氢氧化镁阻燃剂的研究应用

牛跃同,李慧良,吴敬礼

(天津长芦海晶集团有限公司,天津 300450)

1 前言

随着人们防火意识不断提高,阻燃剂被很多企业所采用,这大大提高了企业的安全水平,降低了火灾给企业和人们带来的财产损失。阻燃剂[1-2]是一种高分子合成材料的助推剂,当高分子材料起火燃烧时,阻燃剂可以对其进行阻燃处理,从而阻止火势继续发展,防止合成材料燃烧。阻燃剂按照其化学组成可以分为有机阻燃剂和无机阻燃剂。其中有机阻燃剂又可分为磷系和卤系,虽然有机阻燃剂添加剂比较少,阻燃效果好,但其在燃烧中存在发烟量大、分解产物毒性大等弊端,发生火灾大部分人不是被火直接烧死,而是因为吸入有毒有害气体窒息身亡。而无机阻燃剂因其不会产生有腐蚀性、有毒气体,对人体无害,对环境友好等优势,正逐步替代有机阻燃剂。

无机阻燃剂主要是在被阻燃的材料中添加具有阻燃性的单质或化合物形式的无机元素,与材料中高聚物以分散状态混合,通过物理或化学变化在气相或凝聚相中起到阻燃作用。其主要种类有锑类化合物、红磷、硼类化合物、金属化合物等,金属化合物中的氢氧化铝和氢氧化镁在其分解时产生大量水蒸气,吸收热量大,分解后生成耐高温的氧化物,所以氢氧化镁和氢氧化铝是非常好的阻燃剂,被企业广泛使用。目前,氢氧化铝在国内市场占有量比较大,但随着高聚物不断提高加工温度,高温会导致氢氧化铝分解,使其阻燃效果大打折扣,因此,氢氧化铝正被氢氧化镁逐步取代[3]。

2 氢氧化镁阻燃剂作用机理

聚合物焚烧是一种十分强烈和复杂的热氧化反应,具有烟雾或火焰的特点。阻燃剂在聚合物焚烧过程中的阻燃效应、阻燃剂的阻燃吸热效应和吸热效应使聚合物资料的温度难以升高。

氢氧化镁主要在聚合物降解区发挥阻燃作用,阻燃机理[4]是通过降低温度、稀释可燃物浓度、有效隔绝空气等方面实现阻燃目的。氢氧化镁阻燃剂受热之初,分解过程中会吸收大量的热,可降低材料表面实际承受的温度,减慢材料燃烧速度,从而减少产生的可燃气体;分解生成的水蒸气对可燃气体的浓度、材料表面氧气起到稀释作用,进一步使燃烧变困难;分解生成的氧化镁在表面形成碳化层,可起到隔绝空气的作用。同时,氧化镁也是一种耐火材料,可帮助材料抵抗高温火焰,保护与高温接触的材料。

3 氢氧化镁阻燃剂特性

氢氧化镁一般是白色的六方柱晶体形态,有时也呈粉末状,难溶于水,作为一种强碱性物质,易溶于稀酸和氨盐溶液,不溶于醇类等有机溶剂。氢氧化镁作为阻燃剂有以下特性[5]。

(1)无毒无害。氢氧化镁阻燃剂具有无毒无害的特性,无论是在生产过程中,还是在阻燃过程中,均不会排放有毒有害物质,可避免人员吸入有害物质而产生伤害。

(2)硬度比较小。比起其他类型的阻燃剂,氢氧化镁的硬度相对来说比较小,作为阻燃剂添加在基材中,可以减小对物体的摩擦力,减轻对基材的损害,无形之中保护到基材本身。

(3)颗粒均匀。氢氧化镁颗粒在基材中分布比较均匀,这是氢氧化镁作为阻燃剂一个十分重要的优势,不仅提升了对基材的兼容性,同时降低了对制品力学性能的影响。

(4)高效阻燃。氢氧化镁阻燃剂在基材燃烧过程中能够起到非常明显的阻燃效果,并且阻燃效率比一般阻燃剂要高。

(5)抗酸能力强。氢氧化镁是一种弱碱性阻燃剂,与酸的中和能力比较强,可较快中和燃烧过程产生的酸性气体,如CO2、NOx、SO2等。

4 氢氧化镁阻燃剂市场前景

氢氧化镁阻燃剂是绿色、高效的环保型阻燃剂,为环保行业和各大化工产品的生产提供了很大的便利,得到了广泛的应用与推广[6],逐渐在行业当中占据重要的位置,越来越被重视,用途范围越来越广,如木材、橡胶、塑料、造纸、纤维等各种原材料行业,同时终端消费广泛,涉及汽车、电子电器、家具、衣物等方面,市场需求稳步增长。

目前,电线电缆需求较大,对电线电缆产品阻燃等级要求更加严格,电网改造、汽车工业和通信行业升级对电线电缆的安稳性,提出了更高的要求,稳步增加了市场对阻燃剂的需求;电视、洗衣机、空调、冰箱等家用电器领域阻燃塑料用量大。目前,家电阻燃改性塑料的需求随着我国家电行业发展保持增长态势;汽车工业领域对阻燃塑料需求较大,汽车内部的功能结构件及配件防火等级要求高,特别是近年新能源汽车迅猛发展,会导致阻燃塑料需求保持不断增长趋势;国内外实施一系列措施,鼓励节能灯的推广和使用,将会拉动节能灯市场快速发展,进而带动阻燃塑料的需求增长;一些高端别墅,墙体材料都要添加氢氧化镁,因为其隔热效果非常好;很多机场、大型超市的屋顶也都使用氢氧化镁阻燃材料,可以做到冬天保暖、夏天隔热。

5 氢氧化镁制备方法

镁系产品中氢氧化镁是最基本的产品,氢氧化镁制备方法[7]有以下几种。

(1)卤水石灰法。

以卤水和熟石灰为原料,对卤水进行除杂预处理,得到的净化后卤水与石灰乳在反应釜内进行反应,生产碱式氯化镁,经水热处理后用表面活性剂进行表面处理,搅拌均匀进行沉降,下层浆料经过滤、洗涤、干燥、粉碎,可得成品氢氧化镁。该方法原料价廉、生产成本低,工业化生产有良好的经济效益;缺点是原料及反应过程中产生的不溶性杂质混在产品中难以除净,导致产品纯度低。

(2)卤水氨水法。

经净化处理的卤水,打入反应釜,以氨水作为沉淀剂加入反应釜,在釜内进行沉淀反应。反应结束后添加絮凝剂,过滤后,沉淀物经过一定工序制得氢氧化镁成品。该方法的优点是由于弱碱性氨水的存在,使得氢氧化镁溶解度变大,反应容易控制,氢氧化镁结晶度高,产品纯度高;缺点是氨水易挥发,现场操作环境差,且氨水消耗量大。

(3)菱苦土盐酸氨水法。

煅烧菱镁矿石生成氧化镁,与盐酸反应制备氯化镁溶液。得到的氯化镁溶液与氨水进行中和反应,生成物经洗涤、沉降、过滤分离、干燥、粉碎后得到氢氧化镁产品。该方法优点是生产成本低,原料来源广泛;缺点是由于矿石中含有的其他杂质太多,导致氢氧化镁纯度较低,想要得到纯度较高的氢氧化镁,需要进一步进行提纯。

(4)氢氧化钠法。

该法是将卤水与氢氧化钠反应,制备氢氧化镁沉淀。该方法优点是工艺简单,易于操作,可以控制产品纯度,同时生产的氯化钠可以电解得到氢氧化钠,氢氧化钠循环使用可降低生产成本;缺点是氢氧化钠属于强碱,与卤水快速反应生成氢氧化镁胶体沉淀,易裹挟钠离子和氯离子,导致氢氧化镁含有杂质。

总之,氢氧化镁制备工艺不复杂,但是想要得到高端氢氧化镁产品,需要使用一定量的添加剂进行改性,或进行其他技术处理。

6 国内外发展现状

我国氢氧化镁生产始于20世纪90年代,主要以水镁石、卤水、轻烧粉、水氯镁石等为原料来生产氢氧化镁。辽宁地区存在水镁石,以水镁石为原料,机械粉碎、超细粉碎后制取氢氧化镁产品;华北地区直接使用轻烧粉水化法制取重质氢氧化镁;沿海地区利用海卤水合成法制取氢氧化镁;西北地区盐湖卤水、水氯镁石较多,采用合成法制取氢氧化镁。国内副产氯化镁的化工、食品、冶金、医药等企业采用合成法制取氢氧化镁。我国高端氢氧化镁阻燃剂正处在开拓研发阶段,特别是特殊晶型氢氧化镁阻燃剂在国内仍在应用研发阶段[8]。

国外对环保重视程度越来越强,开始使用无机阻燃剂,由于氢氧化镁比氢氧化铝性能更好,使用氢氧化镁的比例越来越大。特别是西方发达国家对氢氧化镁阻燃剂的消耗量较高,占无机阻燃剂消耗量的30%以上。美国和日本对氢氧化镁阻燃材料的研究和使用位于世界前列。美国作为氢氧化镁品种最多、产量最大的国家,虽然起步较晚,但对氢氧化镁阻燃材料的研究日趋繁荣。美国Solem公司研究出粒径更小、耐温可达332 ℃、纯度更高的氢氧化镁。日本氢氧化镁阻燃剂品种已有近15个,且在合成特殊晶型氢氧化镁与氢氧化镁表面改性方面研究也取得突破性进展,日本协和化学工业已成功研究出低比表面积、特殊大晶粒的氢氧化镁,近些年又开发出薄片状粒子氢氧化镁和纤维状结晶氢氧化镁。欧洲国家因海水资源丰富,是世界上生产氧化镁、镁盐比较集中的地区,也是氢氧化镁阻燃剂研究、开发、应用比较活跃的地区。

7 结论

我国是世界上为数不多的镁资源大国,拥有得天独厚的资源优势,利用丰富的镁资源开发高端氢氧化镁具有十分广阔的前景。特别是纳米级氢氧化镁阻燃剂可以用于电气材料、光纤通讯材料等特殊领域,使得氢氧化镁的发展不可限量,但国内对氢氧化镁开发研究起步较晚,氢氧化镁阻燃剂在生产的过程当中存在很多不足,主要体现在:与国外技术相比,国内生产技术落后,质量偏低,高端氢氧化镁主要还是靠进口,但是这也并不能够阻碍国内迈向高端氢氧化镁发展步伐,相信氢氧化镁阻燃剂会在未来的阻燃剂市场当中占有十分重要的地位[9-10]。通过对氢氧化镁研究现状分析,对我国氢氧化镁发展提出以下几点意见。

1)充分挖掘我国海水中的镁资源,开发高端氢氧化镁产品,缩小我国与国外的差距,提高海水资源的利用效率,这也符合我国的产业政策和发展方向。

2)找到更高效的表面活性剂、纳米级氢氧化镁制备方法仍是我国今后研究的重要课题。

3)氢氧化镁作为环保、无毒无害的阻燃剂,在我国仍然需要大力推广应用。