[发明专利]一种低温合成二氧化钛纳米粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温合成二氧化钛纳米粉体的方法，属于材料科学领域，尤其涉及纳米粉体制备技术领域。

技术背景

纳米陶瓷是由粒径为纳米尺寸(1nm～100nm)的粒子固化而成的新型陶瓷材料。其晶粒尺寸、气孔尺寸、缺陷尺寸和晶界宽度等都应仅限于纳米量级，具有不同于传统陶瓷的独特性能。其中晶粒尺寸对陶瓷性能有十分显著的影响，晶粒尺寸的减小将使得材料得力学性能有数量级的提高，同时有利于提高材料韧性和塑性。因此纳米粉体的制备成为纳米陶瓷研究的基础。粉体的颗粒形貌、粒度大小和分布及其纯度都决定于其制备方法和工艺过程。二氧化钛由于其具有优良的电学、光学性质而在光催化材料、气敏元件、二次电池等方面有着广泛的应用。

虽然制备二氧化钛粉体的方法很多，如化学共沉淀法、溶胶凝胶法、水热解法、反胶束法、水热合成法、化学气相沉积法等，其中化学共沉淀等湿化学方法因工艺过程简单而得到广泛的应用，但存在由于沉淀过程不易控制而导致粉体粒度大小不均和分布宽化、生产周期长、能耗大和污染严重等缺点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺点，提出一种制备纳米二氧化钛粉体的方法，通过在初始反应物中引入有机添加剂，在超强碱条件下，直接搅拌研磨反应制备出分散性较好的二氧化钛纳米粉体；该方法减少了氨水作为反应物而带来的大气污染，由于有机物的添加和超强碱反应环境，减少了团聚体的产生，改善了粉体的分散性；同时提高了所制备粉体的纯度，便于后期粉体清洗，反应周期短，合成温度低，节约资源。

本发明提出一种制备纳米二氧化钛粉体的方法，其特征在于：该方法是用含有机添加剂的硫酸氧钛固态混合物，与氢氧化钠混合的过程中，进行强力搅拌研磨，反应过程中温度最高可达373K以上，并伴随大量水蒸气逸出，而混合物状态经历固态→粘稠态→固态粉末的变化过程，经水洗→干燥→过筛→培烧后，即得白色二氧化钛纳米粉体。其工艺步骤如下：

(1)有机添加剂溶于去离子水中，形成浓度为0.001M～0.1M的溶液；

(2)称取硫酸氧钛(C.R.)溶于适量的含有机添加剂的去离子水溶液中，搅拌均匀，然后将溶剂蒸发浓缩得到含锆的均匀固态混合物；

(3)按一定的比例称量分析纯的氢氧化钠与含钛的固态混合物，在搅拌磨中进行固相混合。将含钛固态混合物逐步地加入到适当过量的氢氧化钠中进行搅拌、混合、研磨，研磨搅拌时间5min～50min；

(4)用去离子水洗出的搅拌料静置，沉淀物快速沉积，沉淀时间为10min～360min；

(5)沉淀物经水洗、过滤后，将其置于烘箱中，在325K～385K范围内，干燥3h～24h；

(6)将烘干料置于硅碳棒炉中，按1K/min～10K/min的升温速率加热到473K～773K保温1h～6h后随炉冷却，即得白色粉体；

(7)将所得白色粉体不需要研磨破碎，直接过筛后，即得纳米二氧化钛粉体。

本发明中所述有机添加剂可为聚乙二醇4000，聚乙烯醇，聚丙烯酸，聚丙烯酸铵，土温80等，其溶液浓度为0.001M～0.1M。

本发明中所述氢氧化钠与含有机物和钛的固态混合物的比例为30∶1～2.1∶1。

本发明中所述搅拌磨的球磨介质为玛瑙球，转速为10rpm～600rpm.

本发明中硫酸氧钛可用硝酸钛来替代。

对于本发明所提出的制备二氧化钛纳米粉体的方法，其特征在于：搅拌磨的球磨介质为氧化锆球，，用透射电镜观察不同温度处理后的样品，发现经干燥后的粉体的电子衍射环的出现，表明二氧化钛晶核在室温就已经形成，随热处理温度升高，晶核逐渐长大变得完整，经473K处理的粉体粒度大小为10nm左右，经773K处理的分体粒度为20nm左右，且所有粉体粒度均匀，形态近球形。

本发明突出特点在于：

(1)在初始反应原料中引入有机添加剂，用含有机添加剂和钛的固态混合物与氢氧化钠，直接强力搅拌研磨反应；

(2)反应条件为超强碱环境(pH＞13)，不需严格控制；

(3)粉体合成温度低，在室温晶核就已经形成；

(4)可通过控制热处理温度和时间，调整粉体的粒度大小和分布；

(5)所得粉体纯度高。

(6)本发明方法具有工艺因素简单易控、生产周期短、环境污染小等优点。