專利名稱：一種納米氫氧化鎂阻燃材料制備新工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及納米氫氧化鎂材料的制備新工藝。
背景技術(shù)：
氫氧化鎂粉體材料是無機、抑煙、無毒阻燃劑，在高聚物阻燃領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，適用于聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、三元乙丙橡膠及不飽和聚酯等高分子材料的阻燃和消煙。氫氧化鎂作為一種無機阻燃劑，具有熱穩(wěn)定性好、無毒、不揮發(fā)、不產(chǎn)生腐蝕性氣體、發(fā)煙量少、不產(chǎn)生二次污染等特點，是低鹵、無鹵阻燃體系的主要品種。
隨著高分子材料工業(yè)應(yīng)用的飛速發(fā)展，市場對無機阻燃劑需求量越來越大，現(xiàn)銷售量最大的是氫氧化鋁，但氫氧化鎂與它相比具有熱穩(wěn)定性高、高效、可促進基材成炭、強除酸能力、成本較低、白度較好等項優(yōu)點，因此在阻燃劑市場上有取代氫氧化鋁的趨勢，市場前景非?？捎^。
但是普通氫氧化鎂在達到阻燃份額時，因為其顆粒粒度較大，使得高分子材料力學(xué)性能降低太大，所以當氫氧化鎂添加量增加時，為了更好的發(fā)揮其阻燃效果，并盡量減少對高分子材料力學(xué)性能的影響，氫氧化鎂粉體的超細化是發(fā)展方向。
氫氧化鎂合成有氣相法、金屬醇鹽法和直接沉淀法。氣相法對設(shè)備及技術(shù)要求高且產(chǎn)量少；金屬醇鹽法原料成本高、工藝復(fù)雜；直接沉淀法操作簡便，原料易得，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)物純度高，是一種易于工業(yè)化的合成方法。
傳統(tǒng)的直接沉淀法是在含有一種或多種離子的可溶性鹽溶液中加入沉淀劑，在一定條件下生成沉淀從母液中析出，因此，一般氫氧化鎂制備工藝是先將一定濃度的鎂鹽溶液置于攪拌槽反應(yīng)器中，在一定溫度下和充分攪拌條件下滴加適量的沉淀劑NH3·H2O，待反應(yīng)完全后過濾、洗滌至無氯離子，氫氧化鎂沉淀經(jīng)干燥脫去吸附水后過篩，最終得到氫氧化鎂的粉體。
但是，一般氫氧化鎂制備工藝也有很多缺點在工藝流程上有生產(chǎn)流程較長、熱處理時間長、生產(chǎn)產(chǎn)量小、反應(yīng)溫度條件較高、能耗大、投資大；產(chǎn)品質(zhì)量上有顆粒粒徑大且分布不均勻，制備中難以控制形狀等缺點，因此傳統(tǒng)工藝所生產(chǎn)的氫氧化鎂粉體往往達不到現(xiàn)代高分子材料工業(yè)對無機阻燃機的要求。
本發(fā)明的目的就是為了解決直接沉淀法這一傳統(tǒng)工藝流程復(fù)雜、能耗高、顆粒粒徑大、粒度分布不均勻、形狀難以控制的缺點，而提出的一種在全新的、可以大大強化傳質(zhì)、強化微觀混合的旋轉(zhuǎn)填充床(超重力)反應(yīng)器基礎(chǔ)上的新的生產(chǎn)工藝方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要內(nèi)容反應(yīng)原理該工藝利用精制的鎂鹽溶液和工業(yè)氨水或氨氣為原料，在旋轉(zhuǎn)填床內(nèi)反應(yīng)，它有兩種反應(yīng)方式液-液相混合反應(yīng)方式和氣-液相接觸反應(yīng)方式。前者是在一定溫度條件下，鎂鹽溶液和工業(yè)氨水在旋轉(zhuǎn)填床內(nèi)相互混合反應(yīng)，得到氫氧化鎂乳濁液，然后再保溫熟化半小時到4小時，優(yōu)選約1-2小時左右，得到納米級片狀氫氧化鎂；后者是在一定溫度壓力條件下，將鎂鹽溶液在旋轉(zhuǎn)填充床和儲液罐間循環(huán)，并按一定氣液比通入氨氣進行沉淀反應(yīng)，反應(yīng)終點pH值為8-9，然后保溫熟化半小時到4小時，優(yōu)選約1-2小時左右，得到納米級氫氧化鎂。這種方式在控制不同溫度、不同壓力等條件下，可以得到不同形狀的納米級氫氧化鎂。如在常壓、溫度60-110℃時主要為片狀，在高壓、溫度110-160℃時主要為針狀和纖維狀納米級氫氧化鎂。對反應(yīng)所得懸濁液進行過濾、洗滌、干燥、表面處理可制得阻燃劑級納米氫氧化鎂產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明的一個方案，本發(fā)明的工藝步驟如下(A)首先配制好鎂鹽溶液；(B)將鎂鹽溶液和氨水分別倒入儲液槽中，并加熱升溫，鎂鹽溶液控制在10-100℃，氨水溫度控制10-60℃；(C)啟動旋轉(zhuǎn)填充床，根據(jù)產(chǎn)物所需粒度調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，將鎂鹽溶液和氨水連續(xù)通入旋轉(zhuǎn)填充床中反應(yīng)，得到氫氧化鎂沉淀與銨鹽的懸濁液；
(D)然后將氫氧化鎂懸濁液由攪拌釜保溫熟化處理；(E)將所得的氫氧化鎂乳濁液產(chǎn)品抽濾，用去離子水洗滌2-3次；(F)將氫氧化鎂進行干燥，得到納米氫氧化鎂粉體產(chǎn)品；(G)用偶聯(lián)劑將氫氧化鎂進行濕法或干法改性，可以得到改性納米氫氧化鎂阻燃材料；(H)任選在330-350℃下煅燒2-5小時，優(yōu)選3-4小時，得到超細球形氫氧化鎂。
其中鎂鹽可以是利用老鹵水或菱鎂礦得到的精制氯化鎂溶液或者硫酸鎂溶液或者其它鎂鹽溶液，所配制的鎂鹽濃度為10-60％，優(yōu)選25-45％，步驟(B)中氨水的濃度優(yōu)選為20-30％。
在步驟(C)中鎂鹽溶液與氨水的摩爾流速比是1∶2.0-3.5，鎂鹽溶液通入旋轉(zhuǎn)填充床的噴口線速度為2-7m/s，氨水為4-10m/s。
保溫熟化處理是在80-110℃下進行半小時到4小時。
旋轉(zhuǎn)填充床的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為300-2900rpm，反應(yīng)溫度40-160℃，反應(yīng)壓力0～0.6Mpa，采用調(diào)頻變速儀調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)產(chǎn)物所需粒度來選擇。所需粒度越小，轉(zhuǎn)速相應(yīng)加快，所需粒度越小，轉(zhuǎn)速相應(yīng)減慢。
步驟(F)中，氫氧化鎂濾餅優(yōu)選在100-140℃干燥4～10小時，優(yōu)選6小時左右。
偶聯(lián)劑為普通硅烷偶聯(lián)劑。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方案，本發(fā)明的工藝包括以下步驟
(A)首先配制好一定濃度的鎂鹽溶液；(B)將鎂鹽溶液和氨水分別倒入儲液槽中，并加熱升溫，鎂鹽溶液控制在60-160℃下循環(huán)，通入氨氣；(C)啟動旋轉(zhuǎn)填充床，根據(jù)產(chǎn)物所需的粒度來調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，將氨氣和鎂鹽溶液按照一定的氣液比例在旋轉(zhuǎn)填充床中循環(huán)進行沉淀反應(yīng)，得到氫氧化鎂沉淀與銨鹽的懸濁液；(D)然后將氫氧化鎂懸濁液由攪拌釜保溫熟化處理；(E)將所得的氫氧化鎂乳濁液產(chǎn)品抽濾，用去離子水洗滌；(F)最后將氫氧化鎂干燥，得到納米氫氧化鎂粉體產(chǎn)品；(G)用偶聯(lián)劑將氫氧化鎂進行濕法或干法改性，可以得到改性納米氫氧化鎂阻燃材料；(H)任選在330-350℃下煅燒2-5小時，優(yōu)選3-4小時，得到超細球形氫氧化鎂。
其中鎂鹽可以是利用老鹵水或菱鎂礦得到的精制氯化鎂溶液或者硫酸鎂溶液以及其它鎂鹽，所配制的鎂鹽濃度為10-60％，氨氣和鎂鹽氣液比例為3-15。
旋轉(zhuǎn)填充床的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為300-2900rpm，反應(yīng)溫度40-160℃，反應(yīng)壓力0～0.6Mpa，采用調(diào)頻變速儀調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速根據(jù)產(chǎn)物的所需粒度來選擇。
保溫熟化處理優(yōu)選是在80-110℃下進行半小時到4小時，優(yōu)選1小時到2小時。
步驟(F)中，氫氧化鎂濾餅優(yōu)選在100-140℃干燥4～10小時，優(yōu)選6小時左右。
偶聯(lián)劑是普通硅烷偶聯(lián)劑。
本發(fā)明開發(fā)的工藝步驟簡單，所需設(shè)備占地少、投資小、成本低、污染小、熱處理時間短、產(chǎn)率高。而且，利用本發(fā)明制得的氫氧化鎂產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，性能穩(wěn)定，顆粒粒徑均勻，可用作高檔無機阻燃劑。本發(fā)明制得的納米級氫氧化鎂顆粒粒徑一般在20-100nm，粒度分布均勻，純度大于96％，符合阻燃劑的要求。也可將其在330-350℃下煅燒2-5小時，優(yōu)選3-4小時得到超細球形氧化鎂。
納米級氫氧化鎂解決了達到阻燃份額時，高分子材料力學(xué)性能降低太大的矛盾，具有很好的應(yīng)用前景。而且氫氧化鎂產(chǎn)品的顆粒粒徑和形狀可通過改變旋轉(zhuǎn)填充床的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、物料流速、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、pH值等工藝條件來調(diào)節(jié)，可以根據(jù)不同的要求制得不同顆粒粒徑和形狀的納米氫氧化鎂產(chǎn)品。
附圖簡述

圖1是納米氫氧化鎂阻燃劑制備工藝流程示意圖。
圖2是旋轉(zhuǎn)填充床的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1液體進口管；2殼體；3氣體進口管；4轉(zhuǎn)子；5填料；6密封圈；7軸；8液體出口；9氣體出口。其中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通過調(diào)頻變速儀(圖中未顯示)帶動軸來調(diào)節(jié)。原料在填料內(nèi)反應(yīng)形成產(chǎn)物。
實施例1在液-液生產(chǎn)方式下，將30％鎂鹽溶液和20％工業(yè)氨水分別倒入儲液槽中，并加熱升溫。鎂鹽溶液控制在95℃，工業(yè)氨水溫度控制在35℃。啟動旋轉(zhuǎn)填充床，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為700rpm。將鎂鹽溶液和氨水按照摩爾比1∶2.5送入旋轉(zhuǎn)填充床。控制鎂鹽溶液噴口線速度為4m/s，工業(yè)氨水噴口速度為7m/s連續(xù)通入旋轉(zhuǎn)填充床中反應(yīng)，pH值為8.5，得到氫氧化鎂沉淀與銨鹽的懸濁液。然后將氫氧化鎂懸濁液由攪拌釜90℃保溫，時間控制在120min。將所得的氫氧化鎂懸濁液過濾，并用去離子水洗滌3次。最后將氫氧化鎂濾餅在120℃干燥6小時，得到粉體顆粒為平均粒徑為90nm的片狀納米氫氧化鎂粉體，再經(jīng)表面處理到納米氫氧化鎂阻燃劑。
實施例2在液-液生產(chǎn)方式下，將30％鎂鹽溶液和20％工業(yè)氨水分別倒入儲液槽中，并加熱升溫。鎂鹽溶液控制在20℃，工業(yè)氨水溫度控制在20℃。啟動旋轉(zhuǎn)填充床，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1200rpm。將鎂鹽溶液和氨水按照摩爾比1∶2.2送入旋轉(zhuǎn)填充床?？刂奇V鹽溶液噴口線速度為4m/s，工業(yè)氨水噴口速度為7m/s連續(xù)通入旋轉(zhuǎn)填充床中反應(yīng)，pH值為8.5，得到氫氧化鎂沉淀與銨鹽的懸濁液。然后將氫氧化鎂懸濁液由攪拌釜90℃保溫，時間控制在120min。將所得的氫氧化鎂懸濁液過濾，并用去離子水洗滌3次。最后將氫氧化鎂濾餅在100-140℃干燥4～6小時，得到粉體顆粒為平均粒徑為40nm的片狀納米氫氧化鎂粉體，再經(jīng)表面處理到納米氫氧化鎂阻燃劑。
實施例3在液-液生產(chǎn)方式下，將30％鎂鹽溶液和20％工業(yè)氨水分別倒入儲液槽中，并加熱升溫。鎂鹽溶液控制在95℃，工業(yè)氨水溫度控制在30℃。啟動旋轉(zhuǎn)填充床，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1000rpm。將鎂鹽溶液和氨水按照摩爾比1∶2.2送入旋轉(zhuǎn)填充床?？刂奇V鹽溶液噴口線速度為6m/s，工業(yè)氨水噴口速度為10m/s連續(xù)通入旋轉(zhuǎn)填充床中反應(yīng)，pH值為8，得到氫氧化鎂沉淀與銨鹽的懸濁液。然后將氫氧化鎂懸濁液由攪拌釜90℃保溫，時間控制在120min。將所得的氫氧化鎂懸濁液過濾，并用去離子水洗滌3次。最后將氫氧化鎂濾餅在100-140℃干燥4～6小時，得到粉體顆粒為平均粒徑為60nm的片狀納米氫氧化鎂粉體，再經(jīng)表面處理到納米氫氧化鎂阻燃劑。
實施例4在氣-液生產(chǎn)方式下，將30％鎂鹽溶液控制在90℃下在旋轉(zhuǎn)填充床中循環(huán)，通入氨氣，按氣液比15∶1氨氣進行沉淀反應(yīng)，反應(yīng)終點pH為8，得到氫氧化鎂沉淀與銨鹽的懸濁液。然后將氫氧化鎂懸濁液由攪拌釜保溫，時間控制在100min。將所得的氫氧化鎂懸濁液過濾，并用去離子水洗滌2-3次。最后將氫氧化鎂濾餅在100-140℃干燥4～6小時，得到粉體顆粒為平均粒徑為80nm的片形狀納米氫氧化鎂粉體，再經(jīng)表面處理到納米氫氧化鎂阻燃劑。
實施例5在氣-液生產(chǎn)方式下，將25％鎂鹽溶液控制在溫度120℃下，壓力0.2MPa在旋轉(zhuǎn)填充床中循環(huán)，通入氨氣，按氣液比10∶1氨氣進行沉淀反應(yīng)，反應(yīng)終點pH為8，得到氫氧化鎂沉淀與銨鹽的懸濁液。然后將氫氧化鎂懸濁液由攪拌釜保溫，時間控制在60min。將所得的氫氧化鎂懸濁液過濾，并用去離子水洗滌2-3次。最后將氫氧化鎂濾餅在100-140℃干燥4～6小時，得到粉體顆粒為平均粒徑為50nm的針形狀納米氫氧化鎂粉體，再經(jīng)表面處理到納米氫氧化鎂阻燃劑。
實施例6在氣-液生產(chǎn)方式下，將25％鎂鹽溶液控制在溫度155℃，壓力0.5MPa下在旋轉(zhuǎn)填充床中循環(huán)，通入加壓氨氣，按氣液比10∶1氨氣進行沉淀反應(yīng)，反應(yīng)終點pH為8，得到氫氧化鎂沉淀與銨鹽的懸濁液。然后將氫氧化鎂懸濁液由攪拌釜保溫，時間控制在60min。將所得的氫氧化鎂懸濁液過濾，并用去離子水洗滌3次。最后將氫氧化鎂濾餅在120℃干燥6小時，得到粉體顆粒為平均粒徑為35nm的纖維形狀納米氫氧化鎂粉體，再經(jīng)表面處理到納米氫氧化鎂阻燃劑。
權(quán)利要求
1.納米氫氧化鎂的制備工藝，其特征是該工藝依次包括以下步驟(A)首先配制好鎂鹽溶液；(B)將鎂鹽溶液和氨水分別倒入儲液槽中，并加熱升溫，鎂鹽溶液控制在10-100℃，氨水溫度控制10-60℃；(C)啟動旋轉(zhuǎn)填充床，根據(jù)產(chǎn)物所需粒度調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，將鎂鹽溶液和氨水連續(xù)通入旋轉(zhuǎn)填充床中反應(yīng)，得到氫氧化鎂沉淀與銨鹽的懸濁液；(D)然后將氫氧化鎂懸濁液由攪拌釜保溫熟化處理；(E)將所得的氫氧化鎂乳濁液產(chǎn)品抽濾，用去離子水洗滌；(F)將氫氧化鎂進行干燥，得到納米氫氧化鎂粉體產(chǎn)品；(G)用偶聯(lián)劑將氫氧化鎂進行濕法或干法改性，可以得到改性納米氫氧化鎂阻燃材料；(H)任選在330-350℃下煅燒2-5小時，得到超細球形氫氧化鎂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細氫氧化鎂的制備工藝，其特征是鎂鹽為利用老鹵水或菱鎂礦得到的精制氯化鎂溶液或者硫酸鎂溶液，所配制的鎂鹽濃度為10-60％，步驟(B)中氨水的濃度為20-30％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細氫氧化鎂的制備工藝，其特征是在步驟(C)中鎂鹽溶液與氨水的摩爾流速比是1∶2.0-3.5，鎂鹽溶液通入旋轉(zhuǎn)填充床的噴口線速度為2-7m/s，氨水為4-10m/s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細氫氧化鎂的制備工藝，其特征是保溫熟化處理是在80-110℃下進行半小時到4小時。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細氫氧化鎂的制備工藝，其特征是旋轉(zhuǎn)填充床的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為300-2900rpm，反應(yīng)溫度40-160℃，反應(yīng)壓力0～0.6Mpa，采用調(diào)頻變速儀調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超細氫氧化鎂的制備工藝，其特征是偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑。
7.納米氫氧化鎂的制備工藝，其特征是該工藝依次包括以下步驟(A)首先配制好一定濃度的鎂鹽溶液；(B)將鎂鹽溶液和氨水分別倒入儲液槽中，并加熱升溫，鎂鹽溶液控制在60-160℃下循環(huán)，通入氨氣；(C)啟動旋轉(zhuǎn)填充床，根據(jù)產(chǎn)物所需的粒度來調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，將氨氣和鎂鹽溶液按照一定的氣液比例在旋轉(zhuǎn)填充床中循環(huán)進行沉淀反應(yīng)，得到氫氧化鎂沉淀與銨鹽的懸濁液；(D)然后將氫氧化鎂懸濁液由攪拌釜保溫熟化處理；(E)將所得的氫氧化鎂乳濁液產(chǎn)品抽濾，用去離子水洗滌；(F)最后將氫氧化鎂干燥，得到納米氫氧化鎂粉體產(chǎn)品；(G)用偶聯(lián)劑將氫氧化鎂進行濕法或干法改性，可以得到改性納米氫氧化鎂阻燃材料；(H)任選在330-350℃下煅燒2-5小時，得到超細球形氫氧化鎂。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超細氫氧化鎂的制備工藝，其特征是鎂鹽為利用老鹵水或菱鎂礦得到的精制氯化鎂溶液或者硫酸鎂溶液，所配制的鎂鹽濃度為10-60％。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超細氫氧化鎂的制備工藝，其特征是氨氣和鎂鹽氣液比例為3-15。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超細氫氧化鎂的制備工藝，其特征是旋轉(zhuǎn)填充床的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為300-2900rpm，反應(yīng)溫度40-160℃，反應(yīng)壓力0～0.6Mpa，采用調(diào)頻變速儀調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超細氫氧化鎂的制備工藝，其特征是保溫熟化處理是在80-110℃下進行半小時到4小時。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超細氫氧化鎂的制備工藝，其特征是偶聯(lián)劑是硅烷偶聯(lián)劑。
全文摘要
本發(fā)明屬于化工技術(shù)領(lǐng)域,它的主要內(nèi)容是利用老鹵水或菱鎂礦得到的精制氯化鎂溶液和工業(yè)氨水或氨氣為原料,或者利用硫酸鎂溶液和工業(yè)氨水或氨氣為原料,采用超重力(旋轉(zhuǎn)填充床)技術(shù),利用液－液相反應(yīng)或氣－液相反應(yīng)方式,制備納米氫氧化鎂阻燃材料。本工藝解決了傳統(tǒng)工藝存在的工藝復(fù)雜、成本高、且顆粒粒徑不均勻和不易控制等缺點。
文檔編號C09K21/02GK1341694SQ0114178
公開日2002年3月27日 申請日期2001年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月19日
發(fā)明者宋云華, 陳建銘, 陳建峰 申請人:北京化工大學(xué)