水溶液法制備氧化鎂晶須的工藝研究

茅 琦，趙伶俐，周琪權，戴衛東

（淮海工學院化學工程學院，江蘇 連云港 222005）

水溶液法制備氧化鎂晶須的工藝研究

茅 琦，趙伶俐，周琪權，戴衛東

（淮海工學院化學工程學院，江蘇 連云港 222005）

為了促進氧化鎂晶須的規?；a與工業應用，采用前驅物煅燒法制備了氧化鎂晶須。首先以硫酸鎂和氨水為原料合成了前驅體堿式硫酸鎂晶須，接著將堿式硫酸鎂焙燒成氧化鎂晶須。探討了各個工藝條件對產物的影響，探索出最佳的工藝條件為:硫酸鎂溶液的濃度為2mol·L-1，水熱反應溫度160℃，水熱反應時間20h。在此條件下制得了前驅物堿式硫酸鎂晶須，將堿式硫酸鎂晶須焙燒，控制升溫速率在5℃·min-1，采取分段升溫方式升溫至1000℃，灼燒時間6h，即可制得氧化鎂晶須。所得的氧化鎂晶須表面光滑，直徑分布均勻，結晶良好，產率達80%以上。

氨水;堿式硫酸鎂;燒結;氧化鎂晶須;工藝條件

無機鹽晶須是一種細微短纖維的針狀單晶體材料，其直徑為零點幾至幾個微米，長度為幾微米至數百微米。由于晶體結構十分完整，強度和模量接近晶體材料的理論值，當其用作塑料、金屬和陶瓷等物質的增強和改性材料時，顯示出極佳的物理化學性質和優異的機械性能，從而得到國內外材料界的廣泛重視[1]。氧化鎂晶須具有熔點高（3123K）、強度大和彈性模量高等優點，制備工藝和設備簡單，且成本低，很適合作為多種復合材料的強化或補強材料，被認為是極有發展前途的無機鹽晶須材料[2]。本文以硫酸鎂和氨水為原料，通過水熱反應制得前驅體堿式硫酸鎂晶須，再通過控制堿式硫酸鎂晶須的分解條件和高溫焙燒條件得到氧化鎂晶須，主要探索制備氧化鎂晶須的工藝條件，為氧化鎂晶須的產業化提供合理的工藝參數。

1 實驗部分

1．1 主要試劑與儀器

硫酸鎂（MgSO4·7H2O，分析純），氨水（4 mol·L－1，分析純）。

SK2-1-12H智能升溫回轉式管式電阻爐，KDM型控溫電熱套，S-8401型定時電動攪拌器，BS210S型電子秤，DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱。

1．2 實驗方法

把硫酸鎂配制成2 mol·L－1的溶液，在室溫和適當攪拌的條件下將20mL氨水緩慢滴入20mL硫酸鎂溶液中[3～5]，滴加完成繼續攪拌約30min左右，在160℃條件下進行水熱反應20h，然后冷卻至室溫陳化30h，經過濾、蒸餾水洗滌數次，放入烘箱中在80℃條件下干燥4h，即可得到前驅體堿式硫酸鎂晶須[經成分分析[6]其分子式為MgSO4·5Mg（OH）2·3H2O]，稱量其質量，計算產率。

將堿式硫酸鎂晶須置于坩堝中，并均勻平鋪，然后置于配備智能控溫系統的管式電阻爐內進行分解和煅燒，按照5℃·min－1的升溫速率緩慢升溫至1000℃，煅燒6h，然后讓其緩慢冷卻至室溫即可得到高長徑比的氧化鎂晶須[7]，稱量其質量，計算產率。

2 結果與討論

2．1 硫酸鎂溶液濃度對前驅體的影響

氨水濃度為 4mol·L-1，n （MgSO4）∶n （NH3）＝1∶2，水熱反應溫度160℃，水熱反應時間 20h，室溫下陳化 30h， 分別配制濃度為 1、2、3、4 mol·L－1的硫酸鎂溶液進行實驗，結果如圖1所示。

由圖1可看出，隨著硫酸鎂溶液濃度的增大，堿式硫酸鎂晶須開始增加較快，隨后逐漸減慢。且當濃度很低時，產物基本為顆粒狀，幾乎沒有晶須生成，晶須中還會含有其他固體相;隨著濃度的適當增加，可以獲得表面比較光滑、分散均勻、長徑比高的晶須;當濃度進一步增大時，雖然仍有晶須生成，但晶須形態變得細小不規則，且發生明顯的聚集直至形成晶須團聚體;當原料液濃度達到4 mol·L－1時，只獲得大量的細小粒子，看不到晶須的生成。實驗結果表明，適宜的硫酸鎂溶液濃度為 2 mol·L－1左右。

2．2 水熱反應溫度對前驅物的影響

硫酸鎂溶液濃度為2 mol·L－1，氨水濃度為4 mol·L－1，按 n （MgSO4）∶n （NH3）＝1∶2，水熱反應時間20h，分別在 120、140、160、180、200℃的溫度下進行水熱反應，結果如圖2所示。

由圖2可看出，隨著水熱反應溫度的升高，開始產物逐漸增多，但當達到一定反應溫度后再升高溫度產率卻有所降低，原因是開始升高溫度使反應速度逐漸增大并趨于完全，但隨著溫度的進一步升高，產物的溶解度增大，同時操作難度也加大。同時隨著溫度的升高，晶須的長徑比也有所增大，聚集度會降低，所以應選擇適當高的溫度進行水熱反應，本實驗采用的水熱反應溫度為160℃。

2．3 水熱反應時間對前驅體的影響

在硫酸鎂溶液濃度為2 mol·L－1，氨水濃度為4 mol·L－1，按 n （MgSO4）∶n（NH3）＝1∶2，水熱反應溫度 160℃，分別使反應液反應 10、20、30、40h，結果如圖3所示。

由圖3可看出，隨著水熱反應時間的增加，開始晶須增加較快，原因是時間短水熱晶化過程沒有進行完全，但當反應達到一定時間后晶須幾乎不再增加，且水熱反應時間長還會發現有部分晶須出現破碎分解現象，同時從生產成本考慮，應選擇的適宜水熱反應時間是20h左右。

2．4 煅燒溫度對氧化鎂晶須的影響

在硫酸鎂溶液濃度為 2mol·L－1，氨水為 4mol·L－1，按 n （MgSO4）∶n （NH3）＝1∶2，水熱反應 溫度160℃，水熱反應時間20h，分別取一定量的堿式硫酸鎂晶須將其緩慢升溫至 800、900、1000、1100℃進行煅燒 6h（開始的升溫速率為 5℃·min－1），結果如圖4所示。

由圖4可看出，隨著煅燒溫度的升高，開始晶須增加較快，但當達到一定溫度后，產率基本不變，原因是溫度低時不能有效地使堿式硫酸鎂分解轉化為氧化鎂晶須，煅燒不完全，當達到一定溫度后，在一定時間內產物已煅燒完全，同時煅燒溫度太高前驅物分解速度太快而會破壞晶須外形，且晶須易團聚，直徑增大，因此適宜的煅燒溫度是1000℃。

2．5 煅燒時間對氧化鎂晶須的影響

硫酸鎂溶液濃度為 2mol·L－1，氨水為 4mol·L－1，按 n（MgSO4）∶n （NH3）＝1∶2，水熱反應溫度 160℃，水熱反應時間20h，在煅燒溫度為1000℃（開始升溫速率為5℃·min－1），分別將一定量的堿式硫酸鎂晶須煅燒 4、5、6、7、8h，結果如圖 5 所示。

從圖5可看出，隨著煅燒時間的增加，開始晶須增加較快，原因是開始煅燒不完全，晶須中仍含有較多的堿式硫酸鎂晶須，但當達到一定時間后，產率基本保持不變，同時煅燒時間太長也會破壞晶須外形，對生產也不利，所以適宜的煅燒時間應控制在6h左右。

3 結論

以硫酸鎂為原料，通過滴加氨水生成前驅物堿式硫酸鎂晶須，產率可達85%以上，然后采用高溫燒結法制備氧化鎂晶須，得到的氧化鎂晶須表面光滑、分散性好、長徑比大，其產率可達80%以上。詳細考察了硫酸鎂溶液濃度、水熱反應溫度、水熱反應時間、煅燒溫度、煅燒溫度等對氧化鎂晶須產率的影響，得到晶須最大產率的最優條件為:在制備前驅物堿式硫酸鎂晶須時，硫酸鎂溶液濃度為 2 mol·L－1，水熱反應溫度為 160℃，水熱反應時間為20h;在將堿式硫酸鎂晶須進行煅燒時，嚴格控制升溫速率不超過5℃·min-1，升溫至1000℃進行煅燒，煅燒時間為6h。本文的氧化鎂制備具有工藝簡單、成本低廉、反應容易控制等優點，且易于進一步工業放大，對于實現氧化鎂晶須的工業化生產具有一定的現實指導意義。

[1] Zhanel G G，Walters M，Noreddin，et al．The ketolides:A critical review[J]．Drugs，2002，62（12）:1771-1804．

[2] 楊道媛，郭新榮，張海軍，等．MgO晶須的物相組成和微觀形貌多樣性[J]．人工晶體學報，2004，33（2）:167-169．

[3] 王在華，馮剛，孫慶國，等．堿式氯化鎂和氧化鎂晶須的制備與表征[J]．鹽湖研究，2007，15（4）:40-44．

[4] 彌勇，陳建銘，宋云華．制備條件對生成堿式硫酸鎂晶須的影響[J]．化工礦物與加工，2007，36（4）:412-415．

[5] 薛冬峰，鄒龍江，閆小星，等．氧化鎂晶須制備及影響因素考查[J]．大連理工大學學報，2007，47（4）:488-493．

[6] 王在華，孫慶國．以活性氧化鎂和氯化鎂為原料合成氧化鎂晶須[J]．無機鹽工業，2006，38（12）:26-28．

[7] 彭龍貴，王曉剛，楊曉鳳，等．β－型碳化硅晶須與顆粒的制備及特性表征[J]．礦冶工程，2006 （6）:639-642．

Preparation Technology of Magnesium Oxide Whishers by Aqueous Solution Method

MAOQi，ZHAOLing-li，ZHOUQi-quan，DAIWei-dong
（Department of Chemical Engineering，Huaihai Institute of Technology，Lianyungang 222005，China）

To promote the scale-up production and industrial application of magnesium oxide（MgO）whiskers，MgO whiskers were prepared by the calcination method of the precursors．The preparation process consisted of the synthesis of a precursor called basis magnesium sulfate whiskers， followed by the heat treatment of the synthesized whiskers．The precursor whiskers were prepared with MgSO4and NH3·H2O as raw materis ls．The influence of each condition to the products was discussed and the best conditions were found as followed:the magnesium sulfate solution concentration was2mol／L，the hydrothermal synthesis temperature was160℃，the hydrothermal synthesis time was20h．Under the conditions the basic magnesium sulfate whiskers were prepared．Then the basic magnesium sulfate whiskers were calcinatedunder the speed of elevated temperature in5℃ ／min until the temperature to1000℃by separate steps，the calcination time was6h，then the magnesium oxide whishers were prepared．MgO whiskers obtained were possessed of smooth surface，uniform size distribution，well crystalline and its productivity could reach to80%．

ammonia water;basis magnesium sulfate;sintering;magnesium oxide whishers;technology condition

TQ 132.2

A

1671-9905（2011）08-0025-03

茅琦（1988-），女，本科生，專業是化學工程與工藝

2011-04-08