Hebei Messi Biology Co., Ltd. weist darauf hin, dass Magnesiumhydroxid ein umweltfreundliches, „grünes“ anorganisches Flammschutzmittel ist, das sich durch hervorragende flammhemmende Eigenschaften, Rauchunterdrückung und gute Füllstoffqualitäten auszeichnet. Es besitzt eine hohe Zersetzungstemperatur und setzt bei der Zersetzung keine toxischen oder schädlichen Schadstoffe frei; zudem lässt es sich synergetisch mit anderen Flammschutzmitteln kombinieren, um eine überlegene flammhemmende Wirkung zu erzielen. Die aktuelle Forschung zu Magnesiumhydroxid-Flammschutzmitteln für Kunststoffe konzentriert sich vor allem auf Dosierung, Oberflächenmodifizierung, Partikelgröße und Compoundierungsstrategien.
Wirkungsweise von Magnesiumhydroxid als Flammschutzmittel
Magnesiumhydroxid verfügt über eine einzigartige Schichtstruktur, die ihm eine hervorragende Thixotropie und eine niedrige Oberflächenenergie verleiht, wodurch es in Kunststoffen wirksam Flammschutz und Rauchunterdrückung bietet. Bei 340 °C beginnt die thermische Zersetzung in Magnesiumoxid und Wasser, wobei die vollständige Zersetzung bei Temperaturen bis zu 490 °C erfolgt – ein Prozess, der erhebliche thermische Energie absorbiert. Die spezifischen Wirkmechanismen sind wie folgt:
(1) Magnesiumhydroxid besitzt eine hohe Wärmekapazität; bei der thermischen Zersetzung absorbiert es beträchtliche Wärmemengen und setzt große Mengen Wasserdampf frei. Dies senkt nicht nur die Oberflächentemperatur des Materials, sondern reduziert auch die Bildung brennbarer niedermolekularer Substanzen.
(2) Die bei der Zersetzung entstehende große Menge an Wasserdampf hüllt die Materialoberfläche ein, senkt die Sauerstoffkonzentration in der Luft an der Verbrennungszone und hemmt dadurch den Verbrennungsvorgang.
(3) Das bei der Zersetzung entstehende Magnesiumoxid ist ein hervorragendes feuerfestes Material; es überzieht die Materialoberfläche und fördert die Verkohlung der Polymermatrix. Dabei entsteht eine Verkohlungsschicht, die den Wärme- und Lufteintritt blockiert und den Verbrennungsprozess wirksam stoppt.
(4) Magnesiumhydroxid wirkt als Katalysator für Redoxreaktionen und fördert die Umwandlung von CO zu CO2 während der Verbrennung. Zudem kann das entstehende Magnesiumoxid saure Gase wie SO2, CO2 und NO2 neutralisieren, die bei der Verbrennung anfallen, und so die Emission toxischer und schädlicher Gase verringern. Herstellung von Magnesiumhydroxid-Flammschutzmitteln
1 Verfahren der physikalischen Zerkleinerung
Bei der physikalischen Zerkleinerung werden natürliche Mineralien (überwiegend Brucit) mithilfe mechanischer Verfahren oder Ultraschalltechnik zerkleinert und ultrafein gemahlen, um Magnesiumhydroxid im gewünschten Partikelgrößenbereich zu erhalten. Obwohl dieses Verfahren zur Herstellung von Magnesiumhydroxid einfach und kostengünstig ist, weist das Endprodukt häufig eine geringe Reinheit und eine ungleichmäßige Partikelgrößenverteilung auf; daher sind in der Regel spezielle Mahltechniken oder der Zusatz von Mahlhilfsmitteln (bzw. Dispergiermitteln) erforderlich, um hochwertiges Magnesiumhydroxid zu gewinnen.
Die Ultrafeinmahlung von Brucit in einer Planetenkugelmühle unter verschiedenen Prozessparametern lieferte Magnesiumhydroxid mit relativ gleichmäßiger Partikelgröße. Das so gewonnene Magnesiumhydroxid verbessert die flammhemmenden Eigenschaften von Polyestermaterialien. Zwar verursacht die physikalische Zerkleinerung nur eine geringe Umweltbelastung, doch sind die entstehenden Partikel relativ groß und ungleichmäßig – was eine weitere ultrafeine Bearbeitung notwendig macht –, und das Produkt weist erhebliche Verunreinigungen sowie eine geringe Reinheit auf, was seine industrielle Anwendung und Weiterentwicklung stark einschränkt.
2 Chemisches Festphasenverfahren
Das Festphasenverfahren zur Herstellung von Magnesiumhydroxid umfasst das Mischen fester Metallsalze und Metallhydroxide in bestimmten Verhältnissen, gefolgt von Mahlen und Kalzinieren, um eine Festphasenreaktion auszulösen, die das Magnesiumhydroxid-Produkt liefert. Obwohl sich dieses Verfahren durch einen einfachen Prozess und niedrige Kosten auszeichnet, weist es Nachteile wie geringe Produktreinheit, Agglomerationsneigung und schlechtes Dispergierverhalten auf, was zu einer begrenzten Verwendung in der industriellen Großproduktion führt.
3 Chemisches Gasphasenverfahren
Beim Gasphasenverfahren zur Herstellung von Magnesiumhydroxid dient Ammoniakgas als Fällungsmittel, das direkt in eine Mg²⁺-Ionen enthaltende Lösung eingeleitet wird. Die Qualität des auf diese Weise hergestellten Magnesiumhydroxids wird von Faktoren wie der Ammoniak-Durchflussrate, der Rührintensität und der Reaktionstemperatur beeinflusst.
Unter Verwendung von Bischofit und Ammoniakgas als Ausgangsstoffe – bei einer Rührintensität von 30 U/min, einem Molverhältnis von Ammoniak zu Magnesium von 2:1, einer Ammoniak-Durchflussrate von 320 ml/min, einer Alterungszeit von 90 Minuten und einer Reaktionstemperatur von 60 °C – wurde Magnesiumhydroxid mit einer Reinheit von 99,60 % und einem Weißgrad von 99,34 gewonnen. Magnesiumhydroxid wurde zudem unter Verwendung von Dolomiterz als Rohstoff hergestellt; das Verfahren umfasste die Schritte Kalzinierung, Ammoniak-Stripping und anschließende Fällung mit Ammoniakgas. Die höchste Umwandlungsrate der Magnesiumionen wird bei einer Reaktionstemperatur von 100 °C, einer Reaktionszeit von 3,5 Stunden und einem Molverhältnis von NH₄⁺ zu Dolomitkalk von 4,2:1 erzielt. Die Herstellung von Magnesiumhydroxid-Flammschutzmitteln in der Gasphase liefert Produkte von hoher Reinheit, gleichmäßiger Partikelgröße und guter Dispergierbarkeit, was auf die während des Prozesses konstant gehaltene Ammoniakkonzentration zurückzuführen ist. Da bei der Einleitung von Ammoniakgas kein Wasser zugeführt wird, weist die resultierende Magnesiumhydroxid-Suspension zudem eine hohe Konzentration auf; das Herstellungsverfahren benötigt weniger Platz und bietet eine höhere Anlagenproduktivität. Allerdings stellt dieses Verfahren hohe Anforderungen an die Ausrüstung und Technologie und birgt das Risiko einer Umweltbelastung durch die Diffusion von Ammoniakgas.
4 Chemische Verfahren in der Flüssigphase
Verfahren in der Flüssigphase zur Herstellung von Magnesiumhydroxid nutzen Magnesiumsalze als primären Rohstoff. Diese reagieren mit alkalischen Substanzen, die Hydroxidionen (OH⁻) enthalten, zu einem Magnesiumhydroxid-Niederschlag, der anschließend gewaschen und getrocknet wird, um das Endprodukt zu erhalten. Zu den Flüssigphasenverfahren gehören verschiedene Techniken wie die direkte Fällung, die solvothermale und hydrothermale Synthese, die Fällung mit azeotroper Destillation, die Sonochemie sowie die mikrowellengestützte Synthese.
5 Verfahren der direkten Fällung
Das Verfahren der direkten Fällung, auch als Alkaliverfahren bekannt, beruht auf der direkten Reaktion einer Magnesiumlösung mit einem alkalischen Fällungsmittel (oder dessen Vorläufer), um Magnesiumhydroxid zu erzeugen. Je nach Art des verwendeten Fällungsmittels lässt sich dieses Verfahren in das Kalkverfahren, das Ammoniakverfahren, das Natriumhydroxidverfahren und das Calciumhydroxidverfahren unterteilen. Durch die Zugabe von Natriumchlorid als Hilfsstoff zu den herkömmlichen Rohstoffen konnte mittels direkter Fällung Magnesiumhydroxid mit höherer Reinheit und gleichmäßigerer Partikelgröße synthetisiert werden. Obwohl das Verfahren der direkten Fällung einfach umzusetzen ist, nur einen geringen apparativen und technischen Aufwand erfordert und die Bildung von Verunreinigungen minimiert, werden die Eigenschaften des Endprodukts stark von den Reaktionsbedingungen beeinflusst; daher konzentriert sich die aktuelle Forschung auf Parameter wie Rohstoffkonzentration, Reaktionsablauf, Reaktionszeit, Temperatur und Rührgeschwindigkeit.
6 Solvothermale und hydrothermale Verfahren
Solvothermale und hydrothermale Verfahren sind chemische Synthesemethoden, die eine einfache Steuerung von Größe und Dispergierbarkeit des Magnesiumhydroxids ermöglichen. Diese Verfahren nutzen hohe Temperaturen und Drücke, um die Eigenschaften von Magnesiumhydroxid zu modifizieren. Sie begünstigen die vollständige Reaktion und Kristallisation von Magnesiumsalzen und alkalischen Substanzen, wodurch Magnesiumhydroxid mit überlegener Partikelgleichmäßigkeit und Dispergierbarkeit gewonnen wird. Es wurde Forschung zur Herstellung kugelförmiger Magnesiumhydroxid-Flammschutzmittel mittels eines hydrothermalen Verfahrens unter Verwendung organischer Lösungsmittel betrieben. Die Ergebnisse zeigen, dass sich kugelförmige Magnesiumhydroxid-Partikel – gekennzeichnet durch geringe Verunreinigungen, hohe Dispergierbarkeit und gute Kristallinität – gewinnen lassen, wenn der Massenanteil des organischen Lösungsmittels 35 % beträgt, die hydrothermale Reaktionstemperatur bei 190 °C liegt und die Reaktionszeit 5 Stunden beträgt. Die aktuelle Forschung zu solvothermalen und hydrothermalen Verfahren konzentriert sich vor allem darauf, die Leistungsfähigkeit von Magnesiumhydroxid-Produkten zu steigern. Dies geschieht durch Strategien wie den Einsatz verschiedener organischer Lösungsmittel oder Additive sowie die Optimierung von Parametern wie Reaktionszeit und -temperatur.
7 Fällungs- und Azeotropdestillationsverfahren
Das Fällungs- und Azeotropdestillationsverfahren begegnet den Agglomerationsproblemen, die häufig bei der herkömmlichen Herstellung von Magnesiumhydroxid auftreten. Das zugrundeliegende Prinzip ist, dass die ausgefällten Partikel typischerweise mit Wassermolekülen gesättigt sind; eine direkte Trocknung führt oft zu harter Agglomeration, die durch Kapillardruck verursacht wird. Im Gegensatz dazu nutzt die Azeotropdestillation organische Substanzen (wie Alkohole), die bei bestimmten Temperaturen Azeotrope mit Wasser bilden. Dadurch wird Feuchtigkeit aus dem Magnesiumhydroxid-Kolloid entfernt, was die Dispergierbarkeit verbessert und ein Produkt mit hervorragenden Dispersionseigenschaften liefert.
8 Sonochemische und mikrowellengestützte Verfahren
Sowohl sonochemische als auch mikrowellengestützte Verfahren stellen neuartige Techniken zur Herstellung von Magnesiumhydroxid-Flammschutzmitteln dar. Das sonochemische Verfahren basiert auf chemischen Reaktionen, die unter extremen Bedingungen initiiert werden; es nutzt primär Ultraschallwellen, um die Bildung und den Kollaps von Mikroblasen auszulösen, wodurch unter hohen Temperaturen und Drücken aktive Zentren entstehen. Dies beschleunigt die chemische Reaktionsgeschwindigkeit und sorgt für eine gleichmäßigere und konsistentere Morphologie der Magnesiumhydroxid-Partikel.
Unter Verwendung von aktivem Magnesiumoxid als Ausgangsmaterial wurde mittels eines ultraschallgestützten Hydratisierungsverfahrens (bei 450 W Ultraschallleistung über 2 Stunden) erfolgreich ein Magnesiumhydroxid-Flammschutzmittel mit günstiger Partikelgröße und guter Dispergierbarkeit hergestellt. Die Forschung auf diesem Gebiet konzentriert sich auf Parameter wie Ultraschallleistung und Produktleistung, mit dem Ziel, die Gesamtvorteile des sonochemischen Herstellungsverfahrens zu maximieren. Das sonochemische Verfahren macht eine Druckregelung während der Reaktion überflüssig, ermöglicht höhere Gesamtreaktionsgeschwindigkeiten, arbeitet bei relativ niedrigeren Temperaturen und bietet eine überlegene Prozesskontrolle. Das mikrowellengestützte Verfahren wurde auf der Grundlage konventioneller Wellensimulationsprogramme entwickelt. Durch die Kombination des Verfahrens der homogenen Fällung mit der mikrowellengestützten Synthese – unter Verwendung von Magnesiumsulfat sowie einer NH3·H2O-NH4Cl-Pufferlösung als Ausgangsstoffe – wurden blütenblattartige Magnesiumhydroxid-Nanomaterialien mit einer Schichtdicke von etwa 40 nm synthetisiert. Die Herstellung von Magnesiumhydroxid mittels Mikrowellentechnologie ist mit einem vergleichsweise geringen Energieverbrauch verbunden und vermeidet eine nennenswerte Umweltbelastung. Darüber hinaus verkürzt der Erwärmungsmechanismus des mikrowellengestützten Verfahrens die Reaktionszeit erheblich und begünstigt einen gleichmäßigeren Hochtemperaturzustand innerhalb der Lösung. Dieser mikrowellengestützte Ansatz lässt sich mit Techniken wie dem hydrothermalen Verfahren kombinieren, um weitere neuartige Herstellungswege sowie das tiefgreifende Anwendungspotenzial von Magnesiumhydroxid-Flammschutzmitteln zu erschließen.