微米级三水碳酸镁晶须的合成研究

闫平科, 王 斌, 高玉娟, 田海山

（辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁 阜新 123000）

微米级三水碳酸镁晶须的合成研究

闫平科, 王 斌, 高玉娟, 田海山

（辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁 阜新 123000）

采用低温水溶液法合成三水碳酸镁晶须,考察了反应温度、反应时间及表面活性剂用量等因素对三水碳酸镁晶须的最大晶须长度及长径比的影响。结果表明，在反应温度为40～50℃、反应时间50～60min、表面活性剂添加量为1%的条件下，可以合成微米级的三水碳酸镁晶须产品。在此基础上，探讨了三水碳酸镁晶须的生长机理。

三水碳酸镁；晶须；合成

1 引言

三水碳酸镁(MgCO3·3H2O)晶须是碳酸镁的单晶体，晶体发育完整、无色透明、缺陷少、强度高。碳酸镁晶须不仅用于制备高纯氧化镁、氢氧化镁、碱式碳酸镁、硫酸镁、硝酸镁及其他镁盐产品，而且由于其具有良好的力学性能，被直接用于塑料、橡胶、涂料、油墨等的增强及改性。

三水碳酸镁晶须所具有的特殊物理化学性质及其实际应用领域，已经引起了研究者们的广泛兴趣[1-4]。日本的三觜幸平等[5]采用水热法合成出正常碳酸镁柱状颗粒, 合成的碳酸镁柱状颗粒直径主要为1～3μm，长度为10～50μm；国内研究者[6-9]先后合成出三水碳酸镁晶须的直径范围为0.5～3μm，长度范围为10～100μm。

综上所述，三水碳酸镁晶须的合成研究已取得了一些进展，但还存在晶须长度较短、长径比较小等问题。本文采用低温水溶液法，通过严格控制反应温度、反应时间及表面活性剂等主要影响因素，探索微米级三水碳酸镁晶须的最佳合成条件。

2 试验

2.1 试剂和仪器

试验所用药品均为分析纯试剂，分别为MgCl2·6H2O、NH4HCO3、NH3·H2O、Na2HPO4。

合成试验所用设备为多功能反应器(河南予华仪器有限公司)、DHG-9140A型电热恒温真空干燥箱(上海精密实验设备有限公司)、pHS-2C精密酸度计等。

利用日本理学(Rigaku)公司生产的X-射线自动衍射仪，对所制得样品进行物相分析。利用日本岛津公司(Shimadzu)生产的SSX-550型扫描电镜观察试样的形貌。

2.2 试验方法

称取摩尔比为1∶2的MgCl2·6H2O和NH4HCO3，分别配成一定浓度的溶液；将MgCl2溶液加入到多功能反应器中，加热到一定温度并保持恒定；在搅拌过程中将相同温度的NH4HCO3溶液以恒定的流量加入MgCl2溶液中，并用氨水调节溶液的pH值=9.0；向反应液中加入一定量的Na2HPO4表面活性剂；滴加结束后，继续搅拌陈化60min；产物经过滤、去离子水洗涤，至洗涤液中检测不出Cl-为止(以硝酸银溶液检测)；将洗涤后的滤饼在50℃下真空干燥6h，得到三水碳酸镁晶须样品。样品用X-射线衍射仪测定其结构, 用扫描电镜观察其外观形貌及直径、长度、长径比。

3 结果与讨论

3.1 反应温度对产物的影响

为了探讨形成晶须的适宜温度，试验条件如下：MgCl2·6H2O、NH4HCO3的浓度分别为0.4mol/L、0.8mol/L，Na2HPO4的添加量为总体系质量0.5%，反应时间为40min。

试验结果(图1)表明，温度为45℃时晶须的尺寸已较好, 50℃时晶须的长径比和尺寸均达到最大(见图2)；当温度高于50℃时晶须尺寸开始变小，并且长径比变小趋势明显，这是由于三水碳酸镁晶须在温度高于50℃后性能变得不稳定，具有向碱式碳酸镁转化的趋势，反应温度高于65℃时完全转化为碱式碳酸镁[Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O]，其形貌亦由针状转变为片状。综合晶须形貌及反应产率等因素，反应温度控制在45～50℃范围内均可得到较高长径比的晶须。

经XRD分析可知(图3)，当反应温度在30～50℃时，得到的产物为MgCO3·3H2O，并具有较高的纯度，无其他杂相。当反应温度为50℃时，XRD衍射峰窄而强度高，表明MgCO3·3H2O发育良好。随着反应温度提高，得到的水合碳酸镁为稳定的Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O。由此可知，当MgCl2·6H2O与NH4HCO3反应时，在较低的温度下首先合成MgCO3·3H2O，但其只有一个相对稳定的温度区间，当温度升高时，MgCO3·3H2O开始转化为Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O，其反应过程为：

3.2 反应时间对产物的影响

为了探讨形成晶须适宜的反应时间，其试验条件如下：MgCl2·6H2O、NH4HCO3的浓度分别为0.4 mol/L、0.8mol/L，Na2HPO4的添加量为总体系质量0.5%，反应温度50℃。

试验结果(图4)表明，当反应时间达到50min时，晶须已形成较好的形貌(见图5), 但考虑到产率等因素反应时间应在50min以上。

3.3 表面活性剂添加量对产物的影响

为了探讨形成晶须适宜的表面活性剂的添加量，其试验条件如下： MgCl2·6H2O、NH4HCO3的浓度分别为0.4mol/L、0.8mol/L，反应时间为60min，反应温度为50℃。

试验结果(图6)表明，当表面活性剂添加量达到总体系质量1%时，三水碳酸镁晶须的长度达到最大值174μm，晶须直径为6.77μm，长径比达到25(见图7)。这是由于加入反应溶液中的添加剂会选择性的吸附在三水碳酸镁晶体的[100]和[001]方向的晶面上，阻止这些晶面的生长，使三水碳酸镁晶体在结晶过程中沿着[010]方向的晶面生长，从而形成高长径比的晶须。随着加入量的增加，晶须的长径比在减小，其原因主要是溶液中多余的Na2HPO4会改变反应体系的pH值，形成的反应环境不利于三水碳酸镁晶须结晶生长，从而使晶须长度减小。

4 结论

(1) MgCO3·3H2O晶体在环境温度低于60℃时能够相对稳定的存在，当环境温度高于60℃时得到的水合碳酸镁为稳定的Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O。

(2) 微米级三水碳酸镁晶须的合成最佳条件为：反应温度为50℃、反应时间60min、表面活性剂添加量为1%，合成出的MgCO3·3H2O晶须长度为160～175μm、长径比为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