[发明专利]基于水热碳化反应制备无水碳酸镁的方法

说明书

本发明公开了一种基于水热碳化反应制备无水碳酸镁的方法，该方法以抗坏血酸为碳源，将其溶解于去离子水中，调节抗坏血酸水溶液初始pH为5.5～14.0，再加入镁盐，在水热反应温度为120～250℃，水热反应时间为1～12h的条件下，制备出分散性好，形貌多样，尺寸均一的无水碳酸镁粉体。上述镁盐为硫酸镁、氯化镁、氢氧化镁、氧化镁或醋酸镁中的任意一种。本发明的制备方法简便易控，高效节能，无需通入CO₂作为碳源，通过简单地改变镁盐浓度或者调解抗坏血酸溶液初始pH值，可实现对无水碳酸镁形貌尺寸的调节，且所得产物为纯相无水碳酸镁。

技术领域

本发明属于无水碳酸镁微纳米材料的制备技术领域，具体涉及一种基于水热碳化反应制备无水碳酸镁的方法。

背景技术

无水碳酸镁在自然界中以菱镁矿形式存在，MgCO₃与FeCO₃之间可形成完全类质同象，即晶体结构中的Mg²⁺和Fe²⁺由于性质相近可以相互替换，并且其晶体物理性质随两种元素的数量变化呈线性变化趋势。晶胞结构及化学键保持不变，Mg²⁺与Fe²⁺能够以比例相互混溶，可以形成各种含量不同的类质同象混合物。天然菱镁矿中一般含Fe且很难去除，此外还有Ca、Mn、Si等杂质，因此通过矿物直接研磨加工而成的产品通常纯度较低，品质较差。无水碳酸镁可以替代碱式碳酸镁或三水碳酸镁作为添加剂用于高级玻璃、精细陶瓷、防火涂料、日用品和医药制品等，能够起到补强、抗磨、阻燃等作用。此外，无水碳酸镁最重要的应用是作为一种新型无机阻燃剂使用。无水碳酸镁分解温度在300-500℃之间，分解产生大量CO₂，该过程为吸热反应，单位反应吸热量为864J/g。分解过程无有害物质产生，产物CO₂能够隔绝空气，阻断氧源，在理论上可以获得非常好的阻燃效果，特别适用于对温度要求比较高的电器类材料的防火阻燃。

无水碳酸镁的研究依然处在探索阶段，少数工业上应用的无水碳酸镁是由高质量的菱镁矿等经过物理加工(如研磨、分级破碎等)制备而成的。在国外，Sandengen K等人最早在2008年以碱式碳酸镁3MgCO₃·Mg(OH)₂·3H₂O为原料，置于乙二醇溶剂中持续通入CO₂，在150℃下制备出了纯相的MgCO₃晶体；Kornprobst T等利用镁粉、甲醇和CO₂，经过一系列反应生成了MgCO₃凝胶；Hanchen M等利用氯化镁、CO₂在密封120℃、3bar压力下生成纯相MgCO₃；国内研究者们对于无水碳酸镁制备的研究主要集中在水热方法制备。Xing等人利用不同镁源分别与尿素在160℃下进行水热反应，经过30h生成了粒径为10um左右的菱面体微晶颗粒；Ni等人将醋酸镁、硫酸钠、环六亚甲基四胺放入水热体系中，160℃反应24h后生成粒径约为30um的碳酸镁晶体，并研究了其光学性能；沈兴等通过镁盐与碳酸铵反应生成中间体碳酸铵镁，之后进行低温煅烧获得晶须状无水碳酸镁产品，这种方法避开了传统的高温高压环境处理，生产成本降低，产品可作为阻燃剂应用于实际生产中；高震采用水热处理工艺，以MgCl₂为镁源，尿素为沉淀剂，在水热体系中添加柠檬酸钠和壳聚糖，在不同条件下制备出粒径为15um的三维花状和粒径为20um的球形产品。总体来看，无水碳酸镁的制备多集中在高温高压条件下，这可能是由物质本身特性决定，现有的制备研究普遍存在反应环境苛刻、反应时间长，晶体粒径较大的情况。作为一种无机粉体材料，良好的分散性和均匀细微的粒径是评价产品质量的重要标准，因此对于无水碳酸镁的研究重要方向之一就是制备出分散性好、粒径均一、能应用于工业的粉体，此外要尽量缩短其反应时间，提高反应效率。另一方面，无机粉体的形貌往往能影响其本身性质，因此制备出的无机粉体可以拓展其在实际生产中的应用领域。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，而提供一种基于水热碳化反应制备无水碳酸镁的方法，该方法工艺简单、条件温和，且制备的无水碳酸镁分散性好、形貌多样。