CN105819446A - 一种采用溶胶凝胶法制备亚微米级碳化钛粉体材料的方法 - Google Patents

一种采用溶胶凝胶法制备亚微米级碳化钛粉体材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种溶胶凝胶法制备亚微米级碳化钛粉体材料的方法。首先将普通二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比1:0.5～0.8:1.9～3.05在常温下搅拌混合均匀，然后在70～110℃下保温2～4小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体。将此前驱体置于高温炉中加热，在1300～1700℃、氩气气氛下，保温2～6小时，最终得到亚微米级(200nm～1μm)的碳化钛粉体。反应过程中，酚醛树脂热解生成高活性的无定形碳，包裹住二氧化钛粉体，形成球壳微观结构，极大程度地增加了反应物之间的接触面积，有利于碳热还原反应的进行。本发明所选用的原料成本低廉，降低了工业生产碳化钛粉末的烧结温度，烧结时间短，工艺简单，易于工业化生产。

Description

一种采用溶胶凝胶法制备亚微米级碳化钛粉体材料的方法
技术领域
本发明属于陶瓷材料制备领域，尤其涉及一种溶胶凝胶法制备亚微米级碳化钛粉体材料的方法。
背景技术
碳化钛具有NaCl型立方晶系结构，晶胞参数是0.4327nm，空间群为Fm3m，具有高熔点、高硬度、耐磨、耐腐蚀的特点，同时还具有良好的导热性、导电性和化学稳定性，因此被广泛应用于复合陶瓷材料、航空航天材料、切削工具和耐磨材料等。目前国内外制备碳化钛的方法主要有碳热还原TiO2法、直接反应法、溶胶凝胶法、微波合成法、机械球磨法和化学气相沉积法等。工业上一般采用二氧化钛和炭黑为原料，在1700～2100℃下碳热还原24小时制备碳化钛。生产过程中二氧化钛和炭黑接触面积小，分布不均匀，不利于碳热还原反应的进行。专利CN103936007A中公开了一种制备纳米级碳化钛粉体材料的方法，将纳米级二氧化钛粉体和沥青或者酚醛树脂按照质量比为1:1～1.5混合均匀，氩气保护下150～300℃保温3～5小时；冷却后的产物与镁粉按照质量比1:0.2～0.4混合均匀，氩气保护下600～700℃煅烧4～7小时，冷却后经过稀盐酸洗涤并过滤干燥，最终得到了纳米级碳化钛粉体。该工艺过程中使用镁粉作为还原剂，并用稀盐酸酸浸提纯，增加了该工艺的生产成本，且工艺流程复杂。专利CN102674350A中公开了一种制备碳化钛纳米颗粒的方法，采用间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠为原料制备碳溶胶，以钛酸四丁酯或者钛酸四乙酯、硝酸、去离子水为原料制备钛溶胶，将碳溶胶和钛溶胶混合后老化，常压干燥得到前驱体，将前驱体在惰性气氛中碳热还原、空气中煅烧、盐酸浸泡、水洗、过滤、烘干，最后得到碳化钛纳米颗粒。该方法生产成本高，工艺流程复杂，不利于工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用溶胶凝胶法制备亚微米级碳化钛粉体材料的方法。本发明采用普通二氧化钛、酚醛树脂、甲醇作为原料，降低了制备成本；并通过溶胶凝胶法制备了二氧化钛/酚醛树脂前驱体，增大了反应物之间的接触面积；该方法工艺简单，可以制备出高纯度、亚微米级碳化钛粉体颗粒。
本发明是通过如下技术方案实现的。一种采用溶胶凝胶法制备亚微米级碳化钛粉体材料的方法，其具体步骤如下：
(1)将二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比为1:(0.5～0.8):(1.9～3.05)混合，利用电磁搅拌将其搅拌均匀，搅拌转速为100～400rpm，搅拌时间1～3小时；
(2)将混合溶液在70～110℃下烘干2～4小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体；
(3)将前驱体放入高温炉中加热，在1300～1700℃、氩气气氛下，保温2～6小时，酚醛树脂热解生成无定形碳，通过碳热还原反应，最终得到亚微米级碳化钛粉体材料。
上述工艺中，二氧化钛和酚醛树脂在甲醇溶液中通过电磁搅拌均匀分布。前驱体中的酚醛树脂通过热解形成无定形碳，包裹住二氧化钛颗粒形成球壳结构，增大了反应物之间的接触面积，有利于碳热还原反应的进行。
此工艺优选的技术方案为，所述碳热还原反应的工艺为，以5～15℃/min的速率升温至1300～1700℃，保温2～6小时，然后以5～15℃/min的速率降至室温。
本发明还涉及上述工艺制备的碳化钛，所述碳化钛的纯度大于99.5％，粒度为200nm～1μm。
本发明与现有技术相比，具备以下优点：
1、本发明采用二氧化钛、酚醛树脂和甲醇为原料，相比于其他制备方法成本更加低廉，制备温度较低，工艺流程简单，且易于工业化生产；
2、本发明采用溶胶凝胶法制备二氧化钛/酚醛树脂前驱体，两种反应物混合均匀，酚醛树脂热解产生的无定形碳与二氧化钛颗粒形成球壳结构，增大了反应物之间的接触面积，且产生的无定形碳活性高，有利于碳热还原反应的进行；
3、本发明得到的碳化钛颗粒纯度高，且为亚微米级粉体材料。
附图说明
图1为实施例1得到的二氧化钛/酚醛树脂前驱体的X射线衍射图(XRD)。
图2为实施例1碳热还原温度为1600℃时碳化钛的(a)XRD图和(b)扫描电镜图片
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1:将二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比为1:0.6:0.6混合，利用电磁搅拌将其搅拌均匀，搅拌转速为300rpm，搅拌时间3小时。将混合溶液在110℃下烘干2小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体。将前驱体放入氧化铝坩埚中，氩气保护气氛下，以5℃/min的速率升温至1600℃，保温4小时，然后以5℃/min的速率降至室温，最终得到了纯度大于99.5％的碳化钛粉体。
图1是二氧化钛/酚醛树脂前驱体的X射线衍射图(XRD)，图2(a)是碳热还原温度为1600℃时产物的XRD图，证明产物为碳化钛(PDF卡号65-8807)，且不存在其他杂相。图2(b)是碳化钛的扫描电镜照片，可以看出碳化钛粉体的颗粒大小约为400nm，且尺寸均匀。
实施例2:将二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比为1:0.7:0.7混合，利用电磁搅拌将其搅拌均匀，搅拌转速为200rpm，搅拌时间4小时。将混合溶液在100℃下烘干3小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体。将前驱体放入氧化铝坩埚中，氩气保护气氛下，以5℃/min的速率升温至1500℃，保温5小时，然后以5℃/min的速率降至室温，最终得到了纯度大于99.5％的碳化钛粉体，颗粒大小约为500nm，且尺寸均匀。
实施例3:将二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比为1:0.7:0.7混合，利用电磁搅拌将其搅拌均匀，搅拌转速为400rpm，搅拌时间2小时。将混合溶液在90℃下烘干4小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体。将前驱体放入氧化铝坩埚中，氩气保护气氛下，以5℃/min的速率升温至1400℃，保温6小时，然后以5℃/min的速率降至室温，最终得到了纯度大于99.5％的碳化钛粉体，颗粒大小约为600nm，且尺寸均匀。

Claims (5)

1.一种采用溶胶凝胶法制备亚微米级碳化钛粉体材料的方法，其特征在于所用原材料为普通二氧化钛、酚醛树脂和甲醇，将其混合均匀后，烘干制备前驱体，在高温炉中加热进行碳热还原反应，得到亚微米级碳化钛粉体材料；
所述工艺包括以下步骤：
1)将二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比1:0.5～0.8:1.9～3.05混合，将其搅拌均匀；
2)将混合溶液在70～110℃下烘干2～4小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体；
3)将前驱体放入高温炉中加热，在1300～1700℃、氩气气氛下，保温2～6小时，酚醛树脂热解生成无定形碳包裹在二氧化钛颗粒周围，通过碳热还原反应，最终得到亚微米级碳化钛粉体材料。
2.根据权利要求1所述的溶胶凝胶法制备亚微米级碳化钛粉体材料的方法，其特征在于，以二氧化钛、酚醛树脂和甲醇或乙醇或丙酮可溶解酚醛树脂且易挥发去除的试剂为原料，采用溶胶凝胶法制备二氧化钛/酚醛树脂前驱体。
3.根据权利要求1所述的溶胶凝胶法制备亚微米级碳化钛粉体材料的方法，其特征在于，酚醛树脂热解生成无定型碳，包裹住二氧化钛粉体，形成球壳微观结构。
4.根据权利要求1所述的溶胶凝胶法制备亚微米级碳化钛粉体材料的方法，其特征在于制备得到的碳化钛颗粒粒径取决于二氧化钛颗粒粒径，当使用纳米级二氧化钛做原料时将得到纳米碳化钛。
5.根据权利要求1所述的溶胶凝胶法制备亚微米级碳化钛粉体材料的方法，其特征在于，得到的碳化钛粉体的纯度大于99.5％，粒度大小为200nm～1μm。
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