CN108585876B - 氮化钛纳米粉体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种氮化钛纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：1)以非极性芳香烃与卤代烃中的一种或者多种为反应助剂，向反应助剂中加入液氨，待液氨与反应助剂稳定分层之后，向反应助剂中加入四氯化钛溶液于低温下进行化合反应，反应结束之后进行洗涤，得到氮化钛前驱体；2)将步骤1)得到的氮化钛前驱体进行高温焙烧，得到氮化钛纳米粉体；其中，所述四氯化钛溶液为四氯化钛与有机溶剂溶解配制而成，所述有机溶剂为非极性芳香烃与卤代烃中的一种或者多种。该制备方法获得的氮化钛粉体纯度高、颗粒均匀、粒度分布窄、粒径小。

Description

氮化钛纳米粉体的制备方法
技术领域
本发明属于氮化钛制备技术领域，具体涉及一种氮化钛纳米粉体的制备方法。
背景技术
氮化钛粉体是制备氮化钛陶瓷的基本原料，是影响氮化钛陶瓷性能的关键，其中纳米级氮化钛粉体呈黑色，微米级氮化钛粉体呈黄色。氮化钛陶瓷是一种高性能陶瓷，它具有优异的物理化学性能，如高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐酸碱侵蚀，另外具有良好的导电性、导热性等一系列优点，被广泛应用。
纳米氮化钛粉体是指其晶粒尺寸在100纳米以内的氮化钛粉体，用它代替微米级氮化钛粉体作原料可以降低烧结温度、提高烧结性能；用它作为增强相，可有效提高金属、陶瓷基体的强度和韧性。而且，由于颗粒小、比表面积大，能分散在其它材料中形成导电网络，大大提高复合材料的导电性能。故此，纳米氮化钛是一种具有广阔应用前景的材料。
随着国内外对氮化钛研究的加深，制备氮化钛的方法也越来越多。传统的固相法：金属钛或氢化钛在氮气中高温处理可制得氮化钛粉末，这类方法所需温度较高，而且高温下氮化钛团聚结块，颗粒粗大，与现在市场所需求的纳米级氮化钛相差较大，所以还需要机械破碎，总能耗较高。气相法是最近几十年发展起来的新技术：以四氯化钛、氨气、氢气、氮气为原料，在反应器中进行化学反应制备氮化钛粉末，这类方法反应较快，但反应过程不容易控制，且反应温度较高、能耗较高。除此之外液相法也是近几年研究较多的方法，液相化学反应所需反应温度相对较低，工艺过程简单无需大型设备，所需费用较低，降低了粉末制备成本，而且其方法生产制备的氮化钛粉末颗粒均匀，粒度分布窄，粒径可达纳米级，可满足现有市场需求，未来将逐步取代传统的氮化钛制备方法，具有广阔前景。
发明内容
本发明提出一种氮化钛纳米粉体的制备方法，该制备方法获得的氮化钛粉体纯度高、颗粒均匀、粒度分布窄、粒径小。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种氮化钛纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：
1)以非极性芳香烃与卤代烃中的一种或者多种为反应助剂，向反应助剂中加入液氨，待液氨与反应助剂稳定分层之后，向反应助剂中加入四氯化钛溶液于低温下进行化合反应，反应结束之后进行洗涤，得到氮化钛前驱体；
2)将步骤1)得到的氮化钛前驱体进行高温焙烧，得到氮化钛纳米粉体；
其中，所述四氯化钛溶液为四氯化钛与有机溶剂溶解配制而成，所述有机溶剂为非极性芳香烃与卤代烃中的一种或者多种。
优选地，所述步骤1)的低温的温度为-60℃～-35℃。
优选地，所述步骤1)的化合反应是在真空条件进行。
优选地，四氯化钛、液氨与反应助剂的质量之比为50～200:300～700:150～400。
优选地，所述步骤2)高温焙烧的具体条件为在保护性气氛下进行，温度为600℃～1200℃，焙烧时间控制在30～120min。
优选，所述保护性气氛的气体为氮气或者氩气。
下面对本发明的技术方案作进一步详细说明：
本发明所有的实施中均选用非极性芳香烃与卤代烃中的一种或者多种为反应助剂，是该反应助剂可与四氯化钛互溶，四氯化钛可被该反应助剂包裹，外层反应助剂在反应时会抑制氮化钛前躯体的长大，从而获得纳米级氮化钛粉。
本发明将四氯化钛溶解在非极性芳香烃与卤代烃中的一种或者多种的有机溶剂中，可以防止四氯化钛溶解在其他溶剂中会涉及到类似于[(C6R6)TiCl3]+的配合物生成的问题的出现。进一步，本发明的四氯化钛均匀分散并溶解在反应助剂中，均匀分散的四氯化钛发生氨解反应时表面的反应助剂会抑制反应产物的扩散长大。
本发明的步骤1)的反应具体为TiCl4+6NH3＝Ti(NH)2↓+4NH4Cl，进行化合反应时在密闭的反应容器内进行，反应器内使用高纯氮气反复置换出反应器内空气，使其无水无氧，压力为1±0.5个大气压。
本发明的一些实施例中，步骤1)的化合反应结束之后进行洗涤纯化的具体步骤为：通过液氨反复洗涤过滤，萃取出残留的氯化铵，过滤出剩余的反应助剂，得到纯净的氮化钛前驱体。纯化后的液相通过蒸馏，分离出纯净的氨、反应助剂和氯化铵，回收利用。
本发明的有益效果：
本发明采用液相法合成制备氮化钛纳米粉体，反应可控，反应周期短，反应能耗较低，工艺简单，生产成本较低，可大工业化生产，而且反应所得氮化钛粉体纯度高、颗粒均匀、粒度分布窄、粒径小，反应中所使用反应助剂、液氨都可循环使用。
具体实施方式
实施例1
一种氮化钛纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：
1)以甲苯为反应助剂，向反应助剂中加入液氨，待液氨与甲苯稳定分层之后，向甲苯中加入四氯化钛甲苯溶液于-60℃且真空条件下进行化合反应，真空压力为0.8个大气压，反应结束之后进行洗涤，得到氮化钛前驱体；四氯化钛：氨：甲苯的质量比为50:300:150。
2)将步骤1)得到的氮化钛前驱体进行在氮气保护性气氛下进行，温度为800℃，高温焙烧，焙烧时间控制在30min得到氮化钛纳米粉体，经检测氮化钛纳米粉体的粒径为100nm。
实施例2
一种氮化钛纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：
1)以甲苯为反应助剂，向反应助剂中加入液氨，待液氨与甲苯稳定分层之后，向甲苯中加入四氯化钛溶液于-50℃且真空条件下进行化合反应，真空压力为1个大气压，反应结束之后进行洗涤，得到氮化钛前驱体；四氯化钛：氨：甲苯的质量比为100:500:400。
2)将步骤1)得到的氮化钛前驱体进行在氮气保护性气氛下进行，温度为1000℃，高温焙烧，焙烧时间控制在60min得到氮化钛纳米粉体，经检测氮化钛纳米粉体的粒径为300nm。
实施例3
一种氮化钛纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：
1)以甲苯为反应助剂，向反应助剂中加入液氨，待液氨与甲苯稳定分层之后，向甲苯中加入四氯化钛溶液于-40℃且真空条件下进行化合反应，真空压力为1个大气压，反应结束之后进行洗涤，得到氮化钛前驱体；四氯化钛：氨：甲苯的质量比为200:700:600。
2)将步骤1)得到的氮化钛前驱体进行在氮气保护性气氛下进行，温度为1200℃，高温焙烧，焙烧时间控制在120min得到氮化钛纳米粉体，经检测氮化钛纳米粉体的粒径为500nm。
实施例4
一种氮化钛纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：
1)以二氯甲烷为反应助剂，向反应助剂中加入液氨，待液氨与二氯甲烷稳定分层之后，向二氯甲烷中加入四氯化钛溶液于-60℃且真空条件下进行化合反应，真空压力为0.8个大气压，反应结束之后进行洗涤，得到氮化钛前驱体；四氯化钛：氨：甲苯的质量比为50:300:150。
2)将步骤1)得到的氮化钛前驱体进行在氮气保护性气氛下进行，温度为800℃，高温焙烧，焙烧时间控制在30min得到氮化钛纳米粉体，经检测氮化钛纳米粉体的粒径为500nm。
实施例5
一种氮化钛纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：
1)以二氯甲烷为反应助剂，向反应助剂中加入液氨，待液氨与二氯甲烷稳定分层之后，向二氯甲烷中加入四氯化钛溶液于-50℃且真空条件下进行化合反应，真空压力为1个大气压，反应结束之后进行洗涤，得到氮化钛前驱体；四氯化钛：氨：甲苯的质量比为100:500:400。
2)将步骤1)得到的氮化钛前驱体进行在氮气保护性气氛下进行，温度为1000℃，高温焙烧，焙烧时间控制在60min得到氮化钛纳米粉体，经检测氮化钛纳米粉体的粒径为500nm。
实施例6
一种氮化钛纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：
1)以二氯甲烷为反应助剂，向反应助剂中加入液氨，待液氨与二氯甲烷稳定分层之后，向二氯甲烷中加入四氯化钛溶液于-35℃且真空条件下进行化合反应，真空压力为1.2个大气压，反应结束之后进行洗涤，得到氮化钛前驱体；四氯化钛：氨：甲苯的质量比为200:700:600。
2)将步骤1)得到的氮化钛前驱体进行在氮气保护性气氛下进行，温度为1200℃，高温焙烧，焙烧时间控制在120min得到氮化钛纳米粉体，经检测氮化钛纳米粉体的粒径为500nm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种氮化钛纳米粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以非极性芳香烃与卤代烃中的一种或者多种为反应助剂，向反应助剂中加入液氨，待液氨与反应助剂稳定分层之后，向反应助剂中加入四氯化钛溶液于温度为-60℃～-35℃的低温下进行化合反应，反应结束之后进行洗涤，得到氮化钛前驱体；化合反应时在密闭的反应容器内真空条件进行，反应器内使用高纯氮气反复置换出反应器内空气，使其无水无氧，压力为1±0.5个大气压；
2)将步骤1)得到的氮化钛前驱体进行高温焙烧，得到氮化钛纳米粉体；
其中，所述四氯化钛溶液为四氯化钛与有机溶剂溶解配制而成，所述有机溶剂为非极性芳香烃与卤代烃中的一种或者多种；四氯化钛、液氨与反应助剂的质量之比为50～200:300～700:150～400。
2.根据权利要求1所述的氮化钛纳米粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤2)高温焙烧的具体条件为在保护性气氛下进行，温度为600℃～1200℃，焙烧时间控制在30～120min。
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