Study of the synthesis of hydromagnesite for application in paints

Abstract

The goal of the present thesis was to synthesize hydromagnesite (Mg5(CO3)4(OH)2.4H2O) and to incorporate it in an alkyd paint in order to understand its influence in the paint’s gloss. Hydromagnesite is a mineral which may be found in nature but may be also produced synthetically. This mineral is being used to replace titanium dioxide in paint manufacturing, and presents excellent flame retardant properties. This thesis is focused in the synthesis of hydromagnesite via the carbonation reaction of magnesium hydroxide, at low temperature and pressure. Slurries of magnesium hydroxide in water were prepared at desired temperatures and stirring rate, followed by the addition of CO2 when the desired temperature was achieved, starting the carbonation reaction. After the reaction, the resulting product was filtrated and dried in a microwave/oven and characterized. During the reaction, the pH, temperature and conductivity values were measured, and the solids content was assessed before and after the reaction. To optimize the production of hydromagnesite, parameters such as the initial solids content, drying procedure, CO2 flow rate, reaction time and initial temperature of the slurry were varied. Four initial trial reactions were performed to test the feasibility of the carbonation reaction. Initially, two reactions with 7 wt% of magnesium hydroxide with different agitation were performed. Both slurries where prepared at 20˚C. The product from the second reaction was subjected to a XRD analysis, which showed that only 10 wt% of hydromagnesite was produced. Then, a reduction in the particles size of the magnesium hydroxide was performed and XRD has shown a yield of 59 wt% of hydromagnesite. The last reaction of this trial was performed with a slurry at 60˚C and a higher CO2 flow rate, which was introduced at 64˚C. A higher particle size and specific surface area were obtained. The Loss On Ignition test confirmed that a higher yield of hydromagnesite was achieved, 62.2 wt%.Subsequently, four reactions with different initial solids content (4 to 7 wt%) were carried out. The reaction with 5 wt% of magnesium hydroxide achieved a higher yield of hydromagnesite (75.2 wt%), while the lowest percentage was obtained with 7 wt% of magnesium hydroxide (69.6 wt%). The particle size analysis showed that the highest value of the mean diameter was obtained with an initial solids content of 4 wt%, while the lowest one was achieved with 7 wt% of magnesium hydroxide. Using 5 wt% of magnesium hydroxide, the specific surface area featured the maximum value, while, once again, the lowest value was obtained with 7 wt%. SEM analysis revealed that the produced hydromagnesite exhibited a clearly defined rose-flower structure. The unusual increase in the surface area with the size of the particles may be explained by this complex morphology of hydromagnesite particles, with a more open structure with increasing size.The reduction of CO2 flow rate resulted in a lower percentage of hydromagnesite, even after more reaction time. On the other hand, the tests revealed that bigger particles and higher specific surface areas were obtained when the product was dried in the microwave. Higher percentages of hydromagnesite were also obtained with this drying method.In summary, in order to optimize the production of hydromagnesite, a slurry with 4-5 wt% of magnesium hydroxide should be prepared at 60˚C and CO2 should be added at 64˚C. The resultant product should be dried in a microwave.The rose-flower structure of hydromagnesite leads to a decrease in the gloss of the paint when this mineral is incorporated in its formulation as a filler. When testing the synthesized hydromagnesite in an alkyd paint for metal/wood surfaces, the glossy paint features a matte aspect. However, further work to reduce agglomerates in the paint formulation will be required for optimum performance.

O objetivo da presente tese foi sintetizar hidromagnesite (Mg5(CO3)4(OH) 2.4H2O) e incorporá-la numa tinta alquídica de forma a verificar a sua influência no brilho da tinta. A hidromagnesite é um mineral que pode ser encontrado na natureza, mas também pode ser produzido sinteticamente. Este mineral tem sido usado para substituir o dióxido de titânio na formulação de tintas, e também apresenta excelentes propriedades retardadoras de chama. Assim, o foco desta tese foi a síntese de hidromagnesite através da reação de carbonatação do hidróxido de magnésio, a baixas pressão e temperatura. O procedimento experimental consistiu em preparar, à temperatura desejada, suspensões de hidróxido de magnésio com água e seguidamente submetê-las a agitação. Seguidamente, quando se atingiu a temperatura desejada, introduziu-se o CO2, iniciando-se desta forma a reação de carbonatação. Terminada a reação, o produto resultante é então filtrado, seco num micro-ondas/estufa e caracterizado. Durante a reação, mediram-se os valores de pH, temperatura e condutividade, bem como o teor de sólidos inicial e final. Para otimizar a produção de hidromagnesite, estudou-se a variação de parâmetros como o teor de sólidos inicial, o método de secagem, o caudal de CO2, tempo de reação e temperatura inicial da suspensão.Começou-se por testar a viabilidade da reação de carbonatação, realizando-se assim um conjunto de quatro reações iniciais. Foram realizadas duas reações com 7% (m/m) de hidróxido de magnésio com diferente agitação. Ambas as suspensões foram preparadas a 20˚C. O produto resultante da segunda reação foi submetido a análise XRD, que mostrou que apenas 10% (m/m) de hidromagnesite foi produzida. Seguidamente optou-se por reduzir o tamanho das partículas de hidróxido de magnésio e, desta forma, a análise XRD confirmou um rendimento de hidromagnesite de 59% (m/m). Para terminar este ensaio, preparou-se uma suspensão a 60˚C e com um caudal de CO2 maior, que foi introduzido a 64˚C. Com estas condições foram obtidas partículas maiores e com uma área de superfície específica maior. O teste de perda ao fogo confirmou que se obteve um rendimento de hidromagnesite maior, 62.2% (m/m).Seguidamente, foram realizadas quatro reações com teor de sólidos iniciais diferentes (4 a 7% (m/m)). O maior rendimento de hidromagnesite foi obtido com 5% (m/m) de hidróxido de magnésio (75.2% (m/m)), enquanto que o menor foi obtido com 7% (m/m) (69.2% (m/m)). A análise do tamanho de partículas comprovou que o maior diâmetro médio foi obtido com um teor de sólidos inicial de 4% (m/m), enquanto que com 7% (m/m) de hidróxido de magnésio se obteve o menor diâmetro médio. Utilizando 5% (m/m) de hidróxido de magnésio obteve-se o valor máximo para a área de superfície específica e, mais uma vez, o menor valor foi obtido com 7% (m/m). A análise SEM comprovou que a hidromagnesite exibe uma estrutura em forma de rosa claramente definida. O aumento incomum da área superfície específica com o tamanho de partículas pode ser explicado pela morfologia complexa das partículas de hidromagnesite, com estrutura mais aberta com o aumento do tamanho.A redução do caudal de CO2 resulta em menor percentagem de hidromagnesite, mesmo após maior tempo de reação. Por outro lado, quando se procede à secagem do produto no micro-ondas, obtêm-se maiores partículas e uma área de superfície específica maior. Este método de secagem também permite obter maiores percentagens de hidromagnesite.Em suma, para otimizar a produção de hidromagnesite, a temperatura inicial da suspensão deve ser 60˚C, deve conter 4-5% (m/m) hidróxido de magnésio e o CO2 deve ser introduzido aos 64˚C. O produto resultante da reação deve ser seco num micro-ondas.A estrutura em forma de rosa claramente definida da hidromagnesite leva à diminuição do brilho quando este mineral é incorporado em tinta como filler. Testes realizados com a hidromagnesite sintetizada, numa tinta alquídica para superfícies metálicas/madeira, confirmaram que esta perde o brilho e passa a ter um aspeto mate. Contudo, este mineral tende a formar aglomerados na tinta, pelo que será necessário trabalho no futuro para reduzir estes aglomerados e otimizar o desempenho da tinta.