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【深涂學(xué)會科普知識】無機(jī)材料—?dú)溲趸V的介紹

一、氫氧化鎂概述

氫氧化鎂是一種高填充量與添加型的無機(jī)阻燃劑與抑煙劑。受熱時(shí)，發(fā)生分解吸收燃燒物表面熱量達(dá)到阻燃作用；同時(shí)，釋放出大量的水分稀釋燃物表面的氧氣，而分解生成的活性氧化鎂會附著在可燃物的表面，進(jìn)一步阻止燃燒的進(jìn)行。在整個(gè)阻燃過程中，氫氧化鎂并沒有產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，而且分解出的產(chǎn)物在阻燃的同時(shí)，還可以大量地吸收塑料、橡膠等高分子燃燒生成的有害氣體與煙霧，是一種新興的的環(huán)保型無機(jī)阻燃劑。

二、化學(xué)性質(zhì)

氫氧化鎂為中強(qiáng)堿（氫氧化鎂溶解度很小，溶液堿性很弱，有時(shí)作為弱堿處理），加熱至623K（350℃）即脫水分解：Mg(OH)2 →MgO+H2O，易溶于酸或銨鹽溶液。與氧化鎂一樣易吸收空氣中的二氧化碳，逐漸形成組成為 5MgO·4CO2·xH2O 的堿式碳酸鹽。在高于350℃時(shí)分解為氧化鎂和水，但只有在1800℃以上才能完全脫水。

氫氧化鎂阻燃劑分解溫度高(340℃～450℃)，熱分解產(chǎn)物為MgO和H₂O，不釋放任何有毒有害物質(zhì)，對環(huán)境和人類健康沒有任何危害，因此，氫氧化鎂阻燃劑成為目前最受關(guān)注的無機(jī)類阻燃劑之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。

三、氫氧化鎂的助燃機(jī)理

氫氧化鎂具有特殊的層狀結(jié)構(gòu)，使其呈現(xiàn)優(yōu)良的觸變性和低表面能，對塑料起良好的阻燃、消煙等作用。氫氧化鎂在340℃開始受熱分解為氧化鎂和水，完全分解時(shí)溫度可高達(dá)490℃，分解時(shí)吸收大量熱能。具體阻燃機(jī)理為：

（1）氫氧化鎂具有較大熱容，在受熱分解時(shí)吸收大量的熱量，同時(shí)釋放出大量水蒸氣，不僅降低了材料表面的溫度，而且可以減少可燃性小分子物質(zhì)的生成。

（2）受熱分解產(chǎn)生大量水蒸氣還可覆蓋材料表面，降低燃燒面空氣中氧濃度，從而妨礙材料的燃燒。

（3）氫氧化鎂受熱分解生成的氧化鎂是一種良好的耐火材料，其不僅能夠覆蓋在材料表面，還能夠促進(jìn)聚合物材料炭化，形成炭化層阻擋熱量和空氣進(jìn)入，從而有效阻止燃燒。

（4）氫氧化鎂具有氧化還原反應(yīng)催化劑作用，能夠促進(jìn)燃燒過程中CO轉(zhuǎn)化為CO₂；分解產(chǎn)生的氧化鎂可中和燃燒過程中產(chǎn)生的SO₂、CO₂及NO₂等，從而減少有毒有害氣體的釋放。

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四、氫氧化鎂阻燃劑的制備

1.物理粉碎法

物理粉碎法是采用機(jī)械或者超聲的方法將天然礦物（多為水鎂石）進(jìn)行粉碎和超細(xì)粉碎，得到所需粒度范圍內(nèi)氫氧化鎂的方法。采用物理粉碎法制備氫氧化鎂雖然工藝簡單、成本較低，但是制備的氫氧化鎂純度較低、粒度分布不均，通常需要采用特殊研磨方式或在研磨過程中添加助磨劑（或分散劑）獲得品質(zhì)較高的氫氧化鎂。因此其在工業(yè)上的應(yīng)用和發(fā)展受到較大限制。

2.化學(xué)固相法

固相法制備氫氧化鎂是將固態(tài)的金屬鹽和金屬氫氧化物按照一定的比例混合，經(jīng)過研磨和煅燒，發(fā)生固相反應(yīng)從而得到氫氧化鎂產(chǎn)物的過程。該方法具有工藝簡單、成本較低等特點(diǎn)，但也存在產(chǎn)品純度較低、易團(tuán)聚、分散性能較差等缺陷，在實(shí)際大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用較少。

3.化學(xué)氣相法

氣相法制備氫氧化鎂是以氨氣作為沉淀劑，將氨氣直接通入含有Mg²⁺的溶液中制備氫氧化鎂。以氣相法制備氫氧化鎂，其品質(zhì)受氨氣流量、攪拌強(qiáng)度及反應(yīng)溫度等因素的影響。通過氣相法制備氫氧化鎂阻燃劑過程中因氨濃度穩(wěn)定，制得的產(chǎn)品具有純度高、粒徑均勻和分散性能較好等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)通入氨氣過程中不引入水分，得到的氫氧化鎂漿濃度高，生產(chǎn)過程中占地面積小，單位設(shè)備產(chǎn)率較高，但是對設(shè)備和技術(shù)的要求較高，也容易產(chǎn)生氨氣擴(kuò)散污染環(huán)境的問題。

4.化學(xué)液相法

液相法制備氫氧化鎂是以鎂鹽為主要原料，將其與含氫氧根離子(OH^-)的堿性物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，生成氫氧化鎂沉淀，再經(jīng)洗滌、干燥等得到制品。液相法可分為直接沉淀法、溶劑熱及水熱法、沉淀-共沸蒸餾法、超聲化學(xué)法及微波輔助法等。

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五、氫氧化鎂阻燃材料應(yīng)用要求

作為阻燃劑的氫氧化鎂有以下幾方面的要求：

（1）必須具有極高的純度(Mg(OH)₂＞93%)，純度高的氫氧化鎂不僅阻燃性能高，而且可以減少其在材料中的添加量。

（2）粒度小，用微納米級氫氧化鎂制備的復(fù)合材料在各方面的性能（包括阻燃效果，消煙和力學(xué)性能等）都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于微米級的氫氧化鎂。

（3）表面極性低，氫氧化鎂表面極性降低時(shí)，團(tuán)聚程度就會降低，分散性和相容性增加，作為阻燃材料添加到聚合物中才能與聚合物具有較好的相容性，降低對材料力學(xué)性能的影響。

六、氫氧化鎂阻燃材料改性原因

目前，市場上生產(chǎn)的氫氧化鎂阻燃劑大多是微米級(d＞5μm)，粒徑分布寬，在應(yīng)用中需大量填充；另外制備的氫氧化鎂產(chǎn)品易團(tuán)聚、疏水性強(qiáng)、與高分子聚合物不兼容。實(shí)際應(yīng)用中氫氧化鎂對高分子聚合物材料的力學(xué)性能造成了嚴(yán)重的損害，極大地限制了氫氧化鎂阻燃劑的應(yīng)用。

通過一定的物理化學(xué)方法獲得表面極性低、親水性強(qiáng)、粒徑小且分布窄、能夠較好地與高分子聚合物兼容的氫氧化鎂阻燃劑成為了當(dāng)前科技工作者研究的熱點(diǎn)。

一方面，使用有機(jī)官能團(tuán)對氫氧化鎂表面改性能夠降低氫氧化鎂表面的極性，提高其與高分子聚合物的兼容性；微納米級的超細(xì)氫氧化鎂填充量低，使用其制備的復(fù)合材料性能良好。

另一方面，同樣質(zhì)量微納米級的氫氧化鎂阻燃性能比微米級氫氧化鎂高幾倍，且對聚合物高分子材料性能影響也較低。極性低的微納米級氫氧化鎂能夠在高分子聚合物材料中均勻分散，使得整個(gè)材料的阻燃性能、力學(xué)性能保持一致。因此，針對氫氧化鎂阻燃劑的表面改性和超細(xì)化能夠解決氫氧化鎂阻燃劑應(yīng)用中存在的缺點(diǎn)。

七、氫氧化鎂的應(yīng)用

氫氧化鎂是塑料、橡膠制品優(yōu)良的阻燃劑。在環(huán)保方面作為煙道氣脫硫劑，可代替燒堿和石灰作為含酸廢水的中和劑。亦用作油品添加劑，起到防腐和脫硫作用。另外，還可用于電子行業(yè)、醫(yī)藥、砂糖的精制，作保溫材料以及制造其他鎂鹽產(chǎn)品。

煙氣脫硫

世界上采用氫氧化鎂排煙脫硫最早的國家為日本和美國，都始于二十世紀(jì)七十年代。在該領(lǐng)域使用的氫氧化鎂，從純度上講是低檔產(chǎn)品，其對純度要求不是很高，一般在85%以上即可，而且都是以料漿狀（含氫氧化鎂35%~50%）形式應(yīng)用。氫氧化鎂法脫硫就是以氫氧化鎂作堿性脫硫劑，把煙氣中的二氧化硫吸收除去。該藥劑可直接添加在鍋爐燃料中，具有操作簡單、成本低廉、脫硫效率高、無固廢排放、不易結(jié)垢的優(yōu)點(diǎn)。其反應(yīng)生成物硫酸鎂作為無害排放水排放，無二次污染。

工業(yè)廢水處理劑

氫氧化鎂是一種弱堿具有緩沖性，無論中和哪種酸類，也不管是否過量，其pH值最高不會超過9，這恰好是美國環(huán)保局“清潔水條例”中允許排放物pH值最高極限。氫氧化鎂比表面積大、吸附力強(qiáng)，易于從工業(yè)廢液中吸附并除去對環(huán)境造成危害的Ni2+、Cd2+、Pb2+、Cr3+等重金屬離子，可單獨(dú)使用也可與石灰、膨潤土等配合使用。氫氧化鎂處理印染廢水時(shí)，主要利用Mg（OH）2帶正電，容易吸附帶負(fù)電的陰離子染料而使染料廢水脫色。該領(lǐng)域使用的氫氧化鎂產(chǎn)品主要為膏狀或漿狀，用量最大的是料漿狀氫氧化鎂。

氧化鎂系列產(chǎn)品前驅(qū)體

氫氧化鎂是重要的無機(jī)化工產(chǎn)品，同時(shí)也是制備高純氧化鎂的中間產(chǎn)物，相當(dāng)一部分氫氧化鎂用于生產(chǎn)各種氧化鎂產(chǎn)品，特別是高純度的系列氧化鎂。

阻燃劑

阻燃劑的工業(yè)化和應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代的美國，而氫氧化鎂作為阻燃劑的早期文獻(xiàn)發(fā)表于1963年，水鎂石作為阻燃劑的第一篇文獻(xiàn)發(fā)表于1980年。氫氧化鎂具有阻燃、抑煙、熱穩(wěn)定性高、無毒等特點(diǎn)，特別適用于填充那些加工溫度高于180℃的高聚物，不僅可以節(jié)約樹脂降低成本，更主要賦予復(fù)合材料阻燃性，所以氫氧化鎂在阻燃劑領(lǐng)域增長很快。國外在大量使用無機(jī)阻燃劑，而我們國內(nèi)在無機(jī)阻燃劑的應(yīng)用與開發(fā)上還處于起步階段。

八、結(jié)語

氫氧化鎂作為阻燃劑具有各方面的優(yōu)異性能，其應(yīng)用范圍將越來越廣泛。并且氫氧化鎂具有價(jià)格便宜的優(yōu)勢，為工廠生產(chǎn)節(jié)約了成本。通過輕燒鎂粉制備氫氧化鎂，提高了產(chǎn)品的附加值，實(shí)現(xiàn)了資源的有效利用，能有效增強(qiáng)企業(yè)在市場經(jīng)濟(jì)中的競爭能力。

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