CN110697725B - 一种二硅酸锂晶须的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种二硅酸锂晶须的制备方法，将KCl和K2SO4均匀混合，得到熔盐混合料，将LiCl和SiO2纳米粉均匀混合，得到反应物混合料，将熔盐混合料和反应物混合料均匀混合后在400℃～600℃下进行热处理，冷却后进行清洗、过筛，得到二硅酸锂晶须。本发明操作简单，耗能低，晶体提取率高，尺寸型貌可控，得到的二硅酸锂晶须可作为一种陶瓷增强相使用，可广泛应用于玻璃、陶瓷等无机材料和高分子基体中。

Description

一种二硅酸锂晶须的制备方法
技术领域
本发明属于无机纳米粉体制备技术领域，具体涉及一种二硅酸锂晶须的制备方法。
背景技术
在工程材料的强韧化领域，采用具有一定长径比型貌增强相进行材料的强韧化处理是一种常规的增强手段。常涉及的材料包括碳纤维、莫来石纤维、钢纤维等，其主要利用将单相模量较高的第二相材料，采用机械混合的方式加入到脆性基体中，如结构陶瓷，微晶玻璃或一些需要较高强度的高分子材料基体中，在结构体发生断裂时，裂纹的传播过程会因此类具有一定长径比的第二相材料的阻挡，发裂纹偏转、晶须/纤维拔出等强化效应，进而对材料基体起到一定的增强增韧作用。
二硅酸锂晶体是一种各向异性生长的层状晶体，作为一种新型的增强相，越来越多的被研究者所关注。目前而言，已公开的单独制备二硅酸锂晶体的方法包括两种，专利CN201811622254.1公开了一种晶种增韧二硅酸锂微晶玻璃的方法，文中涉及到了采用粉体烧结法制备二硅酸锂棒状晶的方法，其采用Li2CO3和SiO2为原料粉，烧结并提纯后得到具有一定型貌的二硅酸锂棒状晶体。专利CN110079857A公开了一种采用水热法制备二硅酸锂棒状晶体的方法，此方法采用两步法，首先原料反应，其次进行热处理得到二硅酸锂棒状晶体，此方法虽然可以的到纯度较高的二硅酸锂晶体，但仍需要高压合成和高温烧结两步制备方法，切一次制备量较少，无法适应大批量制备及应用。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，目的在于提供一种二硅酸锂晶须的制备方法，该方法热处理温度低，原料易获得，制备过程相对简单，获得的二硅酸锂晶须纯度较高，晶体型貌可控，具有较好的应用基础。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种二硅酸锂晶须的制备方法，将KCl和K2SO4均匀混合，得到熔盐混合料，将LiCl和SiO2纳米粉均匀混合，得到反应物混合料，将熔盐混合料和反应物混合料均匀混合后在400℃～600℃下进行热处理，冷却后进行清洗、过筛，得到二硅酸锂晶须。
本发明进一步的改进在于，KCl和K2SO4的质量比为1:2～1:5。
本发明进一步的改进在于，LiCl和SiO2的质量比为2:1～5:1。
本发明进一步的改进在于，熔盐混合料与反应物混合料的质量比为1:10～1:20。
本发明进一步的改进在于，热处理的时间为2h～8h。
本发明进一步的改进在于，自室温以2℃/min～10℃/min的升温速率升温至400℃～600℃。
本发明进一步的改进在于，KCl和K2SO4均匀混合、LiCl和SiO2纳米粉均匀混合以及熔盐混合料和反应物混合料均匀混合均是采用聚乙烯罐和氧化锆球进行干混，球料比为5:1～10:1，混料的转速小于200r/min。
本发明进一步的改进在于，将熔盐混合料和反应物混合料均匀混合后装入纯度大于99.9％的氧化铝坩埚中，然后在马弗炉中进行热处理。
本发明进一步的改进在于，冷却后进行清洗、过筛的具体过程为：将热处理后的熔盐在不锈钢盘中进行空气冷却，然后采用大于80℃的热水进行多次清洗，烘干后，采用500～1000目的筛网进行筛除，过筛后得到的粉体为二硅酸锂晶须。与现有的技术相比，本发明的有益效果为：本发明采用的方法为熔盐法，以LiCl和SiO2为反应基体，KCl和K2SO4为复合熔盐，在相对较低的温度下，利用反应原料在液体熔盐中的扩散作用进行反应，得到晶须状的高纯二硅酸锂晶体，可作为一种陶瓷增强相使用，可广泛应用于玻璃、陶瓷等无机材料和高分子基体中。本发明具有如下优点：
1、原料混制为干混，特别适用于大批量的制备和生产。
2、制备过程温度较低，能耗较小。
3、制备过程和晶体型貌可控，粉体纯度较高，获得率高。
附图说明
图1为本发明实施例3所得材料结构的SEM照片。
图2为本发明实施例3所得材料的XRD图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明内容作进一步说明，但不应以此为限制本发明的保护范围。
本发明提供一种二硅酸锂晶须的制备方法，将KCl和K2SO4均匀混合得到熔盐混合料，将LiCl和SiO2纳米粉均匀混合，得到反应物混合料，并将得到的两种混合料按照比例均匀混合，混合后的粉装入氧化铝坩埚中，在马弗炉中进行低温热处理，热处理完成的熔盐，需要倒入不锈钢盘中进行空气冷却，冷却后将得到的块体采用大于80℃的热水进行多次清洗，清洗烘干后，采用500～1000目的筛网进行筛除，过筛后得到的粉体即为高纯的二硅酸锂晶须。
本发明中，KCl和K2SO4作为为熔盐主体，其质量比为1:2～1:5，LiCl和SiO2作为反应物主体，其质量比为2:1～5:1。熔盐混合料与反应物混合料的混合质量比为1:10～1:20。
本发明中，KCl和K2SO4均匀混合、LiCl和SiO2纳米粉均匀混合以及熔盐混合料和反应物混合料均匀混合均是采用聚乙烯罐和氧化锆球进行干混，球料比为5:1～10:1，混料的转速小于200r/min。
本发明中，氧化铝坩埚纯度大于99.9％，混合料在马弗炉的热处理温度为400℃～600℃，升温速率为2℃/min～10℃/min，热处理时间为2h～8h。
实施例1
根据质量比为1:2称取KCl和K2SO4作为熔盐主体，将KCl和K2SO4均匀混合，得到熔盐混合料，根据质量比为2:1称取LiCl和SiO2作为反应物主体，将LiCl和SiO2纳米粉均匀混合，得到反应物混合料，将熔盐混合料和反应物混合料均匀混合按质量比1:20采用聚乙烯罐和氧化锆球进行干混，混合过程中球料比为5：1，混料方式采用低速滚动干混，转速为200r/min；混合后的粉装入纯度大于99.9％的氧化铝坩埚中，在马弗炉中自室温以2℃/min的升温速率升温至热处理温度450℃，热处理2h；热处理完成的熔盐，需要倒入不锈钢盘中进行空气冷却，之后采用大于80℃的热水进行多次清洗，清洗烘干后，采用500目的筛网进行筛除，过筛后得到的粉体为二硅酸锂晶须。
实施例2
根据质量比为1:5称取KCl和K2SO4作为熔盐主体，将KCl和K2SO4均匀混合，得到熔盐混合料，根据质量比为3:1称取LiCl和SiO2作为反应物主体，将LiCl和SiO2纳米粉均匀混合，得到反应物混合料，将熔盐混合料和反应物混合料均匀混合按质量比1:10采用聚乙烯罐和氧化锆球进行干混，混合过程球料比为8：1，混料方式采用低速滚动干混，转速为200r/min；混合后的粉装入纯度大于99.9％的氧化铝坩埚中，在马弗炉中自室温以5℃/min的升温速率升温至热处理温度450℃，热处理3h；热处理完成的熔盐，需要倒入不锈钢盘中进行空气冷却，之后采用大于80℃的热水进行多次清洗，清洗烘干后，采用600目的筛网进行筛除，过筛后得到的粉体为二硅酸锂晶须。
实施例3
根据质量比为1:3称取KCl和K2SO4作为熔盐主体，将KCl和K2SO4均匀混合，得到熔盐混合料，根据质量比为3:1称取LiCl和SiO2作为反应物主体，将LiCl和SiO2纳米粉均匀混合，得到反应物混合料，将熔盐混合料和反应物混合料均匀混合按质量比1:15采用聚乙烯罐和氧化锆球进行干混，混合过程中球料比为10：1，混料方式采用低速滚动干混，转速为150r/min；混合后的粉装入纯度大于99.9％的氧化铝坩埚中，在马弗炉中自室温以5℃/min的升温速率升温至热处理温度500℃，热处理5h；热处理完成的熔盐，需要倒入不锈钢盘中进行空气冷却，之后采用大于80℃的热水进行多次清洗，清洗烘干后，采用800目的筛网进行筛除，过筛后得到的粉体为二硅酸锂晶须。
从图1可以看出，该实施例制备的二硅酸锂晶须为典型的晶须状，直径约为650nm，长度约为15μm，长径比为23，晶须的分散状态良好。整体形貌较为均匀，可作为良好的增强相使用。
图2为该二硅酸锂晶须的XRD衍射图，图2中的衍射峰为单相二硅酸锂晶体峰，进一步说明了该方法得到的二硅酸锂晶须的纯度较高。
实施例4
根据质量比为1:3称取KCl和K2SO4作为熔盐主体，将KCl和K2SO4均匀混合，得到熔盐混合料，根据质量比为4:1称取LiCl和SiO2作为反应物主体，将LiCl和SiO2纳米粉均匀混合，得到反应物混合料，将熔盐混合料和反应物混合料均匀混合按质量比1:10，采用聚乙烯罐和氧化锆球进行干混，混合过程中球料比为10：1，混料方式采用低速滚动干混，转速为150r/min；混合后的粉装入纯度大于99.9％的氧化铝坩埚中，在马弗炉中自室温以10℃/min的升温速率升温至热处理温度600℃，热处理8h；热处理完成的熔盐，需要倒入不锈钢盘中进行空气冷却，之后采用大于80℃的热水进行多次清洗，清洗烘干后，采用1000目的筛网进行筛除，过筛后得到的粉体为二硅酸锂晶须。
实施例5
根据质量比为1:4称取KCl和K2SO4作为熔盐主体，根据质量比为5:1称取LiCl和SiO2作为反应物主体，熔盐混合料与反应物混合料的混合质量比为1:20，混合过程球料比为8：1，混料方式采用低速滚动干混，转速为100r/min；混合后的粉装入纯度大于99.9％的氧化铝坩埚中，在马弗炉中自室温以2℃/min的升温速率升温至热处理温度550℃，热处理3h；热处理完成的熔盐，需要倒入不锈钢盘中进行空气冷却，之后采用大于80℃的热水进行多次清洗，清洗烘干后，采用500目的筛网进行筛除，过筛后得到的粉体为二硅酸锂晶须。
实施例6
根据质量比为1:4称取KCl和K2SO4作为熔盐主体，将KCl和K2SO4均匀混合，得到熔盐混合料，根据质量比为3:1称取LiCl和SiO2作为反应物主体，将LiCl和SiO2纳米粉均匀混合，得到反应物混合料，将熔盐混合料和反应物混合料均匀混合按质量比1:20，采用聚乙烯罐和氧化锆球进行干混，混合过程中球料比为8：1，混料方式采用低速滚动干混，转速为180r/min；混合后的粉装入纯度大于99.9％的氧化铝坩埚中，在马弗炉中自室温以5℃/min的升温速率升温至热处理温度480℃，热处理6h；热处理完成的熔盐，需要倒入不锈钢盘中进行空气冷却，之后采用大于80℃的热水进行多次清洗，清洗烘干后，采用600目的筛网进行筛除，过筛后得到的粉体为二硅酸锂晶须。
表1为实施例1-6的不同原料比例及工艺参数下制备的二硅酸锂晶须的基本参数，获得的莫来石晶须的长度为5-15μm，晶须直径为200-700nm。
表1不同原料比例及工艺参数下而硅酸酸锂晶须的基本参数
组别 平均长度(um) 平均直径(nm) 长径比
实施例1 5 210 23.8
实施例2 9 450 20
实施例3 15 650 23
实施例4 14 580 24
实施例5 12 500 24
实施例6 10 450 22
实施例7
根据质量比为1:2称取KCl和K2SO4作为熔盐主体，将KCl和K2SO4均匀混合，得到熔盐混合料，根据质量比为5:1称取LiCl和SiO2作为反应物主体，将LiCl和SiO2纳米粉均匀混合，得到反应物混合料，将熔盐混合料和反应物混合料均匀混合按质量比1:17采用聚乙烯罐和氧化锆球进行干混，混合过程中球料比为7：1，混料方式采用低速滚动干混，转速为100r/min；混合后的粉装入纯度大于99.9％的氧化铝坩埚中，在马弗炉中自室温以8℃/min的升温速率升温至热处理温度400℃，热处理8h；热处理完成的熔盐，需要倒入不锈钢盘中进行空气冷却，之后采用大于80℃的热水进行多次清洗，清洗烘干后，采用500目的筛网进行筛除，过筛后得到的粉体为二硅酸锂晶须。
本发明操作简单，耗能低，晶体提取率高，尺寸型貌可控，得到的二硅酸锂晶须可作为一种陶瓷增强相使用，可广泛应用于玻璃、陶瓷等无机材料和高分子基体中。

Claims (6)

1.一种二硅酸锂晶须的制备方法，其特征在于，将KCl和K2SO4均匀混合，得到熔盐混合料，将LiCl和SiO2纳米粉均匀混合，得到反应物混合料，将熔盐混合料和反应物混合料均匀混合后在400℃～600℃下进行热处理，冷却后进行清洗、过筛，得到二硅酸锂晶须；KCl和K2SO4的质量比为1:2～1:5；LiCl和SiO2的质量比为2:1～5:1；熔盐混合料与反应物混合料的质量比为1:10～1:20。
2.根据权利要求1所述的一种二硅酸锂晶须的制备方法，其特征在于，热处理的时间为2h～8h。
3.根据权利要求2所述的一种二硅酸锂晶须的制备方法，其特征在于，自室温以2℃/min～10℃/min的升温速率升温至400℃～600℃。
4.根据权利要求1所述的一种二硅酸锂晶须的制备方法，其特征在于，KCl和K2SO4均匀混合、LiCl和SiO2纳米粉均匀混合以及熔盐混合料和反应物混合料均匀混合均是采用聚乙烯罐和氧化锆球进行干混，球料比为5:1～10:1，混料的转速小于200r/min。
5.根据权利要求1所述的一种二硅酸锂晶须的制备方法，其特征在于，将熔盐混合料和反应物混合料均匀混合后装入纯度大于99.9％的氧化铝坩埚中，然后在马弗炉中进行热处理。
6.根据权利要求1所述的一种二硅酸锂晶须的制备方法，其特征在于，冷却后进行清洗、过筛的具体过程为：将热处理后的熔盐在不锈钢盘中进行空气冷却，然后采用大于80℃的热水进行多次清洗，烘干后，采用500～1000目的筛网进行筛除，过筛后得到的粉体为二硅酸锂晶须。
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