[发明专利]单分散亚微米二氧化钛微球的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机金属氧化物单分散微球的制备工艺，尤其是涉及单分散亚微米二氧化钛微球的制备方法。

背景技术

单分散二氧化钛作为功能性的无机材料，在涂料、催化、光电转换、电子油墨、功能陶瓷等诸多领域具有广泛的应用前景，它一直是相关功能材料领域研究的重点。

材料的性能不仅与其组成及基本结构相关，也与其形貌密切相关，因此，可控制备特定形貌的功能材料的技术及工艺也成为相关功能材料应用领域的关键问题。

单分散二氧化钛微球具有均一的形貌，是高性能陶瓷材料的主要原材料。不仅如此，由于二氧化钛具有较高的折射率，单分散二氧化钛微球也是用于构建光子晶体材料的理想材料。同时，由于亚微米的二氧化钛微球具有良好的白色显示效果，是用于电子纸材料的理想白色显示电子墨水。然而，由于钛离子的强极性，使得其在水溶液体系中的水解通常是剧烈而不可控的，因此很难得到形貌规则的产物。如TiCl₄在空气中即可水解，在军事上被用作烟雾弹。形貌规则且均一的钛基单分散亚微米级微球的制备一直是研究和应用的重点问题。

通常情况下，制备单分散样品，通常需要一个可控速率的反应过程。虽然Matijevic(M.Visca，E.Matijevic，J.Colloid Interface Sci.1979，68，308.)在1970年代就报道了水基的通过热解硫酸钛溶液制备二氧化钛微球的方法，但到目前为止，所有相类似的方法的一个主要缺陷在于无法获得粒径均一的单分散微球：如Matijevic所报道的结果实际上是粒径分布在1～4μm的产物。基于上面所提及的钛离子的强烈水解性，一般认为无法通过水基反应过程获得单分散二氧化钛微球。为了解决这一问题从而获得一个反应速率可控的反应过程，目前相关文献及专利报道主要依靠对水解反应前驱体的改性及溶剂的调整，以降低反应速率从而达到可控制备的目的。例如，夏育南(X.Jiang，T.Herricks and Y.Xia，Advance Materials，2003，15，1205-1209)等人报道了可以通过修饰水解前驱体制备粒径可控的纳米二氧化钛产品。然而，这类方法的主要缺点在于前驱体及溶剂的价格昂贵、水解过程使用大量的有机溶剂会造成环境污染、由于水解工艺流程的限制，使得其难以放大生产。水相过程以其环保、价格低廉及易于放大工艺规模制备重新得到了广泛的重视，因此，如何克服钛离子的强水解性以得到速率可控的反应过程成为了相关技术及工艺的难点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种单分散亚微米二氧化钛微球的制备方法；通过在0℃条件下，在过氧化钛水溶液中加入还原剂，进行陈化至体系为白色乳液状，烧结，便得到单分散亚微米二氧化钛微球；该方法无需使用昂贵且有害的有机试剂，成本低廉，工艺可操作性强，适用于批量生产。

为解决上述技术问题，本发明提供一种单分散亚微米二氧化钛微球的制备方法，包括以下步骤：在0℃条件下，在过氧化钛水溶液中加入还原剂，得到的混合溶液在0～20℃条件下进行陈化直至体系为白色乳状液，烧结，得到单分散亚微米二氧化钛微球。

进一步地，所述过氧化钛水溶液是将正钛酸沉淀分散到过氧化氢溶液中；所述正钛酸沉淀和过氧化氢的摩尔比为Ti∶H₂O₂为1～8∶1。

进一步地，所述正钛酸沉淀是通过将钛液加碱中和至pH为5～11，或将钛液稀释水解，或将钛液加热水解得到的。

进一步地，所述钛液是将硫酸钛水解，

或将硫酸亚钛水解，

或将硫酸氧钛水解，

或用浓度为70～98％的硫酸加热溶解钛铁矿或钛酸类化合物，得到固相沉积物，用水浸取，其中钛铁矿或钛酸类化合物与硫酸的质量比为1∶2，

之后再经过滤，除去不溶性矿渣，冷冻重结晶，过滤，除去杂质，得到钛液。

所述钛酸类化合物为钛酸钡、钛酸锶、钛酸钙、钛酸镁、钛酸铝、钛酸锌、钛酸镍、偏钛酸锰、正钛酸锰、钛酸铬、偏钛酸钴或正钛酸钴。

所述将钛液加碱中和，可采用碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、氢氧化钠、氢氧化钾或氨水等碱性化学试剂。

进一步地，所述还原剂为羟胺、水合肼、柠檬酸、硼氢化钠中的一种或两种以上混合物。

进一步地，所述过氧化钛水溶液中的过氧根离子与还原剂的摩尔比为1～5∶1。

进一步地，所述陈化是将混合溶液在0～20℃恒温条件下进行陈化。