CN103043689B - 一种合成超细氢氧化镁阻燃剂的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无机化工技术领域，具体涉及一种合成超细氢氧化镁阻燃剂的方法及装置，针对现有氢氧化镁合成方法均存在各自不同缺点的问题，方法包括氯化镁、氢氧化钠溶液由超重力反应器的进液口进入液体分布器，实现第一次快速均匀混合、反应，随后由内向外径向通过填料层，完成第二次快速均匀混合、反应，装置包括超重力反应器，超重力反应器的液体分布器由进液管Ⅰ、进液管Ⅱ组成，进液管Ⅰ为直管状，进液管Ⅱ为前端设有90度弯头的直管状，进液管前端均开有喷嘴，装置结构简单、操作简便，运行稳定、能耗低，工艺设计合理，能强化反应物的混合效率，使产品分散性好、粒度分布均匀，改善了超细氢氧化镁阻燃剂在高分子材料中的填充和分散性能。
Description
发明领域
本发明属于无机化工技术领域，具体涉及一种合成超细氢氧化镁阻燃剂的方法及装置。
背景技术
随着高分子材料工业的迅速发展，塑料、合成橡胶、合成纤维等高分子材料越来越广泛应用于建材、家电、电子设备、汽车、化工、交通等领域。但高分子材料的易燃性问题日益引起人们的重视。据统计，火灾中的死亡事故有30%以上是材料产生的浓烟和有毒气体造成的。因而，对于易燃制品，除了研究所添加阻燃剂的阻燃效果外，低毒、低烟也是阻燃剂必不可少的指标，这也是近几年来阻燃剂研究领域内最活跃的课题之一。
氢氧化镁作为一种无机阻燃剂，除具有高效的阻燃性能外，还具有抑烟、中和燃烧过程中生成的酸性气体等特点，而且材料无毒、无腐蚀性，是一种环境友好型绿色无机阻燃剂，目前已成为国内外开发与研究的热点。在西方发达国家，氢氧化镁阻燃剂已占整个阻燃剂市场的30%以上，并以明显的趋势增长。我国虽然镁资源丰富，但生产规模小、品种少、产品质量差、技术水平低，产量和质量远远不能满足市场的需求，整体行业水平亟待提高。
氢氧化镁作为阻燃剂，其在高分子材料中的添加量对材料的机械性能会有一定的影响。研究表明：使氢氧化镁超细化是解决这一问题的最好方法之一。但是目前在合成超细氢氧化镁时，存在的问题如下：(1) 合成的氢氧化镁的粒度分布不均匀；(2) 氢氧化镁易团聚；(3) 过滤沉降性能差。
目前，国内外合成氢氧化镁的主要方法有常温固相法、直接沉淀法、水热反应法、均相沉淀法、溶胶-凝胶法等，但各种方法都有一定的局限性。常温固相法产品纯度不高(一般为95%～96%)，晶型不易控制，粒径较大；直接沉淀法易形成胶体，难以进行沉降、过滤和洗涤，产品纯度低、杂质含量高；水热反应法工艺复杂、设备投资较大，条件苛刻，工业化实施较困难；均相沉淀法反应时间长，尿素用量大，产率相对较低，生产成本高；溶胶-凝胶法工艺复杂，能耗大，实验条件苛刻，难以实现大规模生产。调查研究表明，国内外工业生产氢氧化镁大多采用直接沉淀法，而采用直接沉淀法制备超细氢氧化镁的关键是为快速反应的氢氧化镁沉淀反应提供一个均匀稳定的反应环境。国内外围绕此问题已进行了许多研究，但所用的装置设备庞大、生产能耗大、费用高、混合效率低，难以为沉淀反应提供一个理想的反应环境。因此，采用直接沉淀法制备高质量的超细氢氧化镁，就必须寻求一种新的具有强化传质、强化微观混合、低成本的反应器。
发明内容
本发明针对现有氢氧化镁合成方法均存在上述各自不同缺点的问题，提供一种具有强化反应物的混合效率、使产品分散性好、粒度分布均匀等优点的合成超细氢氧化镁阻燃剂的方法及装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种合成超细氢氧化镁阻燃剂的方法，包括以下步骤：
1）开启搅拌装置，在储液槽Ⅰ中配制浓度范围为0.5~2.0mol/L的氯化镁原料液，开启加热保温层将其加热，控制其温度在50～80℃，开启搅拌装置，在储液槽Ⅱ中配制浓度范围为1.0~4.0mol/L的氢氧化钠原料液；2）同时开启两种原料液输送管路上的耐腐蚀泵，两种原料液同时由超重力反应器的进液口Ⅰ、进液管Ⅰ以及进液口Ⅱ、进液管Ⅱ进入液体分布器，并在进液管的喷嘴处以5～12m/s的初速度相向撞击，完成第一次均匀混合、反应，两种原料液的体积流量为20~120L/h；3）撞击后的两种原料液进入超重力反应器、并以900~1500rpm的转速进入旋转的环形填料层中，由内向外径向通过环形填料层，在环形填料层内完成第二次快速均匀的混合、反应，反应温度为50~80℃，反应循环时间为0.5~2.5h，得到氢氧化镁浆料，经超重力反应器的锥形出液口排出，最后经过滤、洗涤、干燥、研磨后制成氢氧化镁粉体。
一种用于实现合成超细氢氧化镁阻燃剂的方法的装置，包括超重力反应器以及含有电机、电机架和连接轴的动力控制装置，其中超重力反应器的结构包含壳体、设置于壳体内部的环形填料层以及安装于壳体一侧的液体分布器，液体分布器分别通过原料液输送管路与储液槽Ⅰ、储液槽Ⅱ连通，本发明的创新点在于所述液体分布器由与进液口Ⅰ相通的进液管Ⅰ和与进液口Ⅱ相通的进液管Ⅱ组成，进液管Ⅰ为直管状，进液管Ⅱ为前端设有90度弯头的直管状，其中进液管Ⅰ前端管壁上间隔开有喷嘴Ⅰ，位于进液管Ⅱ前端的弯头上开有与进液管Ⅰ的喷嘴Ⅰ对应的喷嘴Ⅱ，喷嘴Ⅰ、喷嘴Ⅱ均为直径是1～3mm的圆孔。 所述液体分布器的喷嘴Ⅰ、喷嘴Ⅱ位于环形填料层中央的空腔部位。
所述储液槽Ⅰ和储液槽Ⅱ均为密闭槽，避免原料液与空气接触发生化学反应，储液槽Ⅰ及与其连通的原料液输送管路外设有加热保温层，保证反应温度。
所述壳体底部设有锥形出液口，所合成的氢氧化镁沉淀物不会沉积在设备的死角，从底部出液口直接排出，避免了产物氢氧化镁的损失。
所述电机的控制端连有变频器，通过变频器控制转速进行反应。
采用本发明所述的方法及装置，氯化镁溶液和氢氧化钠溶液同时由超重力反应器的进液口进入液体分布器，并在进液管的喷嘴处以一定速度相向撞击，同时两个进液管及喷嘴的设计，保证了反应原料液第一次快速均匀的混合、反应，随后进入以一定转速旋转的填料层内缘，氯化镁溶液和氢氧化钠溶液由内向外径向通过填料层，在高速旋转而产生的超重力场的作用下，液体变成更细小的液丝、液膜或液滴，使溶液呈高度分散状态，在环形填料层内完成第二次快速均匀的混合、反应，产物经超重力反应器的锥形出液口排出。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明所述的装置及方法，使氯化镁溶液和氢氧化钠溶液在液体分布器的喷嘴处实现第一次混合、反应，在高速旋转的环形填料层中实现第二次混合、反应，弥补第一次混合的边缘效应造成的混合效果差，经过两次充分混合，增大了反应物的接触面积，提高了微观混合效率，极大缩短了反应物的混合时间，同时，通过优化实验，确定了最佳的反应温度、撞击初速度、环形填料层的转速，因此，可以制备出粒径分布均匀、分散性好的高品质超细氢氧化镁阻燃剂；
2、本发明所述的装置结构简单、体积小、易操作、能耗低，其制备的超细氢氧化镁阻燃剂与常规技术相比易洗涤，耗水量大大减小，过滤沉降性能较好，粒径分布均匀；
3、超重力反应器快速均匀的微观混合性能，使得反应在整个体系中同时进行，提高了氢氧化镁构晶分子的过饱和度，成核呈爆发式增长，使得氢氧化镁构晶分子浓度下降，抑制了晶核的长大，更易生成纳米级超细氢氧化镁阻燃剂；
4、超重力反应器壳体焊接的液体出口设计为锥形，有效地避免了氢氧化镁产品沉积在设备的死角，减少了产品的损失量，提高了产率；
总之，本发明装置结构简单、操作简便，工艺设计合理，能强化反应物的混合效率，使产品分散性好、粒度分布均匀，而且运行稳定、能耗低、易维护，改善了超细氢氧化镁阻燃剂在高分子材料中的填充和分散性能，在提高阻燃性能的同时不影响材料的机械、物理性能。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为反应温度对结晶反应影响实验结果图；
图3为撞击初速对结晶反应影响实验结果图；
图4为环形填料层对结晶反应影响实验结果图
图中：1-储液槽Ⅰ；2-搅拌装置；3-储液槽Ⅱ；4-原料液输送管路；5-耐腐蚀泵；6-液体分布器；7-环形填料层；8-锥形出液口；9-电机；10-电机架；11-连接轴；12-壳体；13-变频器；14-液体流量计；15-阀门；6.1-进液口Ⅰ；6.2-进液管Ⅰ；6.3-进液口Ⅱ；6.4-进液管Ⅱ；6.5-弯头。
具体实施方式
一种合成超细氢氧化镁阻燃剂的方法，如图1所示，包括以下步骤：
1）开启搅拌装置，在储液槽Ⅰ1中配制浓度范围为0.5~2.0mol/L的氯化镁原料液，开启加热保温层将其加热，控制其温度在50～80℃，开启搅拌装置2，在储液槽Ⅱ3中配制浓度范围为1.0~4.0mol/L的氢氧化钠原料液；
2）同时开启两种原料液输送管路4上的耐腐蚀泵5，两种原料液同时由超重力反应器的进液口Ⅰ6.1、进液管Ⅰ6.2以及进液口Ⅱ6.3、进液管Ⅱ6.4进入液体分布器6，并在进液管的喷嘴处以5～12m/s的初速度相向撞击，形成扇形液面，完成第一次均匀混合、反应，两种原料液的体积流量为20~120L/h；
3）撞击后的两种原料液进入超重力反应器、并以900~1500rpm的转速进入旋转的环形填料层7中，由内向外径向通过环形填料层，在环形填料层内完成第二次快速均匀的混合、反应，反应温度为50~80℃，反应循环时间为0.5~2.5h，得到氢氧化镁浆料，经超重力反应器的锥形出液口8排出，最后经过滤、洗涤、干燥、研磨后制成氢氧化镁粉体。
上述方法中，本发明通过以下优化实验，最终确定了最佳反应温度、撞击速度以及环形填料层的旋转速度，具体分析过程如下：
表1反应温度对结晶反应影响实验结果
根据表1数据绘制沉降速率—反应温度曲线图，如图2所示，可以发现60℃为一个转折点，在温度较低时晶核形成速率大于晶体长大速率，生成的氢氧化镁粒径细小，沉降速率小，当温度高于80℃时，所得产品粒径小但表面能大，静电斥力现象明显，沉降性能变差。所以从能耗和沉降性能考虑，反应温度选取50℃～80℃。
表2撞击初速对结晶反应影响实验结果
根据表2数据绘制沉降速率(m/s)—撞击初速(m/s)曲线图，如图3所示，可以发现在撞击初速为6.29m/s(即体积流量为60L/h)时，沉降速率相对较大。当原料撞击初速较低时，在液体分布器顶端不能很好的形成雾面，液体不能得到均匀的混合，致使晶体粒径不均匀，而撞击初速大于12m/s时，成核速度爆发式增大，生成的氢氧化镁产品易与溶液中的水形成氢键，导致过滤沉降性能下降。因此，从能耗和沉降性能考虑氯化镁和氢氧化钠原料液的撞击初速选择为5~12m/s。
表3 环形填料层对结晶反应影响实验结果
如图4所示，环形填料层的转速低于900rpm时，制得的氢氧化镁产品沉降快但粒径大，氢氧化镁的分散性较差，而环形填料层的转速高于1500rpm时，氢氧化镁溶液的粘性大，过滤沉降性能下降，洗涤、分离等后处理操作困难，因此环形填料层的转速选择为900~1500rpm。
如图1所示，一种用于实现合成超细氢氧化镁阻燃剂的方法的装置，包括超重力反应器以及含有电机9、电机架10和连接轴11的动力控制装置，电机的控制端连有变频器13，其中超重力反应器的结构包含壳体12、设置于壳体内部的环形填料层7以及安装于壳体一侧的液体分布器6，壳体底部设有锥形出液口8，壳体安装于水平台上，锥形出液口置于水平台下方，且在水平台上安装支架，支撑电机，液体分布器分别通过原料液输送管路与储液槽Ⅰ、储液槽Ⅱ连通，为了便于操作和控制，原料液输送管路上课安装液体流量计和阀门，通过液体流量计14计量，液量可由阀门15控制；储液槽Ⅰ1和储液槽Ⅱ3均为密闭槽，储液槽Ⅰ及与其连通的原料液输送管路外设有加热保温层，可在液储槽外以及氯化镁溶液进液管外缠加热带，液体分布器由与进液口Ⅰ6.1相通的进液管Ⅰ6.2和与进液口Ⅱ6.3相通的进液管Ⅱ6.4组成，进液管Ⅰ为直管状，进液管Ⅱ为前端设有90度弯头6.5的直管状，其中进液管Ⅰ前端管壁上间隔开有喷嘴Ⅰ，位于进液管Ⅱ前端的弯头上开有与进液管Ⅰ的喷嘴Ⅰ对应的喷嘴Ⅱ，喷嘴Ⅰ、喷嘴Ⅱ均为直径是1～3mm的圆孔，液体分布器6的喷嘴Ⅰ、喷嘴Ⅱ位于环形填料层7中央的空腔部位。
实施例一：
采用本发明工艺流程附图1，将配制好的浓度为0.5mol/L的氯化镁溶液置于储液槽Ⅰ中，浓度为1.0mol/L的氢氧化钠溶液置于储液槽Ⅱ中。开启超重力反应器，通过调节变频器将超重力反应器的转速控制在900r/min。开启耐腐蚀泵，通过调节流量计将氯化镁溶液与氢氧化钠溶液体积流量分别控制在20L/h、20L/h。在超重力反应器中进行液液接触反应，反应温度控制在50℃，反应时间为0.5h。通过上述步骤合成的氢氧化镁浆液经过过滤、洗涤、干燥、研磨后得到平均粒径为17.0nm的氢氧化镁产品。
实施例二：
采用本发明工艺流程附图1，将配制好的浓度为2.0mol/L的氯化镁溶液置于储液槽Ⅰ中，浓度为4.0mol/L的氢氧化钠溶液置于储液槽Ⅱ中。开启超重力反应装置，通过调节变频器将超重力反应器的转速控制在1500r/min。开启耐腐蚀泵，氯化镁溶液与氢氧化钠溶液体积流量分别控制在120L/h、120L/h，在超重力反应器中进行液液接触反应，反应温度控制在80℃，反应时间为2.5h。通过上述步骤合成的氢氧化镁浆液经过过滤、洗涤、干燥、研磨后得到平均粒径为10.0nm的氢氧化镁产品。
实施例三：
采用本发明工艺流程附图1，将配制好的浓度为1.0mol/L的氯化镁溶液置于储液槽Ⅰ中，浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液置于储液槽Ⅱ中，开启超重力反应装置，通过调节变频器将超重力反应器的转速控制在1200r/min。开启耐腐蚀泵，氯化镁溶液与氢氧化钠溶液体积流量分别控制在90L/h、90L/h，在超重力反应器中进行液液接触反应，反应温度控制在70℃，反应时间为1.0h。通过上述步骤合成的氢氧化镁浆液经过过滤、洗涤、干燥、研磨后得到平均粒径为7.0nm的氢氧化镁产品。
实施例四：
采用本发明工艺流程附图1，将配制好的浓度为1.5mol/L的氯化镁溶液置于储液槽Ⅰ中，浓度为3mol/L的氢氧化钠溶液置于储液槽Ⅱ中，开启超重力反应装置，通过调节变频器将超重力反应器的转速控制在1370r/min。开启耐腐蚀泵，氯化镁溶液与氢氧化钠溶液体积流量分别控制在100L/h、120L/h，在超重力反应器中进行液液接触反应，反应温度控制在55℃，反应时间为2.0h。通过上述步骤合成的氢氧化镁浆液经过过滤、洗涤、干燥、研磨后得到平均粒径为13.5nm的氢氧化镁产品。
实施例五：
采用本发明工艺流程附图1，将配制好的浓度为0.75mol/L的氯化镁溶液置于储液槽Ⅰ中，浓度为3.5mol/L的氢氧化钠溶液置于储液槽Ⅱ中，开启超重力反应装置，通过调节变频器将超重力反应器的转速控制在1120r/min。开启耐腐蚀泵，氯化镁溶液与氢氧化钠溶液体积流量分别控制在50L/h、50L/h，在超重力反应器中进行液液接触反应，反应温度控制在65℃，反应时间为1.5h。通过上述步骤合成的氢氧化镁浆液经过过滤、洗涤、干燥、研磨后得到平均粒径为10.9nm的氢氧化镁产品。
Claims (1)
1.一种合成超细氢氧化镁阻燃剂的方法，其特征是包括以下步骤：
1）开启搅拌装置，在储液槽Ⅰ（1）中配制浓度范围为0.5~2.0mol/L的氯化镁原料液，开启加热保温层将其加热，控制其温度在50～80℃，开启搅拌装置（2），在储液槽Ⅱ（3）中配制浓度范围为1.0~4.0mol/L的氢氧化钠原料液；
2）同时开启两种原料液输送管路（4）上的耐腐蚀泵（5），两种原料液同时由超重力反应器的进液口Ⅰ（6.1）、进液管Ⅰ（6.2）以及进液口Ⅱ（6.3）、进液管Ⅱ（6.4）进入液体分布器（6），并在进液管的喷嘴处以5～12m/s的初速度相向撞击，完成第一次均匀混合、反应，两种原料液的体积流量为20~120L/h；
3）撞击后的两种原料液进入超重力反应器、并以900~1500rpm的转速进入旋转的环形填料层（7）中，由内向外径向通过环形填料层，在环形填料层内完成第二次快速均匀的混合、反应，反应温度为50~80℃，反应循环时间为0.5~2.5h，得到氢氧化镁浆料，经超重力反应器的锥形出液口（8）排出，最后经过滤、洗涤、干燥、研磨后制成氢氧化镁粉体；
用于实现所述的合成超细氢氧化镁阻燃剂的方法的装置，包括超重力反应器以及含有电机（9）、电机架（10）和连接轴（11）的动力控制装置，其中超重力反应器的结构包含壳体（12）、设置于壳体内部的环形填料层（7）以及安装于壳体一侧的液体分布器（6），液体分布器分别通过原料液输送管路与储液槽Ⅰ、储液槽Ⅱ连通，所述液体分布器由与进液口Ⅰ（6.1）相通的进液管Ⅰ（6.2）和与进液口Ⅱ（6.3）相通的进液管Ⅱ（6.4）组成，进液管Ⅰ为直管状，进液管Ⅱ为前端设有90度弯头（6.5）的直管状，其中进液管Ⅰ前端管壁上间隔开有喷嘴Ⅰ，位于进液管Ⅱ前端的弯头上开有与进液管Ⅰ的喷嘴Ⅰ对应的喷嘴Ⅱ，喷嘴Ⅰ、喷嘴Ⅱ均为直径是1～3mm的圆孔；液体分布器（6）的喷嘴Ⅰ、喷嘴Ⅱ位于环形填料层（7）中央的空腔部位；壳体底部设有锥形出液口（8）；电机的控制端连有变频器（13）；储液槽Ⅰ（1）和储液槽Ⅱ（3）均为密闭槽，储液槽Ⅰ及与其连通的原料液输送管路外设有加热保温层。
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