專利名稱：六鈦酸鉀晶須的制造方法
技術領域：
本發明涉及六鈦酸鉀晶須的一種制造方法。
鈦酸鉀晶須是一種性能十分優異的復合材料增強纖維，通常用K2O·nTiO2(n=1,2,4,6,8)表示其組成，其中以n=4,6，即四鈦酸鉀和六鈦酸鉀晶須的實用價值最大。四鈦酸鉀具有很好的化學活性；六鈦酸鉀具有優良的力學和物理性能，穩定的化學性質、優異的耐腐蝕性、耐熱隔熱性、耐磨性、高的電氣絕緣性，還具有紅外反射率高，高溫下導熱系數極低，硬度低的特點，經其增強后的高分子聚合物、金屬、陶瓷等復合材料在耐高溫、耐磨性、耐候性、力學性能等方面均有大幅度提高。特別是六鈦酸鉀作為摩擦材料的增強纖維，一方面取代強烈致癌物石棉，避免了環境污染；另一方面提高了摩擦材料的摩擦系數、熱穩定性，提高了安全性，具有顯著的社會效益。因此鈦酸鉀晶須的制造和應用已日益受到廣泛關注。
六鈦酸鉀晶須的制造方法有很多，如燒結法、助熔劑法，熔融法、水熱法等。這些方法各具優缺點。水熱法的晶體質量好，但壓力過高，危險性大，不適合工業化生產；助熔劑法的收率高，形貌好，但助熔劑價格高、分離費用高，因此生產成本高；熔融法的反應溫度高，收率低；在所有方法中燒結法的成本最低、晶須收率高，因此燒結法最適合工業化生產，但該法的最大缺點是合成的晶須較短，僅幾微米，結晶性不好。因此有很多燒結法的改良法如KDC法(Kneading-Drying-Calcination)和慢冷燒結法。
大多數燒結法工藝包括KDC法和慢冷燒結法都是先合成二鈦酸鉀或四鈦酸鉀，再酸洗脫鉀后高溫熱處理得到六鈦酸鉀晶須(多步法)。由于四鈦酸鉀是層狀結構，鉀離子很容易浸出，因此鉀離子的浸出量控制得是否得當直接影響水合產物的成分，如果鉀離子的浸出量過小，水合產物會有部分四鈦酸鉀晶須沒有轉化成六鈦酸鉀晶須，鉀離子的浸出量過大，水合產物會有TiO2生成，鉀離子的浸出量受pH值，酸種類，水量，溫度，酸濃度，水合時間多因素的影響，因此多步法晶須的形貌可能較好，但酸洗脫鉀步驟非常復雜且耗時，其鉀離子浸出量較難控制，影響產品純度，同時多步法需再次高溫熱處理，能耗較高。
一步即得六鈦酸鉀晶須的燒結法(一步法)，它克服了多步法酸洗脫鉀步驟中鉀離子浸出量難以控制、產品不純、耗時的缺點，但存在燒結時間過長，晶須的形貌不夠好的不足。
因此盡管各種燒結法及其改良法很多，但都存在各種缺點和不足；雖然燒結法的成本在所有方法中是最低的，但離大規模應用的可接受價格還有一段距離，其居高不下的成本限制了它的進一步應用。因此迫切需要開發一種低成本、高質量的六鈦酸鉀晶須的制造工藝。
本發明的目的在于避免上述現有技術的不足之處而提供一種由于改變了反應前驅體以及采用新型的燒結方式，一步即得到其形貌與多步法相當的六鈦酸鉀晶須制造方法。。
本發明的目的可以通過以下措施來達到一種六鈦酸鉀晶須的制造方法，以鈦化合物與含鉀化合物作為原料，其特征在于反應前驅體必須含有鈦的非晶態化合物和水；合成前將混合均勻的原料堆積成厚0.1～3cm的薄層；工藝過程為——原料折合成TiO2與K2O，按TiO2/K2O=2.5～4.0mol比，加水混合，總含水量20～80wt％；——將原料在1000～1300℃下燒結30分鐘～4小時；——將燒結產物浸泡在2～20倍，溫度為20～120℃，濃度為0.1～6mol/L的無機酸溶液中30分鐘～8小時并攪拌解織；——過濾；——干燥處理。
本發明制得的產品是六鈦酸鉀晶須K2O·6TiO2。
實施例1①原料配制水解TiO2，銳鈦型二氧化鈦，工業級K2CO3(98wt％),H2O。上述原料均勻混合，直至無顆粒團聚并呈漿料狀，其中TiO2/K2O=2.5(mol比)，含水20wt％；②將混合好的反應物料均勻涂于氧化鋁墊板，厚度為0.2cm。反應溫度為1000℃。反應時間為4小時；③燒結產物放于5倍量40℃HCl溶液(2mol/L)中浸泡4小時后，攪拌解織，攪拌速率為400轉/分鐘；④水洗，過濾；⑤干燥150℃×2.5小時；上述過程得到的六鈦酸鉀晶須，直徑為0.9～1.2μm，長度為20～40μm。品質均勻，結構完整。
實施例2①原料配制金紅石型TiO2，偏鈦酸(H2TiO3)，工業級K2CO3(純度98wt％)，KCl提供K占5wt％,H2O。上述原料均勻混合，直至無顆粒團聚并呈漿料狀，其中TiO2/K2O=4.0mol比，含水65％；②將混合好的反應物料均勻涂于氧化鋁墊板，厚度為3cm，反應溫度為1300℃反應時間為30分鐘；③燒結產物放于15倍60℃HNO3溶液(5mol/L)中浸泡4小時后，攪拌解織，攪拌速率為400轉/分鐘；④水洗，過濾；⑤干燥150℃×2.5小時；上述過程得到的六鈦酸鉀晶須，直徑為1.2～2.5μm，長度為30～50μm。品質均勻，結構完整。
實施例3①原料配制鈦鐵礦或鈦精礦，水解TiO2，工業級K2CO3(98wt％)。上述原料均勻混合，直至無顆粒團聚并呈漿料狀，其中TiO2/K2O=3.5(mol比)，含水70％；②將混合好的反應物料均勻涂于氧化鋁墊板。厚度為2cm，反應溫度為1200℃，反應時間為小時；③燒結產物放于20倍量100℃H2SO4或H2SO4和HCl的混合溶液(0.5mol/L)中浸泡6小時后，攪拌解織，攪拌速率為400轉/分鐘；④水洗，過濾；⑤干燥150℃×2.5小時；上述過程得到的六鈦酸鉀晶須，直徑為1.5～2.0μm，長度為20～50μm。品質均勻，結構完整。
比較例1①原料配制銳鈦型TiO2，工業級K2CO3(98wt％),KCl提供K占5wt％。上述原料均勻混合，其中TiO2/K2O=4.0mol比，將混合好的反應物料均勻置于氧化鋁墊板上；②燒結溫度為1250℃。反應時間為24小時；③燒結產物放于15倍量30℃HNO3溶液(5mol/L)中浸泡4小時后，攪拌解織，攪拌速率為400轉/分鐘；④水洗，過濾；⑤干燥150℃×2.5小時；上述過程得到的六鈦酸鉀晶須，直徑為1.8～2.5μm，長度為10～20μm。品質較差。
比較例2①原料配制金紅石型TiO2，工業級K2CO3(98wt％)。其中TiO2/K2O=2.0mol比；②將混合好的反應物料均勻置于氧化鋁墊板上；②燒結溫度為1000℃，反應時間為4小時；③燒結產物放于20倍量90℃的水中浸泡1小時后，以4mol/L的H2SO4溶液滴定到pH=9.5，且20分鐘內變化小于0.3。(pH＜9.5，水合產物會有TiO2生成；pH＞9.5，水合產物會有部分四鈦酸鉀晶須沒有轉化成六鈦酸鉀晶須)。配合攪拌，攪拌速率為400轉/分鐘，這一步驟約需10～15小時(水合速度過快，會導致晶須變短)；④水洗，過濾；⑤干燥150℃×2.5小時；⑥結晶化過程1000℃×2小時。
上述過程得到的六鈦酸鉀晶須，直徑為0.5～1.2μm，長度為20～50μm。品質均勻。
本發明與現有技術相比有如下優點由實施例與比較例比較可以看出本發明由于改變了反應前驅體以及采用新型的燒結方式和工藝條件，使得燒結時間縮短，晶須的質量明顯提高，制造成本較大幅度下降。與助熔劑法相比，品質相當或纖維更細長，但省去助熔劑，降低了成本；與一般燒結法相比，本發明的燒結時間明顯縮短，并且由于燒結物結構疏松，使得纖維容易解纖、收率提高，質量提高；與大多數工藝先合成二鈦酸鉀或四鈦酸鉀，再酸洗脫鉀后高溫熱處理得到六鈦酸鉀晶須的方法相比，本發明一步即得六鈦酸鉀晶須，克服了多步法酸洗脫鉀步驟中鉀離子浸出量不易控制、產品不純、耗時的缺點，而且不用多步法的高溫熱處理，降低了能耗；本發明可根據不同復合材料對晶須形貌的要求，來控制晶須直徑和長度。本發明制造的六鈦酸鉀晶須成本較低，制得的晶須直徑均一，纖維細長，d=0.5～2.5μm，長度1=10～50μm。
由于原料的改變及采用新型的燒結方式和工藝條件，本發明六鈦酸鉀晶須的制造成本較低，適合于工業化大規模生產。
權利要求
1．一種六鈦酸鉀晶須的制造方法，以鈦化合物與含鉀化合物作為原料，其特征在于反應前驅體必須含有鈦的非晶態化合物和水；合成前將混合均勻的原料堆積成厚0.1～3cm的薄層；工藝過程為——原料折合成TiO2與K2O，按TiO2/K2O=2.5～4.0mol比，加水混合，總含水量20～80wt％；——將原料在1000～1300℃下燒結30分鐘～4小時；——將燒結產物浸泡在2～20倍，溫度為20～120℃，濃度為0.1～6mol/L的無機酸溶液中30分鐘～8小時并攪拌解織；——過濾；——干燥處理。
2．根據權利要求1所述的六鈦酸鉀晶須的制造方法，其特征在于鈦的非晶態化合物為水解二氧化鈦、偏鈦酸、鈦鐵礦、鈦精礦。
3．根據權利要求1所述的六鈦酸鉀晶須的制造方法，其特征在于酸溶液為鹽酸，硝酸，硫酸溶液或其混合物。
全文摘要
一種六鈦酸鉀晶須的制造方法,以鈦化合物與鉀化合物作為原料,其特征在于:反應前驅體必須含有鈦的非晶態化合物和水;合成前將混合均勻的原料堆積成厚0.1～3cm的薄層;一次燒結即得六鈦酸鉀晶須;工藝為:原料按TiO
文檔編號C30B29/62GK1323924SQ0011227
公開日2001年11月28日 申請日期2000年5月15日 優先權日2000年5月15日
發明者馮新, 楊祝紅, 陸小華, 暴寧鐘 申請人:南京化工大學