閆平科, 王 斌, 高玉娟, 田海山

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

微米級(jí)三水碳酸鎂晶須的合成研究

閆平科, 王 斌, 高玉娟, 田海山

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

采用低溫水溶液法合成三水碳酸鎂晶須,考察了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及表面活性劑用量等因素對(duì)三水碳酸鎂晶須的最大晶須長(zhǎng)度及長(zhǎng)徑比的影響。結(jié)果表明，在反應(yīng)溫度為40～50℃、反應(yīng)時(shí)間50～60min、表面活性劑添加量為1%的條件下，可以合成微米級(jí)的三水碳酸鎂晶須產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，探討了三水碳酸鎂晶須的生長(zhǎng)機(jī)理。

三水碳酸鎂；晶須；合成

1 引言

三水碳酸鎂(MgCO3·3H2O)晶須是碳酸鎂的單晶體，晶體發(fā)育完整、無(wú)色透明、缺陷少、強(qiáng)度高。碳酸鎂晶須不僅用于制備高純氧化鎂、氫氧化鎂、堿式碳酸鎂、硫酸鎂、硝酸鎂及其他鎂鹽產(chǎn)品，而且由于其具有良好的力學(xué)性能，被直接用于塑料、橡膠、涂料、油墨等的增強(qiáng)及改性。

三水碳酸鎂晶須所具有的特殊物理化學(xué)性質(zhì)及其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)引起了研究者們的廣泛興趣[1-4]。日本的三觜幸平等[5]采用水熱法合成出正常碳酸鎂柱狀顆粒, 合成的碳酸鎂柱狀顆粒直徑主要為1～3μm，長(zhǎng)度為10～50μm；國(guó)內(nèi)研究者[6-9]先后合成出三水碳酸鎂晶須的直徑范圍為0.5～3μm，長(zhǎng)度范圍為10～100μm。

綜上所述，三水碳酸鎂晶須的合成研究已取得了一些進(jìn)展，但還存在晶須長(zhǎng)度較短、長(zhǎng)徑比較小等問(wèn)題。本文采用低溫水溶液法，通過(guò)嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及表面活性劑等主要影響因素，探索微米級(jí)三水碳酸鎂晶須的最佳合成條件。

2 試驗(yàn)

2.1 試劑和儀器

試驗(yàn)所用藥品均為分析純?cè)噭?，分別為MgCl2·6H2O、NH4HCO3、NH3·H2O、Na2HPO4。

合成試驗(yàn)所用設(shè)備為多功能反應(yīng)器(河南予華儀器有限公司)、DHG-9140A型電熱恒溫真空干燥箱(上海精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、pHS-2C精密酸度計(jì)等。

利用日本理學(xué)(Rigaku)公司生產(chǎn)的X-射線自動(dòng)衍射儀，對(duì)所制得樣品進(jìn)行物相分析。利用日本島津公司(Shimadzu)生產(chǎn)的SSX-550型掃描電鏡觀察試樣的形貌。

2.2 試驗(yàn)方法

稱取摩爾比為1∶2的MgCl2·6H2O和NH4HCO3，分別配成一定濃度的溶液；將MgCl2溶液加入到多功能反應(yīng)器中，加熱到一定溫度并保持恒定；在攪拌過(guò)程中將相同溫度的NH4HCO3溶液以恒定的流量加入MgCl2溶液中，并用氨水調(diào)節(jié)溶液的pH值=9.0；向反應(yīng)液中加入一定量的Na2HPO4表面活性劑；滴加結(jié)束后，繼續(xù)攪拌陳化60min；產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濾、去離子水洗滌，至洗滌液中檢測(cè)不出Cl-為止(以硝酸銀溶液檢測(cè))；將洗滌后的濾餅在50℃下真空干燥6h，得到三水碳酸鎂晶須樣品。樣品用X-射線衍射儀測(cè)定其結(jié)構(gòu), 用掃描電鏡觀察其外觀形貌及直徑、長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑比。

3 結(jié)果與討論

3.1 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物的影響

為了探討形成晶須的適宜溫度，試驗(yàn)條件如下：MgCl2·6H2O、NH4HCO3的濃度分別為0.4mol/L、0.8mol/L，Na2HPO4的添加量為總體系質(zhì)量0.5%，反應(yīng)時(shí)間為40min。

試驗(yàn)結(jié)果(圖1)表明，溫度為45℃時(shí)晶須的尺寸已較好, 50℃時(shí)晶須的長(zhǎng)徑比和尺寸均達(dá)到最大(見(jiàn)圖2)；當(dāng)溫度高于50℃時(shí)晶須尺寸開(kāi)始變小，并且長(zhǎng)徑比變小趨勢(shì)明顯，這是由于三水碳酸鎂晶須在溫度高于50℃后性能變得不穩(wěn)定，具有向堿式碳酸鎂轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，反應(yīng)溫度高于65℃時(shí)完全轉(zhuǎn)化為堿式碳酸鎂[Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O]，其形貌亦由針狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺?。綜合晶須形貌及反應(yīng)產(chǎn)率等因素，反應(yīng)溫度控制在45～50℃范圍內(nèi)均可得到較高長(zhǎng)徑比的晶須。

經(jīng)XRD分析可知(圖3)，當(dāng)反應(yīng)溫度在30～50℃時(shí)，得到的產(chǎn)物為MgCO3·3H2O，并具有較高的純度，無(wú)其他雜相。當(dāng)反應(yīng)溫度為50℃時(shí)，XRD衍射峰窄而強(qiáng)度高，表明MgCO3·3H2O發(fā)育良好。隨著反應(yīng)溫度提高，得到的水合碳酸鎂為穩(wěn)定的Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O。由此可知，當(dāng)MgCl2·6H2O與NH4HCO3反應(yīng)時(shí)，在較低的溫度下首先合成MgCO3·3H2O，但其只有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度區(qū)間，當(dāng)溫度升高時(shí)，MgCO3·3H2O開(kāi)始轉(zhuǎn)化為Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O，其反應(yīng)過(guò)程為：

3.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物的影響

為了探討形成晶須適宜的反應(yīng)時(shí)間，其試驗(yàn)條件如下：MgCl2·6H2O、NH4HCO3的濃度分別為0.4 mol/L、0.8mol/L，Na2HPO4的添加量為總體系質(zhì)量0.5%，反應(yīng)溫度50℃。

試驗(yàn)結(jié)果(圖4)表明，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到50min時(shí)，晶須已形成較好的形貌(見(jiàn)圖5), 但考慮到產(chǎn)率等因素反應(yīng)時(shí)間應(yīng)在50min以上。

3.3 表面活性劑添加量對(duì)產(chǎn)物的影響

為了探討形成晶須適宜的表面活性劑的添加量，其試驗(yàn)條件如下： MgCl2·6H2O、NH4HCO3的濃度分別為0.4mol/L、0.8mol/L，反應(yīng)時(shí)間為60min，反應(yīng)溫度為50℃。

試驗(yàn)結(jié)果(圖6)表明，當(dāng)表面活性劑添加量達(dá)到總體系質(zhì)量1%時(shí)，三水碳酸鎂晶須的長(zhǎng)度達(dá)到最大值174μm，晶須直徑為6.77μm，長(zhǎng)徑比達(dá)到25(見(jiàn)圖7)。這是由于加入反應(yīng)溶液中的添加劑會(huì)選擇性的吸附在三水碳酸鎂晶體的[100]和[001]方向的晶面上，阻止這些晶面的生長(zhǎng)，使三水碳酸鎂晶體在結(jié)晶過(guò)程中沿著[010]方向的晶面生長(zhǎng)，從而形成高長(zhǎng)徑比的晶須。隨著加入量的增加，晶須的長(zhǎng)徑比在減小，其原因主要是溶液中多余的Na2HPO4會(huì)改變反應(yīng)體系的pH值，形成的反應(yīng)環(huán)境不利于三水碳酸鎂晶須結(jié)晶生長(zhǎng)，從而使晶須長(zhǎng)度減小。

4 結(jié)論

(1) MgCO3·3H2O晶體在環(huán)境溫度低于60℃時(shí)能夠相對(duì)穩(wěn)定的存在，當(dāng)環(huán)境溫度高于60℃時(shí)得到的水合碳酸鎂為穩(wěn)定的Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O。

(2) 微米級(jí)三水碳酸鎂晶須的合成最佳條件為：反應(yīng)溫度為50℃、反應(yīng)時(shí)間60min、表面活性劑添加量為1%，合成出的MgCO3·3H2O晶須長(zhǎng)度為160～175μm、長(zhǎng)徑比為20～25。

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Study on Synthesis of the Nesquehonite Whiskers in Micrometer Scale

YAN Ping-ke, WANG Bin, GAO Yu-juan, TIAN Hai-shan
(College of Resource and Environment Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

In this paper, nesquehonite whiskers were synthesized by low-temperature aqueous solution method, and the impacts of reaction temperature, reaction time and surfactant dosage and other factors on the maximum whisker length and high aspect ratios of nesquehonite whiskers were also investigated. Results showed that under the conditions that the reaction temperature was 50℃, the reaction time was 60min and the amount of surfactant dosage was 1%, nesquehonite whisker products can be synthesized in micrometer scale. On this basis, growth mechanism of the nesquehonite whiskers was discussed.

nesquehonite; whisker; synthesis

TQ343

A

1007-9386(2011)03-0026-03

2011-04-01