專利名稱：一種金紅石型鈦白粉末的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種金紅石型鈦白粉末的制備方法，尤其涉及一種采用溶膠-凝膠法工藝路線生產的金紅石型鈦白粉末的方法。
二氧化鈦顏料(俗稱鈦白)是最佳的白色顏料，廣泛用于涂料、塑料、造紙、油墨、橡膠、化學纖維和化妝品。二氧化鈦是多晶型化合物，自然界中存在三種結晶型態金紅石型，銳鈦礦型和板鈦礦型。板鈦礦不穩定，尚沒有工業用途。金紅石型和銳鈦礦型都屬于四方晶系，但因晶型不同，所以有不同的晶體習性。金紅石型二氧化鈦，在白色顏料中折射率最高，性能也最優越。
鈦白的生產工藝路線有硫酸法，氯化法，溶膠-凝膠法。硫酸法早在本世紀10年代就已形成工業化生產；氯化法是50年代末期美國杜邦(DuPont)公司首先實現工業化生產的；溶膠-凝膠法是近三十年發展起來的合成超細粒子的新技術，由于其具有無毒，操作簡單易行，設備價格低廉等特點，受到廣泛的關注。但是無論采用何種生產工藝路線，要得到純潔的金紅石型鈦白粉末，都必須經過700℃以上的高溫熱處理，這就給大規模的工業生產帶來了一定困難。另外，采用現有技術的制法得到的鈦白粉末具有粒徑大、分布較寬并且分散性差的缺點。
本發明的目的在于提供一種應用光輻射溶膠-凝膠法制備金紅石型鈦白粉末的方法，采用該方法可在相對低的溫度即600℃進行熱處理就可得到100％純潔的金紅石型鈦白粉末，同時采用本發明方法制備的金紅石型鈦白粉末具有粒徑分布窄、分散性好的優點。
本發明所提供的一種金紅石型鈦白粉末的制備方法，按如下步驟進行(重量百分比)將1％～20％的鈦酸酯，0.5％～20％的水解催化劑，50％～98％的稀釋劑，0.5％～10％的高純水，置于反應器中，在紫外線光源照射下反應1～30小時，得到鈦溶膠-凝膠溶液；熟化1～30天，將鈦溶膠-凝膠于不低于600℃燒結1～5小時，即得到所需金紅石型鈦白粉末。所述紫外線光源可為中、低壓汞燈、高壓汞燈、氙燈、鹵鎢燈，所述紫外線光源距反應器可為1～50cm，優選為10～15cm。
所述鈦酸酯可以選自下列任何一種鈦酸丁酯[Ti(OC4H9)4]，鈦酸丙酯[Ti(iso-OC3H7)4]，鈦酸乙酯[Ti(OC2H5)4]所述水解催化劑可以選自下列任何一種濃鹽酸，硝酸，硫酸，冰醋酸，醋酸銨，硝酸銨，氯化銨。
稀釋劑可以選自下列任何一種無水乙醇，無水甲醇，異丙醇，正丁醇，叔丁醇。
本發明的優點之一在于合成膠體時引入紫外光輻射，用這種方法制備的鈦凝膠在600℃進行熱處理，即可得到100％的金紅石型鈦白粉末，而采用無光輻射傳統工藝，由銳鈦礦型向金紅石型轉變，最低轉變溫度在700℃左右，由此可見采用本發明制法可使熱處理溫度降低了100℃，這就降低了工業生產中對熱處理設備的要求，也提高了熱處理效率，節約了能源。
對于顏料的性能，除了折射率之外，顆粒尺寸，尺寸分布，顏料體積濃度及其在涂料中分散程度都有一定作用。當顏料顆粒的大小近乎半波長時，散射能最大，為了在全波譜范圍內得到高的反射率(可見光波長400nm～700nm)，鈦白粉末的粒度分布應控制在200nm～350nm之間。粒子過大時，光的散射能力急劇下降；粒子過小時，發生光的繞射，同樣導致散射能力下降。實際生產的顏料總是由一定分布寬度的粒子構成的，通常以標準偏差來表示分布寬度，分布寬度加大時，分布曲線由尖銳變為平坦，為了有效地發揮鈦白的顏料性能，必須以最佳粒徑為中心，調整粒徑分布，使其分布更為集中。在不同波長的可見光范圍內，顏料產生散射能力的最佳粒徑也不同。粒徑較小的顆粒增進對短波長光的散射，粒徑較大的顆粒則增強對長波長光的散射。盡量提高粒徑為200nm左右的粒子的百分含量，在這種情況下，由于產品反射更多的藍光和綠光并減少對紅光和黃光的反射，因而顯得更白，并顯著提高了鈦白的遮蓋力和消色力。
本發明的優點之二在于利用紫外光輻射鈦溶膠-凝膠，改變光輻射時間，可調控顆粒度分布，為不同要求的鈦白粉末制備提供了顆粒度參考。本發明引入紫外線輻射，制備了粒徑分布在200nm～300nm的金紅石型鈦白粉末，與無光輻射的體系相比(粒徑分布為300nm～500nm)，其粒徑分布顯著變窄。
鈦白的許多優良性能，只有均勻分散在各種介質中時，才能充分體現出來。目前絕大部分商品鈦白都要經過表面處理，使其在諸如涂料等高分子溶液中獲得穩定的分散性。
本發明的優點之三在于光輻射制備的金紅石型鈦白粉末，其分散性，遮蓋力，著色力與傳統方法制備的鈦白粉末相比，都大大提高，在化妝品生產，涂料，塑料等行業的應用將更加廣泛。
此外，采用本發明方法還可用于制備氧化鋯及SnO2，Al2O3，SiO2，V2O5，Fe2O3，Nb2O5，WO3，MoO3，NiO，Ta2O5等氧化物，僅將其中原料做相應替換即可，如制備氧化鋯的原料可為鋯酸丁酯或鋯酸丙酯。
下面結合實施例對本發明做進一步的詳細的描述。
實施例1紫外線輻射下1#，2#，3#樣品的制備合成鈦溶膠-凝膠的原料配比(重量百分比)鈦酸四丁酯(分析純)5％無水乙醇(分析純)91.5％濃鹽酸(36.5％)2％高純水1.5％光照時間20小時按上述比例將鈦酸四丁酯，無水乙醇及濃鹽酸、高純水置于反應器中，于25℃劇烈攪拌，同時用距反應器10cm的500W高壓汞燈照射20小時，得到鈦溶膠。將該溶膠于25℃空氣中熟化7天，得到凝膠。將凝膠于500℃煅燒2小時，制得1#樣品；于550℃煅燒2小時得2#樣品；于600℃煅燒2小時得3#樣品。
1#，2#，3#樣品的結構測試將1#，2#，3#三個樣品分別在激光拉曼光譜儀上測定結構，從圖譜可知，在500℃燒結，樣品中只有少量金紅石型二氧化鈦；550℃燒結金紅石的含量增加為主要相；到600℃時樣品全部轉變為金紅石型二氧化鈦。
對比例1無光照條件下4#，5#，6#樣品的制備合成鈦溶膠-凝膠的原料配比(重量百分比)鈦酸四丁酯(分析純)5％無水乙醇(分析純)91.5％濃鹽酸(36.5％)2％高純水1.5％按上述比例將鈦酸四丁酯，無水乙醇及濃鹽酸、高純水置于反應器中，于25℃劇烈攪拌反應20小時，得到鈦溶膠。將該溶膠于25℃空氣中熟化7天，得到凝膠。將凝膠于500℃煅燒2小時，制得4#樣品；于550℃煅燒2小時得5#樣品；于600℃煅燒得6#樣品。
4#，5#，6#樣品的結構測試將4#，5#，6#三個樣品分別在激光拉曼光譜儀上測定結構，從圖譜可知，在500℃，550℃燒結，樣品全部為銳鈦礦型二氧化鈦；在600℃燒結樣品中有少量金紅石型二氧化鈦。
實施例2合成鈦溶膠-凝膠的原料配比(重量百分比)鈦酸四丁酯(分析純)2.5％無水乙醇(分析純)95％濃鹽酸(36.5％)1.5％高純水1％光照時間10小時按上述比例將鈦酸四丁酯，無水乙醇及濃鹽酸、高純水置于反應器中，于25℃劇烈攪拌，同時用距反應器10cm的500W高壓汞燈照射10小時，得到鈦溶膠。將該溶膠于25℃空氣中熟化7天，得到凝膠。將凝膠于600℃煅燒2小時得7#樣品。
7#樣品的形貌測試將7#樣品于掃描電鏡下測試表面形貌及顆粒大小，觀測得粒徑分布平均為200nm～300nm。
對比例2合成鈦溶膠-凝膠的原料配比(重量百分比)鈦酸四丁酯(分析純)2.5％無水乙醇(分析純)95％濃鹽酸(36.5％)1.5％高純水1％按上述比例將鈦酸四丁酯，無水乙醇及濃鹽酸、高純水置于反應器中，于25℃劇烈攪拌反應10小時，得到鈦溶膠。將該溶膠于25℃空氣中熟化7天，得到凝膠。將凝膠于600℃煅燒2小時得8#樣品。
8#樣品的形貌測試將8#樣品于掃描電鏡下測試表面形貌及顆粒大小，觀測得粒徑分布平均為300nm～500nm。
實施例3合成鈦溶膠-凝膠的原料配比(重量百分比)鈦酸四丁酯(分析純)10％無水乙醇(分析純)80％濃鹽酸(36.5％)5％高純水5％光照時間15小時按上述比例將鈦酸四丁酯，無水乙醇及濃鹽酸、高純水置于反應器中，于25℃劇烈攪拌，同時用距反應器10cm的500W高壓汞燈照射15小時，得到鈦溶膠。將該溶膠于25℃空氣中熟化7天，得到凝膠。將凝膠于600℃煅燒2小時得9#樣品。
9#樣品的形貌測定將9#樣品于掃描電鏡下測試其表面形貌，觀測到二氧化鈦顆粒呈現疏松狀堆積態。
9#樣品的分散性測試將9#樣品取適量分散于無水乙醇中，溶液呈透明均勻狀，于空氣中25℃靜置15天，沒有發現沉降現象。
實施例4
紫外線輻射下單斜晶系二氧化鋯的制備合成鋯溶膠-凝膠的原料配比(重量百分比)鋯酸丙酯(分析純)5％無水乙醇(分析純)90.5％濃鹽酸(36.5％)2.5％高純水2％光照時間20小時按上述比例將鋯酸丙酯，無水乙醇及濃鹽酸、高純水置于反應器中，于25℃劇烈攪拌，同時用距反應器10cm的500W高壓汞燈照射20小時，得到鋯溶膠。將該溶膠于25℃空氣中熟化7天，得到凝膠。將凝膠于550℃煅燒2小時得10#樣品。
10#樣品的結構測試將10#樣品于激光拉曼光譜儀上測定其結構，表明樣品為單斜晶系晶體，與傳統工藝相比，紫外線的輻射使二氧化鋯從四方晶系向單斜晶系轉變的溫度降低了120℃。
權利要求
1.一種金紅石型鈦白粉末的制備方法，按如下步驟進行(重量百分比)將1％～20％的鈦酸酯，0.5％～20％的水解催化劑，50％～98％的稀釋劑，0.5％～10％的高純水，置于反應器中，在紫外線光源照射下反應1～30小時，得到鈦溶膠-凝膠溶液；熟化1～30天，將鈦溶膠-凝膠于不低于600℃燒結1～5小時，即得到所需金紅石型鈦白粉末。
2.根據權利要求1的制備方法，其特征在于所述鈦酸酯為鈦酸丁酯、鈦酸丙酯或鈦酸乙酯。
3.根據權利要求1的制備方法，其特征在于所述水解催化劑為濃鹽酸、硝硫酸、冰醋酸、醋酸銨、硝酸銨、氯化銨。
4.根據權利要求1的制備方法，其特征在于所述稀釋劑為無水乙醇、無水甲醇、異丙醇、正丁醇、叔丁醇。
5.根據權利要求1的制備方法，其特征在于所述紫外線光源為中低壓汞燈、高壓汞燈、氙燈、鹵鎢燈。
6.根據權利要求1的制備方法，其特征在于所述紫外線光源距反應器為1～50cm。
7.根據權利要求6的制備方法，其特征在于所述紫外線光源距反應器為10～15cm。
全文摘要
本發明公開了一種金紅石型鈦白粉末的制備方法，按如下步驟進行(重量百分比)將1％～20％的鈦酸酯，0.5％～20％的水解催化劑，50％～98％的稀釋劑，0.5％～10％的高純水，置于反應器中，在紫外線光源照射下反應1～30小時，得到鈦溶膠－凝膠溶液；熟化1～30天，將鈦溶膠－凝膠于不低于600℃燒結1～5小時。采用本發明方法可在較低溫度下進行熱處理就可得到100％純潔的金紅石型鈦白粉末，同時制備的金紅石型鈦白粉末具有粒徑分布窄、分散性好的優點。
文檔編號C09C1/36GK1390889SQ01118739
公開日2003年1月15日 申請日期2001年6月8日 優先權日2001年6月8日
發明者姚建年, 劉海梅 申請人:中國科學院化學研究所