾速率的影響

2.2 表面改性劑對沉降速率的影響

氫氧化鎂是一種極性很強的無機化合物，表面具有親水性，自然沉降分離很困難，因此，需要添加表面改性劑對其表面進行改性。圖3是幾種表面改性劑單獨使用時對沉降速率的影響。從圖3可以看出，少量硬脂酸對氫氧化鎂沉降速率改善效果非常明顯，而硬脂酸鈉、鈦酸丁酯和葡萄糖則不能很明顯地改善沉降分離緩慢的現(xiàn)象。由于硬脂酸呈弱酸性，可使部分已形成的氫氧化鎂產(chǎn)品發(fā)生反應，從而影響產(chǎn)品的產(chǎn)率，所以工業(yè)生產(chǎn)中不宜選取硬脂酸等酸性物質(zhì)為表面改性劑。

圖3 幾種表面改性劑單獨使用時對沉降速率的影響

硬脂酸鈉不會改變?nèi)芤旱乃釅A性，鈦酸丁酯也可以加快氫氧化鎂的沉降速率?？疾煊仓徕c和鈦酸丁酯復配對沉降速率的影響情況，并且與兩種表面改性劑單獨使用的效果進行對比，結果見圖4。從圖4可以看出，復配改性劑添加量較小（≤1.0%）時，改性效果較好；隨著硬脂酸鈉添加量的增大，沉降速率逐漸增大；鈦酸丁酯添加量越大，氫氧化鎂沉降速率越大。但是由于鈦酸丁酯為黏稠狀油性物質(zhì)，且極易潮解，造成添加量較小，很難保證添加量的精準；欲達到較好的阻燃效果，需要較大的添加量，這樣就會大大降低材料的機械物理性能，并且在有機聚合物基體中的分散、相容性差，影響有機聚合物的外觀和加工性能。由此可見，添加量較小時，復配表面活性劑對沉降速率的影響最大，效果最佳。

圖4 表面改性劑復配使用時對沉降速率的影響

3 結論

1）表面改性劑對氫氧化鎂過濾速率改善效果為：硬脂酸和鈦酸丁酯對過濾速率的影響最明顯，添加鈦酸丁酯后過濾速率最快為0.372 mL/s。葡萄糖和硬脂酸鈉對過濾速率的影響較平緩。2）表面改性劑對氫氧化鎂沉降分離速率改善效果為：少量硬脂酸可明顯加快氫氧化鎂沉降速率，而硬脂酸鈉、鈦酸丁酯和葡萄糖則對其沉降速率影響不很明顯。3）無表面活性劑時過濾速率極其緩慢，幾乎不沉降；單獨表面改性劑對氫氧化鎂改性效果不如偶聯(lián)劑好，但是要綜合考慮產(chǎn)率、與聚合物材料的相容性和機械性能等因素，可選用陰離子表面活性劑或偶聯(lián)劑及其復配表面活性劑。

［1］王宏偉，王琳.氫氧化鎂阻燃劑的開發(fā)與應用［J］.河南教育學院學報，2001，10（4）：34-36.

［2］孫永明.菱鎂礦煅燒氧化鎂水化制備高純超細氫氧化鎂［D］.南京：南京工業(yè)大學，2005：7-9.

［3］李克民，張莉.氨法制取氫氧化鎂阻燃劑實驗報告［J］.無機鹽工業(yè)，2001，33（2）：14-16.

［4］Gui Hua，Zhang Xiaohong，Dong Weifu，et al.Flame retardant synergism of rubber and Mg（OH）2in EVA composites［J］.Polymer，2007，48（9）：2537-2541.

［5］孫海霞，陳建軍.氫氧化鎂阻燃劑發(fā)展狀況及前景預測［J］.海湖鹽與化工，2005，19（1）：83-85.

［6］許端平，郭寶義，張華．阻燃用氫氧化鎂微膠囊技術與應用［J］.礦業(yè)快報，2004（4）：29-31.

［7］Lv Xiaotang，Hari-Bala，Li Minggang，et al．In situ synthesis of nanolamellas of hydrophobic magnesium hydroxide［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochem.Eng.Aspects，2007，296（1/2/3）：97-103.

［8］趙盼盼．氫氧化鎂結晶過程研究［D］.上海：華東理工大學，2012：8-10.

［9］Gul B S，Mohammad F.Modification of polyethylene and incorporation of filler for effective reinforce of mecanical and better flame retardant of properties［J］.Journal of Applied Polymer Science，2006，99（4）：1928-1933.

［10］夏清，陳常貴.化工原理（修訂版）（上冊）［M］.天津：天津大學出版社，2005：174-184.

聯(lián)系方式：18734917669@126.com

Effects of surfactants on preparation of magnesium hydroxide

Liu Youzhi，F(xiàn)eng Xia，Shen Hongyan，Bai Junhong，Xue Aqiang
（Research Center of Shanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Nanometer Mg（OH）2was prepared by direct precipitation via MgCl2·6H2O-NaOH.The influences of single or compound surfactants，such as stearic acid，sodium stearate，butyl titanate，and glucose，on the sedimentation rate and filtration rate of Mg（OH）2were mainly studied.Experimental results indicate，under the conditions of reaction temperature of 60℃，the stirring time of 0.5 h，the stirring rate of 200 r/min，and in the presence of surfactant，sedimentation rate and filtration rate of Mg（OH）2increased obviously.Appropriate surfactants are anion and compound surfactants.This study provides a theoretical foundation for improving the sedimentation and filtration performance of Mg（OH）2.

surfactant；magnesium hydroxide；filtration rate；settlement rate

TQ132.2

A

1006-4990（2013）07-0028-03

2013-01-15

劉有智（1958—），男，工學博士，博士生導師，教授，長期從事超重力技術基礎理論應用研究和無機膜技術研究，已發(fā)表論文100多篇。