一種新型的納米二氧化鈦粉體製備方法

2023-11-07 08:12:37

專利名稱：一種新型的納米二氧化鈦粉體製備方法
技術領域：
本發明屬於化工技術領域，具體涉及一種新型的納米二氧化鈦粉體製備方法。
背景技術：
納米二氧化鈦是一種非常重要的化工原料，分為銳鈦型、金紅石型和板鈦型三種晶型。銳鈦型納米二氧化鈦作為一種新型光催化劑、抗紫外線劑和光電效應劑，在防黴殺菌、淨化空氣、脫臭、水處理、防汙等方面顯示出廣闊的應用前景。金紅石型納米二氧化鈦具有折射率高、耐候性好、光化學活性小、遮蓋力大、物理化學性能穩定等優點，是電子、輕工、化工等領域不可或缺的原料，廣泛應用於塑料、搪瓷、人工纖維、電子材料、橡膠、塗料等領域。
目前，有關納米二氧化鈦的製備方法主要有水熱合成法、控制水解法、溶膠-凝膠法、微乳液法、沉澱法、化學氣相沉積法等。水熱合成法，該方法的優點在於產物結晶程度好，不足是反應條件為高溫、高壓，因而對設備材質、安全等方面要求較苛刻。控制水解法通過調節鈦鹽的水解速度，使鈦鹽在嚴格控制的條件下水解，可製得納米二氧化鈦粉體。該法的優點是操作簡單，成本相對低廉，但存在洗滌過濾和乾燥過程中易發生流失和團聚現象，致使納米TiO2的收率和粒徑都受到影響。溶膠-凝膠法是以鈦醇鹽為原料，在有機介質中進行水解、縮聚反應，使溶液經溶膠、凝膠過程後，凝膠乾燥，煅燒成粉體的方法。該法製備的納米二氧化鈦粉末粒徑小，分布均勻，分散性好，但由於要以鈦醇鹽為原料，又要加入大量的有機試劑，成本較高，同時由於凝膠的生成，有機試劑不易逸出，乾燥、燒結過程易產生碳汙染。微乳液法，雖然微乳液的結構從根本上限制了顆粒的生長，使超細粉末的製備變得容易。但該方法只適合於實驗室研究，不適合工業化生產。目前，生產上主要採用的是控制水解法和沉澱法，這兩類方法的優點是生產效率高、成本低、汙染小，不足是這兩類方法將用鹼沉澱或水解沉澱獲得的前驅物直接進行煅燒，存在粒徑不均勻、產物易團聚、純度低等不足，限制了產品諸多優異性能的發揮。

發明內容
本發明的目的在於提出一種降低生產成本，解決傳統團聚問題的新型的納米二氧化鈦粉體製備方法。
本發明提出的新型的納米二氧化鈦粉體製備方法，採用固-固相轉化的方法製得二氧化鈦粉體材料，其具體步驟為將鈦源加入到鹽酸溶液中，得到鈦源的鹽酸溶液；然後將鈦源的鹽酸溶液加入到鹼性物質的水溶液中，控制體系的pH為7～8，生成白色的Ti(OH)4沉澱，過濾，清洗，得到沉澱產物Ti(OH)4；再向沉澱產物Ti(OH)4中加入有機酸，充分混合，使鈦的氫氧化物轉化為鈦的有機鹽，獲得前驅物；將得到的前驅物放入坩堝置於馬弗爐中鍛燒，得到粗成品；再將粗成品進行粉碎，得到所需產物。
具體條件為溶解鈦源所用的鹽酸溶液的摩爾濃度為2～4mol/L；鈦源的鹽酸溶液摩爾濃度為0.1～8mol/L；鹼性物質可以採用氨水、碳酸鈉、氫氧化鈉、氫氧化鉀等之一種，當鹼性物質為氨水時，氨水與鈦源的體積比為0.8∶1～1.4∶1；當鹼性物質為碳酸鈉時，碳酸鈉與鈦源的質量比為0.8∶1～1.2∶1；當鹼性物質為氫氧化鈉或氫氧化鉀時，氫氧化鈉或氫氧化鉀與鈦源的質量比為1∶0.2～1∶0.6；有機酸與鈦源的質量比為0.8∶1～1.4∶1；鍛燒前驅物在550～650℃條件下煅燒0.5～1.5小時，得到銳鈦型的納米二氧化鈦；在750～850℃條件下煅燒0.5～2.5小時，得到金紅石型的納米二氧化鈦；上述鈦源為四氯化鈦、硫酸鈦之一種。
本發明中，所述的有機酸可以是甲酸、乙酸、酒石酸、檸檬酸、水楊酸等之一種。
本發明中，粉碎可以採用球磨機或氣流粉碎機。
本發明較好的實施條件是鹼性物質為氨水、碳酸鈉之一種。
氨水與鈦源的體積比為0.9∶1～1.1∶1。
碳酸鈉與鈦源的質量比為0.9∶1～1.1∶1。
氫氧化鈉或氫氧化鉀與鈦源的質量比為1∶0.3～1∶0.5。
有機酸與鈦源的質量比為0.9∶1～1.1∶1。
本發明中，清洗是為了有效去除雜質離子，如氯離子、銨離子或鈉離子等。
本發明中，由於所得的前驅物為有機酸鹽(如鈦的甲酸鹽、酒石酸鹽等)，有機酸鹽在分解過程中會產生大量無汙染氣體，如二氧化碳、水蒸汽等氣體，使反應體系疏鬆，有效地防止了團聚現象的發生。
本發明經過煅燒後得到的產物，經透射電子顯微鏡檢測，銳鈦型二氧化鈦產物的粒徑為15～20nm，金紅石型二氧化鈦產物的粒徑為20～25nm。
本發明具有如下優點1、首次提出在鹼沉澱獲得的產物中加入有機酸，通過固-固反應將鈦的氫氧化物轉化為鈦的有機酸鹽作為前驅物來製備目標產物。由於前驅物為有機鹽類，在分解過程中產生了大量無汙染性氣體，使反應體系疏鬆，有效防止了團聚現象的發生。
2、本發明所用的原材料來源充足且廉價，生產過程中能耗小，生產成本低廉。
3、利用本發明製備的產物同同類產品相比，具有純度高，白度好，粒徑小且均一，無團聚現象，易於分散等特點。
具體實施例方式
下面通過具體實施例對本發明作進一步的說明。
實施例1取50ml、摩爾濃度為0.1mol/L四氯化鈦鹽酸(摩爾濃度為2mol/L)溶液，加入到含有25ml氨水的400ml水溶液中，此時有白色的Ti(OH)4沉澱生成，過濾，用水清洗2～3次，至洗液用硝酸銀檢測無氯離子存在為止，得到沉澱產物。向獲得的沉澱產物中加入檸檬酸1g，充分混合，獲得前驅物。將前驅物放入瓷坩堝後置於馬弗爐中，緩慢升溫至600℃，煅燒1h，獲得粗產物。該粗產物經過球磨粉碎機粉碎後，獲得納米二氧化鈦粉體0.4g。x射線粉末衍射儀(XRD)分析結果表明，該產物為銳鈦礦晶體結構；通過透射電子顯微鏡分析，產物的粒徑為17nm。前驅物如果在850℃條件下煅燒0.5h後球磨粉碎，則獲得金紅石型納米二氧化鈦0.4g，通過透射電子顯微鏡分析，產物的粒徑為22nm。
實施例2取50ml、摩爾濃度為5mol/L硫酸鈦的鹽酸(摩爾濃度為3mol/L)溶液，加入到含有20g氫氧化鈉的400ml水中，此時有白色的Ti(OH)4沉澱生成，過濾，用水清洗2～3次，至洗液用氯化鋇檢測無氯離子存在為止，得到沉澱產物。向獲得的沉澱產物中加入甲酸55ml，充分混合，獲得前驅物。將前驅物放入瓷坩堝後置於馬弗爐中，緩慢升溫至650℃，煅燒0.5h，獲得納米二氧化鈦粗產物。該粗產物經氣流粉碎，得到納米二氧化鈦粉體19g。通過x射線粉末衍射儀(XRD)分析，該產物為銳鈦型納米二氧化鈦；通過透射電子顯微鏡分析，產物的粒徑為20nm。前驅物如果在800℃條件下煅燒1.5h後氣流粉碎，則獲得金紅石型納米二氧化鈦，通過透射電子顯微鏡分析，產物的粒徑為25nm。
實施例3取50ml、摩爾濃度為5mol/L四氯化鈦的鹽酸(摩爾濃度為4mol/L)溶液，加入到含有50g碳酸鈉的400ml水中，此時有白色的Ti(OH)4沉澱生成，過濾，用水清洗2-3次，至洗液用硝酸銀檢測無氯離子存在為止，得到沉澱產物。向獲得的沉澱產物中加入水楊酸27g，充分混合，獲得前驅物，將前驅物置於瓷坩堝中，再將瓷坩堝放入馬弗爐中，緩慢升溫至600℃，煅燒1h，獲得納米二氧化鈦粗產物。粗產物經氣流粉碎後，獲得終產物10g。通過x射線粉末衍射儀(XRD)分析，該產物為銳鈦型納米二氧化鈦；通過透射電子顯微鏡分析，產物的粒徑為20nm。前驅物如果在750℃條件下煅燒2.5h後氣流粉碎，則獲得金紅石型納米二氧化鈦10g，通過透射電子顯微鏡分析，產物的粒徑為25nm。
實施例4取50ml、摩爾濃度為5mol/L四氯化鈦的鹽酸(摩爾濃度為4mol/L)溶液，加入到含有50g碳酸鈉的400ml水中，此時有白色的Ti(OH)4沉澱生成，過濾，用水清洗2-3次，至洗液用硝酸銀檢測無氯離子存在為止，得到沉澱產物。向獲得的沉澱產物中加入乙酸55ml，充分混合，獲得前驅物。將前驅物放入坩堝後至於馬弗爐中，緩慢升溫至650℃，煅燒0.5h，獲得納米二氧化鈦粗產物，經氣流粉碎機粉碎，獲得最終產物21g。通過x射線粉末衍射儀(XRD)分析，該產物為銳鈦型納米二氧化鈦；通過透射電子顯微鏡分析，產物的粒徑為19nm。前驅物如果在800℃條件下煅燒1h後再氣流粉碎，則獲得金紅石型納米二氧化鈦，通過透射電子顯微鏡分析，產物的粒徑為24nm。
實施例5取50ml、摩爾濃度為8mol/L四氯化鈦的鹽酸(摩爾濃度為4mol/L)溶液，加入到含有100ml氨水的400ml水溶液中，此時有白色的Ti(OH)4沉澱生成，過濾，用水清洗2-3次，得到沉澱產物。向獲得的沉澱產物中加入酒石酸80g，充分混合，獲得前驅物。將前驅物放入坩堝後置於馬弗爐中，緩慢升溫至550℃，煅燒1.5h，得粗產物。該粗產物經氣流粉碎後，得到納米二氧化鈦粉體32g。通過x射線粉末衍射儀(XRD)分析，該粉體為銳鈦型二氧化鈦；通過透射電子顯微鏡分析，產物的粒徑為18nm。如前驅物緩慢升溫至850℃，煅燒0.5h，得到的粗產物經氣流粉碎後，則獲得金紅石型納米二氧化鈦，通過透射電子顯微鏡分析，產物的粒徑為40nm。
權利要求
1.一種新型的納米二氧化鈦製備方法，其特徵在於採用固-固相轉化的方法，具體步驟為將作為鈦源的原材料加入到鹽酸溶液中，得到鈦源的鹽酸溶液；然後將鈦源的鹽酸溶液加入到鹼性物質的水溶液中，控制體系的pH為7～8，生成白色的Ti(OH)4沉澱，過濾，清洗，得到沉澱產物Ti(OH)4；再向沉澱產物Ti(OH)4中加入有機酸，充分混合，使鈦的氫氧化物轉化為鈦的有機鹽，獲得前驅物；將得到的前驅物放入坩堝置於馬弗爐中鍛燒，得到粗成品；再將粗成品進行粉碎，得到所需產物；具體條件為溶解鈦源所用的鹽酸溶液的摩爾濃度為2～4mol/L；鈦源的鹽酸溶液摩爾濃度為0.1～8mol/L；鹼性物質可以採用氨水、碳酸鈉、氫氧化鈉、氫氧化鉀之一種，當鹼性物質為氨水時，氨水與鈦源的體積比為0.8∶1～1.4∶1；當鹼性物質為碳酸鈉時，碳酸鈉與鈦源的質量比為0.8∶1～1.2∶1；當鹼性物質為氫氧化鈉或氫氧化鉀時，氫氧化鈉或氫氧化鉀與鈦源的質量比為1∶0.2～1∶0.6；有機酸與鈦源的質量比為0.8∶1～1.4∶1；鍛燒前驅物在550～650℃條件下煅燒0.5～1.5小時，得到銳鈦型的納米二氧化鈦；在750～850℃條件下煅燒0.5～2.5小時，得到金紅石型的納米二氧化鈦；上述鈦源為四氯化鈦、硫酸鈦之一種。
2.根據權利要求1所述的新型的納米二氧化鈦製備方法，其特徵在於所述的有機酸是甲酸、乙酸、酒石酸、檸檬酸、水楊酸之一種。
3.根據權利要求1所述的新型的納米二氧化鈦製備方法，其特徵在於粉碎採用球磨機或氣流粉碎機。
4.根據權利要求1所述的新型的納米二氧化鈦製備方法，其特徵在於鹼性物質為氨水、碳酸鈉之一種。
5.根據權利要求1所述的新型的納米二氧化鈦製備方法，其特徵在於氨水與鈦源的體積比為0.9∶1～1.1∶1。
6.根據權利要求1所述的新型的納米二氧化鈦製備方法，其特徵在於碳酸鈉與鈦源的質量比為0.9∶1～1.1∶1。
7.根據權利要求1所述的新型的納米二氧化鈦製備方法，其特徵在於氫氧化鈉或氫氧化鉀與鈦源的質量比為1∶0.3～1∶0.5。
8.根據權利要求1所述的新型的納米二氧化鈦製備方法，其特徵在於有機酸與鈦源的質量比為0.9∶1～1.1∶1。
全文摘要
本發明屬於化工技術領域，具體涉及一種新型的納米二氧化鈦粉體製備方法。本發明採用固－固相轉化的方法，將相應量的鈦源的鹽酸溶液加入到適量鹼性物質的水溶液中，控制體系pH為7～8，此時有白色的Ti(OH)
文檔編號C01G23/04GK1752016SQ200510028250
公開日2006年3月29日 申請日期2005年7月28日 優先權日2005年7月28日
發明者吳介達, 劉金庫, 章定欽, 章勝義 申請人:同濟大學