球形氧化镁的制备、表征及性能模拟研究

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氧化镁产品在许多领域的应用性能与原料粉末颗粒的形态和大小密切相关,在不同形貌的氧化镁颗粒中,球形颗粒形貌规则,具有均一性、其较大的比表面积及良好的球形度,可大大提高制品的吸附、导热及催化性能。因此球形氧化镁的制备成为热点之一。本文对球形氧化镁的不同原料和不同制备工艺进行研究。分别以硝酸镁、氯化镁和菱镁矿采用沉淀法、氨法和射频等离子体法制备球形氧化镁,通过XRD、FTIR、SEM、热重及激光粒度分布仪对产物进行表征;另外,使用Materials Studio模拟软件对碳酸镁、氢氧化镁和氧化镁的力学、电子结构及光学性质的变化进行研究。主要研究内容与结论如下:(1)使用共沉淀法成功制备出球形氧化镁,以硝酸镁为原料,碳酸钾为沉淀剂。探究了控制剂的种类及用量、镁盐浓度、不同搅拌时间和陈化温度等因素对球形氧化镁粉体的影响,发现在十二烷基硫酸钠为控制剂下制备的产物颗粒分散均匀、无团聚现象;当SDS控制剂用量为0.15g时;硝酸镁溶液的浓度为0.8 mol/L时;搅拌时间为60 s时;反应温度在60℃时,可制得粒径均匀且形貌规则的球形氧化镁粉体。(2)使用氨法和喷雾干燥法制备高球形度的氧化镁,以氯化镁为原料。探究发现以SDS为控制剂较月桂酸钠为控制剂的分散效果好;当加入2.5%的SDS控制剂时;镁盐浓度为1.0 mol/L时;反应物浓度比4:1时;反应时间为24 h时,颗粒生长与成核完全,其球化高、结构密实、未见团聚现象。氨水用量对产物的形貌无明显的影响。(3)使用沉淀法制备出球形氧化镁前驱体,以成本低廉、无毒无害的菱镁矿为原料,再通过射频等离子体制备球形氧化镁粉体。探究发现用量为0.1g的控制剂SDS(十二烷基硫酸钠)时;反应温度在80℃时,氨水滴加速度和搅拌速度为1 ml/min1500r/min时;陈化时间为50 min时,前驱体产物粒径在2μm左右。通过射频等离子体球化无规则氧化镁,获得球形氧化镁且球化率高达95%,球形度好,分散性好,颗粒密实。(4)使用Materials Studio 2019中的CASTEP模块对Mg CO3、Mg(OH)2和Mg O的电子结构、力学和光学性质进行分析。经计算分析发现:使用GGA-PBE做交换关联函数,将Mg CO3、Mg(OH)2和Mg O经过500 e V的截断能和5x5x5的K点得到最优结构。Mg CO3、Mg(OH)2和Mg O的禁带宽度分别为5.057、5.125和4.464 e V,由此可得,Mg O的活泼性大于Mg CO3和Mg(OH)2。Mg CO3、Mg(OH)2和Mg O的三种物质晶型都较为稳定,Mg CO3和Mg(OH)2为离子性,其中Mg(OH)2的布居数最小即离子性强,Mg O的共价性较强。Mg CO3和Mg O均满足为稳定材料,而Mg(OH)2为不稳定材料。Mg(OH)2和Mg O为脆性材料,而Mg CO3相较前两个韧性较好。Mg CO3、Mg(OH)2和Mg O的介电常数ε1分别为2.17、40和3.12 C~2·N-1·m-2,可得Mg(OH)2屏蔽光的性能最好。
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