[发明专利]一种粒径可控的金红石型纳米二氧化钛颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米二氧化钛颗粒的制备领域，特别涉及一种粒径可控的金红石型纳米二氧化钛颗粒的制备方法。

背景技术

近年来，纳米材料的特殊性质受到了普遍关注，这吸引了大批学者对纳米材料的合成进行了广泛的研究。由于颗粒尺寸的细微变化，比表面积急剧增加。纳米二氧化钛具有粒径小、比表面积大、光催化、吸附性能好、紫外吸收率高等优点而成为重要的无机功能材料，广泛应用于涂料、光催化剂、化妆品、电子材料和功能陶瓷等领域，金红石型耐热性、热稳定性和化学稳定性优于锐钛矿型TiO₂【高濂，郑珊，张青红.纳米二氧化钛光催化材料及应用[M].北京：化学工业出版社，2002：16-20】。金红石型纳米TiO₂具有更好的吸收紫外线的功能，它在全部紫外区都具有有效的紫外线滤除能力，加上它的化学性质稳定(熔点＞1800℃、热分解温度超过2000℃)、无毒(大鼠的LD50＞5000mg/lg)和更好的耐候性而得到广泛的应用。例如在清漆中含有0.5％～4％的纳米TiO₂，便能防止木材受光照后发黑；在食品包装用塑料薄膜中加入0.1％～0.5％的纳米TiO₂可防止食品受光照后氧化，以及肉类等食品在橱窗中受荧光灯照射后氧化变色；在塑料中使用能防止塑料本身被日光降解和老化；在农用薄膜中使用能提高它的强度和耐久性；在化妆品使用可以提高化妆品的防晒和抗紫外线的能力。另外，金红石型纳米TiO₂由于其特殊的电学性能，不仅可以用于湿敏和压敏元件，还可以用作传感器材料检测多种气体。如纳米TiO₂可检测H₂、CO等可燃性气体和O₂，特别是用作汽车尾气传感器，通过测定汽车尾气中的氧含量，可以控制汽车发动机的效率。而且由于金红石型纳米TiO₂更好的耐候性和颜料性能，所以在涂料和涂层方面具有更加高的应有价值【邓捷，吴立峰.钛白粉应用手册[M].北京：化学工业出版社，2005】。

纳米材料的制备方法很多，液相沉淀法通常采用的工艺路线是将氨水、(NH₄)₂CO₃或NaOH等碱类物质加入到钛盐溶液中，生成无定形的Ti(OH)₄，将生成的沉淀过滤、洗涤、干燥后，控制温度的不同，经煅烧得到锐钛矿型或金红石型纳米TiO₂粉体【沈毅，张智丹，沈上越.二氧化钛微米球形颗粒的制备与研究[J].硅酸盐通报，2005，(3)：96-101】。虽然该法设备工艺简单，制样时间较短，技术要求不高，成本低等优点，但是纯度不高，而且粒径控制方面并未介绍。祖庸等水解温度为33℃，n(钛酸丁酯)∶n(乙醇)∶n(水)∶n(盐酸)＝1∶9∶3∶0.28，制备出了平均粒径8nm～25nm，颗粒形态呈球形的TiO₂粉体，550℃锻烧为锐钛矿型，800℃锻烧为金红石型【祖庸，李晓娥，卫志贤.超细TiO₂的合成研究：溶胶-凝胶法[J].西北大学学报，1998，28(1)：51-56】。此法依然未实现对颗粒粒径的控制。尹荔松等人在上述体系中加人冰醋酸作为鳌合剂，以控制钛酸丁醋的水解速度，系统考察H₂O/钛醇盐的摩尔体系、pH值、乙醇/钛酸丁醋摩尔比及水解温度等因素对胶凝时间的影响。【尹荔松，周歧发，唐新桂，等.溶胶-凝胶法制备纳米的胶凝过程机理研究[J].功能材料，1999，30(4)：407-409】。该方法合成的纳米粉体颗粒均匀、纯度高、形状易控制，但不能控制粒径大小。Zhao Tieliu先用氨水做沉淀剂，加入到异丁醇钛乙醇溶液中，制得Ti(OH)₄沉淀物，再溶入硝酸中，加热到80℃，恒温2h制得超细金红石型纳米二氧化钛。【Zhao TieLiu，Yao Shushan.Preparation and characterization of highly dispersed nanocrystalline rutile powders[J].Materials Letters，2007，(61)：2798-2803】在Pedraza等用TiCl₃直接氧化法制备出金红石型纳米二氧化钛【Pedraza F，Vazquez A.Ostentation of TiO2 rutile at room temperature through direct oxidation of TiCl3[J].J Phys Chem Solids，1999，60：445-448】；张艳峰由TiOCl₂均相溶液采用低温(室温～60℃)陈化直接制备了纳米氧化钛针形聚集体颗粒【张艳峰，魏雨，贾振斌.TiOCl2溶液低温水解合成金红石型氧化钛纳米粉[J].无机材料学报，2001，16(6)：1217-1219】。赵晓红等用TiCl₃低温水热法制备出金红石型纳米二氧化钛【赵晓红，张渊明，等.低温水热法制备高活性纳米金红石相二氧化钛[J].化学研究与应用，2006，18(3)：235-238】。这些方法均为涉及粒径控制。