CN110629285A - 一种金红石晶须的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金红石晶须领域，具体公开了一种金红石晶须的制备方法，以纯度为99.99％以上、粒度为200～300目的TiO2微粉为原料，通过给料机构以20～60次/min的频率将粉料送入晶须生长炉的生长室中，在氢气流量为12～16L/min和氧气流量为10～14L/min时燃烧产生氢氧火焰中经过熔化、结晶等过程，在Al2O3基片上稳定生长6～8h，即得金红石晶须。与现有技术相比，本发明采用的焰熔法的制备方法，没有加入其它物质，制备得到的晶须品质非常高，可以利用其各向异性作为功能材料，尤其是作为介电材料和半导体材料进行使用，也可以利用其力学性能作为增强增韧复合材料进行使用。采用这种制备方法可以用来制备其它高温氧化物晶须。

Description

一种金红石晶须的制备方法
技术领域
本发明属于金红石材料技术领域，具体说是一种金红石晶须的制备方法。
背景技术
TiO2是一种重要的过渡金属氧化物，具备较高的化学稳定性、热稳定性和生物惰性；无毒、耐候性和耐腐蚀性强；具有最佳的不透明性、最佳白度和光度，由于能对自然光中不同波长的光做同等程度的反射，且折射系数最高，被普遍认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料；具有良好的光电性能；另外，其对于紫外线也有强烈的吸收和屏蔽效应。因此，被广泛应用于颜料、涂料、牙膏、紫外线吸收剂、化妆品及食品添加剂和医药等领域。但是随着社会经济的发展、科技的进步和人类环保意识的增强以及人们对TiO2认识的不断深入，TiO2不光应用在传统领域中，而且在光催化、光电池以及传感器等方面的一些新的应用研究正在不断地出现并且受到越来越多的关注。二氧化钛晶须作为一种新型的无机陶瓷晶须材料，具有优良的物理、化学、介电性能之外，还具有低密度、高熔点、高模量等优点，被广泛用作光催化材料、电子陶瓷材料、抗紫外辐射涂层、无机填料、颜料及化妆品和复合材料用补强剂等领域。
目前无机晶须材料的制备方法主要有气相法、助熔剂法、水热法、烧结法、助熔剂法和凝胶法等，关于二氧化钛晶须的研究报道比较少。1998年刘泽等选用钛白粉、KOH等为原料，采用水热合成法制备，经冲洗、烘干得到二氧化钛晶须；2001年吴孟强等以Ti(OH)4粉体为原料，以KOH作为矿化剂，加入氨水混合均匀，置于高压反应釜中，在既定的温度下水热处理一段时间得到的混合物经离心分离、洗涤、烘干即可得二氧化钛晶须；2006年于海洋等以纳米TiO2和AlCl3·6H2O为原料，利用NaCl和KCl复合熔盐体系在1200℃下制备出了金红石型TiO2针状晶须。二氧化钛晶须的主要制备方法是低温水热法，该方法制备出的晶须尺寸小，而高温熔盐法制备二氧化钛晶须时，由于原料品种多而导致二氧化钛晶须的纯度较差。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本申请提供一种金红石晶须的制备方法，解决了现有制备方法温度低、晶须尺寸小、纯度低等问题。
为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种金红石晶须的制备方法，以高纯二氧化钛微粉为原料，在焰熔法晶须生长装置(如图1所示)内制备金红石晶须，具体步骤如下：
(1)将氢气流量设定为12～16L/min，氧气流量设定为10～14L/min，使H2与O2的流量比小于2:1以保持生长室内的氧化气氛，点火；
(2)缓慢增加H2和O2流量，对生长室和炉体进行预热，预热时间为1～1.5h，使生长室和炉体的内部温度达到稳定；
(3)在步骤(2)的预热过程中，生长室内装入晶须生长基片，并以150-300mm/h的速度通过升降机构缓慢升至晶须生长界面；
(4)启动给料系统的振动机构，开始给料，振动频率为20～60次/min，粉体原料在振动机构的作用下，通过筛网落入原料仓中，并在氧气的作用下，经过喷嘴吹入生长室中，原料粉体在高温火焰中加热熔化，最终在晶须生长基片上进行结晶而得到金红石晶须；
(5)通过观测孔观察晶须生长状态，并根据晶须生长状态设定晶须生长基片的下降速度为1～5mm/h；
(6)稳定步骤(5)的生长过程6～8h，即可制备出5～15mm长的金红石晶须；
(7)同时关闭氢气和氧气流量，对生长室内金红石晶须进行保温处理。
进一步的，在制备过程中，金红石粉体原料为200～300目，纯度为99.99％以上，晶须生长基片为Al2O3材料。
进一步的，所述焰熔法晶须生长装置，包括升降机构、基片支撑杆、炉体、晶须生长基片、生长室、燃烧器和给料系统；所述燃烧器包括喷嘴、金属管；在燃烧器上部一侧设有氢气通入口，金属管位于燃烧器中，在燃烧器底部设有喷嘴，该喷嘴与金属管底部相连；所述给料系统包括原料仓、筛网、振动机构，所述振动机构安装在筛网上方，所述筛网位于原料仓中，在原料仓一侧设有氧气通入口；所述原料仓底部与燃烧器中的金属管顶部相连通，所述燃烧器底部与炉体相连通，所述炉体的顶部和底部为开口结构，在炉体内部设有生长室，晶须生长基片位于生长室中，所述晶须生长基片通过基片支撑杆与升降机构相连。
进一步的，所述生长室的结构为三段圆锥台型结构，上段为气体混合与燃烧区，上底、下底直径分别为φ40mm、φ50mm，高度为100mm；中段为晶体生长高温区，上底、下底直径分别为φ50mm、φ60mm，高度为20mm；下段为晶体保温区，上底、下底直径分别为φ60mm、φ70mm，高度为250mm。
进一步的，在炉体上设有观测孔，所述观测孔与生长室的晶体生长高温区相连通。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：
(1)本发明采用的焰熔制备方法，没有加入其它物质，制备得到的晶须品质非常高，采用这种制备方法可以用来制备其它高温氧化物晶须。
(2)制备出的金红石晶须，径向长度为5～15mm，轴向直径为5～50μm，长径比为100～1000，可以利用其各向异性作为功能材料，尤其是作为介电材料和半导体材料进行使用。
(3)制备出的金红石晶须，可以利用其力学性能作为增强增韧复合材料进行使用。
附图说明
图1为焰熔法晶须生长装置结构示意图；
图2为本申请制备的金红石晶须的XRD图；
图3为本申请制备的金红石晶须的SEM图。
图中序号说明：1.升降机构；2.基片支撑杆；3.炉体；4、晶须生长基片；5.生长室；6.晶须；7.观测孔；8.火焰；9.喷嘴；10.原料仓；11.筛网；12.粉体原料；13.振动机构；14.给料系统；15.燃烧器。
具体实施方式
本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例1
本实施例提供一种金红石晶须的制备方法，1)取TiO2微粉为制备晶须的原料；2)将步骤1)中的TiO2微粉通过给料系统的振动机构送入晶须生长炉的生长室中，在氢氧火焰中经过熔化、结晶等过程，在晶须生长基片上稳定生长，即得金红石晶须。
在步骤2)中，所述TiO2微粉通过给料系统送入生长室中的给料频率为20～60次/min。所述氢氧火焰是由氢气流量为12～16L/min和氧气流量为10～14L/min时燃烧所得，氢气和氧气的流量也可以根据所生长晶须的尺寸要求和生长条件的要求而变化。所述晶须生长基片的材质为Al2O3，晶须生长基片在炉体预热过程中以150-300mm/h缓慢升至晶须生长界面。晶须稳定生长时间为6～8h，生长时间也可以根据所生长晶须的尺寸要求和生长条件的要求而变化。
炉体预热是在氢气流量为12～14L/min，氧气流量为10～12L/min的条件下进行，预热时间为1～1.5h，预热时的氢气和氧气流量和预热时间也可以根据炉体条件不同而变化。
所述炉体由耐火材料、保温材料和不锈钢壳制成，该耐火材料可以是氧化铝、氧化锆等，保温材料可以是轻质镁铝砖、岩棉等。炉体的高度和外径根据所生长晶须的尺寸要求和生长条件的要求而变化。
上述方法的具体实施步骤为：
(1)称重100g粒度为200～300目，纯度为99.99％的金红石粉，装入原料仓中，料仓筛网选用孔径为200目的铜网。
(2)设定氢气和氧气的初始流量为12L/min、14L/min，点火。
(3)将晶须生长基片放在升降机构上，设定自动上升速度为5mm/min，启动，当基片升至晶须生长界面时，停止。
(4)以每三分钟增加氢气流量0.05L/min、氧气流量0.05L/min，1小时后稳定氢气和氧气流量。
(5)氢气和氧气流量稳定后，用红外温度计实时测量炉壳外表面不同点的温度并记录，当各点温度基本不变时，认为生长室和炉体的温度已达到平衡状态。
(6)启动给料系统的振动机构，开始给料，振动频率为40次/min，通过观测孔观察晶须生长状态，并根据晶须生长状态设定晶须生长基片的下降速度为2mm/h，并持续生长8h，即可制备出5～15mm长的金红石晶须。
(7)同时关闭氢气和氧气流量，对生长室内金红石晶须进行保温处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种金红石晶须的制备方法，以二氧化钛微粉为原料，其特征在于，在焰熔法晶须生长装置内制备金红石晶须，具体步骤如下：
(1)将氢气流量设定为12～16L/min，氧气流量设定为10～14L/min，使H2与O2的流量比小于2:1以保持生长室内的氧化气氛，点火；
(2)缓慢增加H2和O2流量，对生长室和炉体进行预热，预热时间为1～1.5h，使生长室和炉体的内部温度达到稳定；
(3)在步骤(2)的预热过程中，生长室内装入晶须生长基片，并以150-300mm/h的速度通过升降机构缓慢升至晶须生长界面；
(4)启动给料系统的振动机构，开始给料，振动频率为20～60次/min，粉体原料在振动机构的作用下，通过筛网落入原料仓中，并在氧气的作用下，经过喷嘴吹入生长室中，原料粉体在高温火焰中加热熔化，最终在晶须生长基片上进行结晶而得到金红石晶须；
(5)通过观测孔观察晶须生长状态，并根据晶须生长状态设定晶须生长基片的下降速度为1～5mm/h；
(6)稳定步骤(5)的生长过程6～8h，即可制备出5～15mm长的金红石晶须；
(7)同时关闭氢气和氧气流量，对生长室内金红石晶须进行保温处理。
2.根据权利要求1所述一种金红石晶须的制备方法，其特征在于，在制备过程中，金红石粉体原料为200～300目，纯度为99.99％以上，晶须生长基片为Al2O3材料。
3.根据权利要求1所述一种金红石晶须的制备方法，其特征在于，所述焰熔法晶须生长装置，包括升降机构、基片支撑杆、炉体、晶须生长基片、生长室、燃烧器和给料系统；所述燃烧器包括喷嘴、金属管；在燃烧器上部一侧设有氢气通入口，金属管位于燃烧器中，在燃烧器底部设有喷嘴，该喷嘴与金属管底部相连；所述给料系统包括原料仓、筛网、振动机构，所述振动机构安装在筛网上方，所述筛网位于原料仓中，在原料仓一侧设有氧气通入口；所述原料仓底部与燃烧器中的金属管顶部相连通，所述燃烧器底部与炉体相连通，所述炉体的顶部和底部为开口结构，在炉体内部设有生长室，晶须生长基片位于生长室中，所述晶须生长基片通过基片支撑杆与升降机构相连。
4.根据权利要求3所述一种金红石晶须的制备方法，其特征在于，所述生长室的结构为三段圆锥台型结构，上段为气体混合与燃烧区，上底、下底直径分别为φ40mm、φ50mm，高度为100mm；中段为晶体生长高温区，上底、下底直径分别为φ50mm、φ60mm，高度为20mm；下段为晶体保温区，上底、下底直径分别为φ60mm、φ70mm，高度为250mm。
5.根据权利要求1所述一种金红石晶须的制备方法，其特征在于，在炉体上设有观测孔，所述观测孔与生长室的晶体生长高温区相连通。
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