碱式硫酸镁晶须制备及应用研究

东北大学 印万忠  陈  旭  韩跃新

    碱式硫酸镁晶须是一种无机增强增韧材料，具有强度高、电气性能好、比重小、对极性溶剂亲和性强等特点，
可广泛用于塑料、陶瓷、涂料、金属、化工、航空航天等领域。由于晶须尺寸极小，晶体结构比较完整，几乎没有
位错、空穴、杂质、结晶界面等缺陷，因此其强度和模量均接近完整晶体的原子结合力的理论极限值，是一种力学
性能十分优异的补强剂。此外，由于分子中带有结晶水，多在260℃以下受热分解，且其分解产物无毒副作用，可
作为环境友好型阻燃剂。


制备技术
　　自20世纪80年代初梅村纯郎等人首次合成碱式硫酸镁晶须后，人们对其制备方法和性能开展了进一步的研究。
制备方法大多以氢氧化镁或氧化镁与硫酸镁，或以氢氧化钠、硫酸镁、硫酸钠为原料，采用水热反应生成碱式硫酸
镁晶须。由于反应温度、时间、压力、料浆浓度、搅拌速度等都对晶须产品的形貌和性能有影响，故在制备过程中
需严格控制反应条件。
　　Nishio等以硫酸镁和氢氧化镁为原料，在水热条件下合成得到碱式硫酸镁晶须。但晶须的最小直径为 0.3μm、
长度最长为100μm，产物不均一，长径比变化较大，晶须效果并不佳。Yamaguchi等用氢氧化镁和氧化镁与硫酸水
溶液反应，在50～300℃条件下制备碱式硫酸镁晶须。另外，他们用同样的反应物加入到浓度小于25%的硫酸镁溶
液中，在温度为180℃、压力为10kg/cm2水热条件下生长了针状和扇形碱式硫酸镁晶须，针状晶须的长度为100
μm，直径为1.5μm。
　　目前，国内有关这方面的工作也很多。如魏钟晴等以硫酸镁和氢氧化镁为原料通过水热反应制备碱式硫酸镁晶
须，并探索出最佳合成条件：温度140～170℃，压力304.0～890.6kPa，搅拌强度中等，反应时间2～6h。在此工
作基础上，还进一步对碱式硫酸镁晶须的表观纤维特征、物理化学性质、X射线衍射图和红外吸收光谱进行了较为
详细的研究。弥勇等也是以硫酸镁和氢氧化镁为原料，以上述工艺为基础，在水热反应过程中添加了草酸、乙酸等
有机酸来控制晶须的团聚，制备出了较好的碱式硫酸镁晶须产品。另外，他们还探索出以硫酸镁、氯化镁、氢氧化
钠为原料,控制一定的工艺条件，通过水热反应同样可制备碱式硫酸镁晶须。董殿权等以氧化镁与硫酸镁为原料，
在170℃反应条件下经7.5 h反应制备出碱式硫酸镁晶须，经检测直径为 0.5～10μm、长度为 20～120μm、长径
比30～50，但该工艺反应时间较长，耗能较大，对复合材料的增韧补强作用也不是很明显。东北大学的印万忠、
姜玉芝等以辽宁岫岩菱镁矿为原料，经高温煅烧成活性氧化镁，然后加浓硫酸，在150～200℃的温度下，水热合
成初始反应浓度为2%～4%等条件，经1～4h制备出直径小于1μm，长度为20～100μm，表面光滑、纤细、均匀一
致的碱式硫酸镁晶须。该法工艺简单，制备条件相对宽松，比较容易进行扩大化生产。
　　另据报道，营口威斯克化学有限公司和日本公司合作开发出碱式硫酸镁晶须,可用于塑料复合材料的多功能助
剂，适合作增强材料和阻燃剂，特别适宜于制作形状复杂、尺寸精度高、表面要求高的精密注射件。


应用研究
    1.提高材料力学性能
　　碱式硫酸镁晶须是新型增强材料，近年来多作为石棉的替代品应用于高分子材料中，起到增强增韧作用。它用
作塑料增强材料时，由于膨胀系数与塑料相当，极易同塑料掺混而不会增加熔体粘度，加工流动性好，产品各向同
性，添加后对材料的延伸率以及加工性能影响不大，特别适用于制造形状复杂、尺寸精度要求高、精细薄壁、表面
光滑的精密注塑件，对模具损伤小。该种晶须的价格与玻璃纤维相当，也特别适用于增强PP材料。与PP材料复合
后，能显著改善其机械力学性能，除拉伸强度与纯PP材料相比略有下降外，断裂伸长率会有较大提高。胡海青等
研究发现，常温下，复合后的PP材料冲击强度提高了1.5～2.5倍。当晶须的用量低于30%时，拉伸强度随晶须用
量的增加而提高；当晶须用量超过30%时，拉伸强度则迅速降低。廖明义和范文春等人研究表明，当碱式硫酸镁晶
须加入量为40%时，与其基体相比，拉伸强度提高0.92倍，弯曲强度提高1.61倍，弯曲模量提高2.55倍，增强
效果明显；且增强效果与晶须的表面处理方式关系密切。周大鹏等发现，如果在碱式硫酸镁晶须/PP复合材料体系
中添加β成核剂，能得到一种具有高强度、高模量、高韧性的PP复合材料，可替代部分工程塑料使用。谭凤宜、
陈尔凡、隗学礼等研究表明，碱式硫酸镁晶须能明显提高酚醛树脂模塑品的力学性能，改善其脆性、强度和耐热性；
对尼龙 6的力学性能和阻燃性能也有显著提高；能增强聚氯乙烯、聚乙烯、水泥等材料的刚度及冲击强度。
    2.增强材料阻燃性能
　　碱式硫酸镁晶须除具有一般晶须所具有的提高复合材料机械强度和增韧性能等共同特性外，还具有良好的阻燃
性能。它与基体有很好的亲和作用，可以广泛地应用于PP、PE、ABS及不饱和树脂等高分子材料中，起到阻燃与消
烟的作用。
　　碱式硫酸镁晶须在燃烧时发生脱水反应吸收大量的外界热能来降低基材的温度，生成的水蒸气不仅能稀释火焰
区反应气体的浓度而且能吸收烟雾，起到消烟的作用。它具有比高聚物大得多的热容，在分解前就可吸收大量的热
量，分解温度较高，热稳定性好；受热后自然分解，燃烧后的产物为MgO，无环境污染问题，为绿色环保产品。符
合21世纪低烟、无毒、高效、无卤化的阻燃领域发展方向，是有很好发展前途的无机非金属晶须添加剂之一。
　　龚攀等将一定量的碱式硫酸镁晶须和滑石粉与弹性体MBS一起加入到硬质PVC中，复合材料的维卡软化温度均
较纯PVC有所提高。严满清等研究了PP/EPDM/MOS无卤阻燃体系，通过对氧指数、垂直燃烧、热重分析和锥形量热
器测试，表明添加剂体系极大地提高了阻燃性能。吕通建等用碱式硫酸镁晶须填充到聚丙烯基体，提高了复合材料
的阻燃性能，并且通过碱式硫酸镁晶须与无机阻燃剂Al(OH)3、Mg(OH)2复合PP阻燃性能的对比试验，发现在同一
配比的情况下，前者的阻燃效果明显优于后者。吴强华等通过对碱式硫酸镁晶须阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的研
究，也得出了相似的结论。
    3.其他应用
　　碱式硫酸镁晶须可用作环氧树脂基、不饱和聚酯树脂基等涂料的增粘剂，能使涂料粘度增加，改善增粘性和触
变性，大大提高使用性能和涂抹效果；它也可作过滤材料，其过滤速度和滤液澄清性都比常用的硅藻土、活性氧化
铝、粉碎纸浆、活性炭等效果好。另外，在彩色陶瓷或玻璃的生产中，烘烤彩色陶瓷混合物时表面常会产生气泡，
加入一定量的碱式硫酸镁晶须可避免气泡的产生。


存在问题及对策
     尽管国内对碱式硫酸镁晶须的开发和研究已经做了大量工作，但仍然存在一些问题：
   （1）生产技术仍处于研究和开发阶段，个别厂家采取中外合资的方式生产碱式硫酸镁晶须，但尚未形成足够的
生产规模，无法满足相关的工业需求。
   （2）到目前为止，尚未见到对于碱式硫酸镁晶须制备、改性及其应用技术进行全面系统研究的报道，对于其生
长机理、生长习性、控制生长的主要参数等研究很少，一些试验现象未能得到很好的解释。
   （3）可作为碱式硫酸镁晶须制备原料的优质镁矿未能得到合理利用。目前国内镁矿的开采和加工企业很多，但
产品技术含量不高、附加值比较低，主要是加工成镁砂和菱镁矿粉出售，致使大量优质矿产资源被浪费，经济效益
不高。
　　针对目前存在的问题和不足，建议：
    （1）加强相关科研院所与企业的合作，加大研究的投入力度；
    （2）加强对制备过程中晶须团聚形成机理及防团聚技术研究，以及制备过程中的化学反应机理、结晶动力学
及热力学的研究；
    （3）开发更方便、快捷、实用的碱式硫酸镁晶须产品性能分析检测技术；
    （4）加强对碱式硫酸镁晶须产品的应用研究。