柱狀六鈦酸鉀晶體及其合成方法
2023-10-19 08:58:47
專利名稱：柱狀六鈦酸鉀晶體及其合成方法
技術領域：
本發明涉及晶體材料及其合成方法，具體是一種新形態的柱狀六鈦酸鉀晶體。
本發明還涉及所述晶體的合成方法。
背景技術：
鈦酸鉀的分子式為K2O·n(TiO2)，其中n＝2，4，6，8，分別稱為二鈦酸鉀、四鈦酸鉀、六鈦酸鉀、八鈦酸鉀。其中，二鈦酸鉀和四鈦酸鉀晶體具有層狀結構，K+離子居於層間，具有化學活性。而六鈦酸鉀和八鈦酸鉀晶體具有連鎖隧道式結構，K+離子居於隧道中間，與環境隔開，使K+離子具有高的穩定性，故該類鈦酸鉀晶體具有化學穩定性、絕緣性、紅外線反射性、隔熱性等許多獨特的性能。因此，目前以六鈦酸鉀晶體的開發應用居多。由於生產工藝及方法的不同，六鈦酸鉀晶體的形態有鱗片狀、晶須狀及纖維狀。在物理性能以及與其它材料的結合性能方面各自有不同的特點，因此也就有不同的應用。現有的生產工藝有熔融法、熔劑法、氣相生成法等方法。由於各自設計的原材料配方、工藝流程、控制參數不同，形成了不同的技術特點，也就有不同的優缺點。其中晶須狀六鈦酸鉀晶體形態為針狀，長徑比≥20且表面粗糙，表觀密度低，約為0.4～0.7g/cm3，流動性差，因此不利於與其它材料混合均勻。另外，據介紹此種形態的晶體被人體吸入後，存在致癌危險，因此在摩擦材料中不主張採用鈦酸鉀晶須。此外，現已公布的鈦酸鉀晶鬚生產工藝也比較複雜，如申請號為01134183.1的專利，其生產方法包括混合、燒結、驟冷、分散處理、分離、洗滌、乾燥、高溫結晶燒結、二次分散處理、二次乾燥處理和篩分等步驟。由於生產步驟較多，生產流程較長，因此生產成本不會不高。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術存在的缺陷，提供一種新形態的柱狀六鈦酸鉀晶體。該晶體由於呈橢圓或多邊柱體，且平直、端部及表面圓滑、沿長度方向粗細均勻，長徑比≤15，表觀密度高達0.8～1.2g/cm3，因此具有流動性好的優點。
本發明的目的還在於提供一種原材料配方簡單、工藝流程簡短、高效率、低成本的所述柱狀六鈦酸鉀晶體的合成方法，合成出結晶度好、純度高的柱狀六鈦酸鉀晶體。
本發明的柱狀六鈦酸鉀晶體的合成方法，包括以下步驟(1)、配料/混料把碳酸鉀放入水中充分溶解，再將鈦白粉放入碳酸鉀溶液中攪拌均勻；鈦白粉(TiO2)與碳酸鉀(K2CO3)的摩爾比為5.5～6.5∶1；(2)、造粒將步驟(1)得到的混合物裝入加熱爐中烘乾，進入粉碎機粉碎、過40～270目篩，再密封裝袋；或者將步驟(1)得到的混合物裝入噴霧造粒機，霧化、烘乾、過40～270目篩，再密封裝袋；(3)、煅燒將步驟(2)得到的造粒料裝入陶瓷容器並加蓋，再進入分段控溫加熱爐煅燒，煅燒過程由升溫、保溫、降溫三步完成。作為優選方案造粒料在陶瓷容器內的裝料高度控制為50～100mm；煅燒過程中，第一段升溫，升溫速度控制為6～10℃/min；第二段保溫，溫度控制為1180～1220℃，保溫時間為90～150min；第三段降溫，降溫速度控制為5～8℃/min，溫度降到150℃後出爐。
(4)粉碎/分離將步驟(3)得到的煅燒料，先採用錘式破碎機破碎成粗顆粒，再採用振動球磨+風力分選工藝，將其粉碎、分離成單晶體。
本發明方法合成的柱狀六鈦酸鉀晶體，其物理化學性能如下外觀 白色粉末六鈦酸鉀晶體含量 ≥90％
PH 7～10熔點1350～1400℃軟化點 1200℃真密度 3.2g/cm3平均粒度2.5～5.2μm表觀密度0.8～1.2g/cm3水分含量≤0.2％莫氏硬度4本發明與現有方法及其生產的六鈦酸鉀晶體相比，具有以下優點1、原材料配方簡單，只用鈦白粉(TiO2)和碳酸鉀(K2CO3)兩種材料，而不需要其它任何的助劑或熔劑，使得原材料成本降到了最低。
2、工藝流程簡短，整個生產過程包括配料/混料、造粒、煅燒、粉碎/分離四個步驟，一步法合成出六鈦酸鉀晶體。且整個過程不需要酸洗、水洗、過濾、乾燥、二次熱處理等工序。減少了環境汙染，節約了用水，節省了能源。
3、產品結晶度好、純度高，晶體形態成短柱狀，通過粉碎分離可形成單晶體，大大提高了材料的流動性，有利於與其它材料混合均勻。
圖1是本發明方法生產的柱狀六鈦酸鉀晶體煅燒後粉碎前的掃描電鏡照片；圖2是圖1所述的晶體X射線衍射分析結果；圖3是圖1所述晶體粉碎分離後掃描電鏡照片。
具體實施例方式
實施例11、配料/混料採購銳鈦礦型工業級鈦白粉和工業級碳酸鉀為原料，按照TiO2/K2CO3＝6(摩爾比)的要求，折算成重量比，鈦白粉77.62％，碳酸鉀22.38％。根據一次配料量的要求，按重量比分別稱取鈦白粉和碳酸鉀。先把碳酸鉀放入總配料量50％的水中充分溶解，再將鈦白粉放入碳酸鉀溶液中充分攪拌均勻。
2、造粒將混合料裝入料盤，為便於乾燥，料厚控制為10～30mm，再裝入箱式電爐中低溫(≤100℃)烘烤，烘乾後用粉碎機粉碎並過篩，粒度控制為40～200目，40目篩盤以上的料再返回粉碎機粉碎，200目篩盤以下的料再返回下次配料中回收。過篩後，趁熱用塑膠袋密封包裝以防吸潮。
3、煅燒將造粒料裝入陶瓷容器並加蓋，要求該陶瓷容器及蓋子採用高Al2O3耐火材料燒制，能承受1300℃的高溫。裝料厚度控制為90～100mm，進入分段控溫加熱爐，溫度控制曲線如下第一段升溫，升溫速度控制為8～10℃/min；第二段保溫，溫度控制為1200～1220℃，保溫時間為120～150min；第三段降溫，降溫速度控制為5～8℃/min，溫度降到150℃後出爐。出爐後的煅燒料既為結晶度良好的柱狀六鈦酸鉀晶體，成塊狀疏鬆結構。卸料後，陶瓷容器及蓋子返回裝料工序再次使用。
4、粉碎/分離由於煅燒料為多晶體團聚結構的塊狀料，先採用錘式破碎機破碎成粗顆粒，粒度控制為通過20目篩。再採用振動球磨+離心風力分選工藝，將其粉碎、分離成單晶體。通過調節進料流量，控制材料在振動球磨機中的停留時間，從而控制煅燒料的粉碎程度。通過調節離心風力分選的轉速，控制產品粒度。分選排出的粗顆粒，再進入振動球磨機粉碎。最後採用塑膠袋密封包裝。
實施例21、配料/混料採購銳鈦礦型工業級鈦白粉和工業級碳酸鉀為原料，按照TiO2/K2CO3＝5.6(摩爾比)的要求，折算成重量比，鈦白粉為76.40％，碳酸鉀為23.60％。根據一次配料量的要求，按重量比分別稱取鈦白粉和碳酸鉀。先把碳酸鉀放入總配料量150％的水中充分溶解，再將鈦白粉放入碳酸鉀溶液中充分攪拌均勻。
2、造粒將混合料用隔膜泵抽入離心造粒機，通過離心機的霧化及熱風的乾燥直接造出粒子。通過調節隔膜泵流量，控制粒子直徑為100～200目，趁熱用塑膠袋密封包裝以防吸潮。
3、煅燒將造粒料裝入陶瓷容器並加蓋，要求該陶瓷容器及蓋子採用高Al2O3耐火材料燒制，能承受1300℃的高溫。裝料厚度控制為50～70mm，進入分段控溫加熱爐，溫度控制曲線如下第一段升溫，升溫速度控制為6～8℃/min；第二段保溫，溫度控制為1180～1200℃，保溫時間為90～120min；第三段降溫，降溫速度控制為5～8℃/min，溫度降到150℃後出爐。出爐後的煅燒料既為結晶度良好的柱狀六鈦酸鉀晶體，成塊狀疏鬆結構。卸料後，陶瓷容器及蓋子返回裝料工序再次使用。
4、粉碎/分離由於煅燒料為多晶體團聚結構的塊狀料，先採用錘式破碎機破碎成粗顆粒，粒度控制為通過20目篩。再採用振動球磨+離心風力分選工藝，將其粉碎、分離成單晶體。通過調節進料流量，控制材料在振動球磨機中的停留時間，從而控制煅燒料的粉碎程度。通過調節離心風力分選的轉速，控制產品粒度。分選排出的粗顆粒，再進入振動球磨機粉碎。最後採用塑膠袋密封包裝。
通過以上實施例生產程序產出的成品，其物理化學性能如下外觀 白色粉末六鈦酸鉀晶體含量 ≥90％PH7～9熔點 1350～1400℃軟化點1200℃真密度3.2g/cm3平均粒度 2.5～5.2μm表觀密度 0.8～1.2g/cm3水分含量 ≤0.2％
莫氏硬度4該柱狀六鈦酸鉀晶體具有以下特徵1、煅燒料的結晶形態為無數根柱狀晶體交叉成族群結構，各晶體近似成橢圓或多邊柱體，且平直、端部及表面圓滑、沿長度方向粗細均勻，但長短不齊。其寬度約為1～3μm，長度約為5～30μm，長徑比≤15。詳細形態見掃描電鏡照片(SEI)圖1。
2、經X射線衍射分析，主物相為六鈦酸鉀(K2Ti6O13)晶體，次物相為二氧化鈦(TiO2)，X射線衍射分析結果見圖2。
3、經X螢光分析，主物相六鈦酸鉀晶體含量≥90％，次物相二氧化鈦含量＝7～9％。
4、煅燒料經粉碎、分離後，短柱狀晶體交叉成族群的結構被打散，而成為互不粘連的單晶體。由於部分條狀晶被打斷，最終產品成為以柱狀晶體為主，顆粒狀晶體為輔的單晶體材料，見圖3。
權利要求
1.一種柱狀六鈦酸鉀晶體的合成方法，其特徵在於包括以下步驟(1)、配料和混料把碳酸鉀放入水中充分溶解，再將鈦白粉放入碳酸鉀溶液中攪拌均勻；鈦白粉(TiO2)與碳酸鉀(K2CO3)的摩爾比為5.5～6.5∶1；(2)、造粒將步驟(1)得到的混合物裝入加熱爐中烘乾，進入粉碎機粉碎、過40～200目篩，再密封裝袋；或者將步驟(1)得到的混合物裝入噴霧造粒機，霧化、烘乾、過40～200目篩，再密封裝袋；(3)、煅燒將步驟(2)得到的造粒料裝入陶瓷容器並加蓋，再進入分段控溫加熱爐煅燒，煅燒過程由升溫、保溫、降溫三步完成；(4)粉碎和分離將步驟(3)得到的煅燒料，先採用錘式破碎機破碎成粗顆粒，再採用振動球磨和風力分選工藝，將其粉碎、分離成單晶體。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於步驟(3)中，造粒料在陶瓷容器內的裝料高度控制為50～100mm。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於步驟(3)中，第一段升溫，升溫速度控制為6～10℃/min；第二段保溫，溫度控制為1180～1220℃，保溫時間為90～150min；第三段降溫，降溫速度控制為5～8℃/min，溫度降到150℃後出爐。
4.權利要求1～3之一所述方法合成的柱狀六鈦酸鉀晶體，其特徵在於其物理化學性能如下外觀 白色粉末六鈦酸鉀晶體含量 ≥90％PH 7～10熔點 1350～1400℃軟化點 1200℃真密度 3.2g/cm3平均粒度 2.5～5.2μm表觀密度 0.8～1.2g/cm3水分含量 ≤0.2％莫氏硬度 4結晶形態呈橢圓或多邊柱體，且平直、端部及表面圓滑、沿長度方向粗細均勻，其寬度為1～3μm，長度約為5～30μm，長徑比≤15；經X射線衍射分析，其主物相為六鈦酸鉀晶體，次物相為二氧化鈦。
全文摘要
一種新形態的六鈦酸鉀晶體材料及其合成方法。該方法以鈦白粉(TiO
文檔編號C30B29/00GK101016649SQ20061013237
公開日2007年8月15日 申請日期2006年12月28日 優先權日2006年12月28日
發明者胡瑞華, 唐綱 申請人:廣州市新力金屬有限公司