CN113041965B - 一种磷酸钛溶胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磷酸钛溶胶的制备方法，包括以下步骤：磷酸溶液的制备；硫酸氧钛溶液的制备；磷酸钛胶体的制备；渗析半透膜的制备；用热渗析法纯化磷酸钛溶胶：将所制得的磷酸钛溶胶液注入半透膜内，用线拴住袋口，置于清洁容器中，容器中加蒸馏水，维持温度在60摄氏度，进行渗析，每20分钟换一次蒸馏水，3次后冷却该磷酸钛溶胶，得到磷酸钛溶胶。本发明采用上述步骤的磷酸钛溶胶的制备方法，用于金属制品涂料涂装前表面预处理的表面调整剂，克服了由于磷酸钛常温下不溶于水导致利用率低，处理效果差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及磷酸盐技术领域，尤其是涉及一种磷酸钛溶胶的制备方法。
背景技术
磷酸钛盐在橡胶、塑料、造纸、感光材料、防锈涂料及作为石油化工和有机合成催化剂方面有着广泛的应用。更重要的用途是作为阻燃材料的添加剂和金属件涂装前表面预处理的表面调整剂。目前，市售磷酸钛粒径相对较大，粒子大小不均，形状不规则，表面积小，活度降低，特别是作为表面调整剂时，由于磷酸钛不溶于水，易产生沉淀，磷酸钛不能被充分利用，达不到理想的效果。
为了解决磷酸盐在上述应用方面存在的问题，G.J科尔米尔和柯如等对此进行了深入研究，研究的思路采取以下两种途径：其一、在用磷酸钛盐作为金属表面调整剂时，为使难溶的磷酸钛稳定在水溶液中，在磷酸钛盐这个分散体系中使用钠盐和钾盐混合物(用量必须满足：钾与钛之比是在8.0:1.0-40:1.0范围内和钾与钠之比在0.9:1.0-约2.5:1.0范围内)将磷酸钛盐稳定在溶液中，这种分散体系能够在被稳定后贮存六个月不变质。其二、主要是在磷酸及氯水溶液中以规律的速度添加适量的无水硫酸钛并使温度保持在45摄氏度以下，同时搅拌使其反应，待硫酸钛全部引入反应液后，并加温至60-100摄氏度，可形成磷酸钛溶液，然后再以400摄氏度以上熔烧而形成一种白色粉末状并含有结晶水的无水干燥物。
以上两种途径得到的磷酸钛为微米级：0.1微米-10微米之间，以0.2微米-5微米为最佳。这时磷酸钛的粒径还相对较大，做为阻燃材料的添加剂和金属表面调整剂时，仍达不到理想的效果。为使磷酸钛盐能长时间的稳定在水溶液中，需要对磷酸钛溶胶的制备工艺进行系统研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种磷酸钛溶胶的制备方法，用于金属制品涂料涂装前表面预处理的表面调整剂，克服了由于磷酸钛常温下不溶于水导致利用率低，处理效果差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了磷酸钛溶胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)磷酸溶液的制备：将一定量的磷酸加入到容器中，然后加入蒸馏水，搅拌均匀即得磷酸溶液，其中磷酸与蒸馏水的体积比为6:5；
(2)硫酸氧钛溶液的制备：取一定量的固体硫酸氧钛放入到另一容器中，在搅拌中逐渐加入蒸馏水，使其充分溶解，静置，取上层清液得到硫酸氧钛溶液；
(3)磷酸钛胶体的制备：将配制好的磷酸溶液在一定温度下水浴加热，然后加入适量的十二烷基苯磺酸钠，待搅拌均匀后，用胶头滴管逐滴加入硫酸氧钛溶液，加入硫酸氧钛溶液的时间为30分钟，滴加完毕后，反应一段时间，然后从水浴锅中取出，冷却，静置，得到胶体磷酸钛溶液；
(4)渗析半透膜的制备：在预先洗净并烘干的容器中加入约胶棉液，溶剂为1:3的乙醇-乙醚液，搅拌使胶棉液在容器内壁形成一均匀薄膜，倒出多余的胶棉液，将容器倒置在铁圈上，使乙醚挥发干净，然后将蒸馏水注入胶膜与容器壁之间，取出胶膜，将其置于蒸馏水中浸泡得到磷酸钛溶胶液待用，同时检查是否漏洞；
(5)用热渗析法纯化磷酸钛溶胶：将所制得的磷酸钛溶胶液注入半透膜内，用线拴住袋口，置于清洁容器中，容器中加蒸馏水，维持温度在60摄氏度，进行渗析，每20分钟换一次蒸馏水，3次后冷却该磷酸钛溶胶，得到磷酸钛溶胶。
优选的，所述步骤(1)中磷酸的加入量为120ml，蒸馏水的加入量为100ml。
优选的，所述步骤(2)中硫酸氧钛的加入量为2g，蒸馏水的加入量为100ml。
优选的，所述步骤(3)中十二烷基苯磺酸钠的加入量为0.6g，磷酸溶液的水浴加热温度为55摄氏度。
优选的，所述步骤(5)中磷酸钛溶胶液加入到半透膜内的体积不超过半透膜的三分之二，蒸馏水的加入量为300ml。
因此，本发明采用上述步骤的磷酸钛溶胶的制备方法，用于金属制品涂料涂装前表面预处理的表面调整剂，克服了由于磷酸钛常温下不溶于水导致利用率低，处理效果差的问题。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明磷酸钛溶胶的制备方法实施例的工艺流程图。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
图1为本发明磷酸钛溶胶的制备方法实施例的工艺流程图，如图所示，本发明提供了磷酸钛溶胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)磷酸溶液的制备：将一定量的磷酸加入到容器中，然后加入蒸馏水，搅拌均匀即得磷酸溶液，其中磷酸与蒸馏水的体积比为6:5；
(2)硫酸氧钛溶液的制备：取一定量的固体硫酸氧钛放入到另一容器中，在搅拌中逐渐加入蒸馏水，使其充分溶解，静置，取上层清液得到硫酸氧钛溶液；
(3)磷酸钛胶体的制备：将配制好的磷酸溶液在一定温度下水浴加热，然后加入适量的十二烷基苯磺酸钠，待搅拌均匀后，用胶头滴管逐滴加入硫酸氧钛溶液，加入硫酸氧钛溶液的时间为30分钟，滴加完毕后，反应一段时间，然后从水浴锅中取出，冷却，静置，得到胶体磷酸钛溶液；
(4)渗析半透膜的制备：在预先洗净并烘干的容器中加入约胶棉液，溶剂为1:3的乙醇-乙醚液，搅拌使胶棉液在容器内壁形成一均匀薄膜，倒出多余的胶棉液，将容器倒置在铁圈上，使乙醚挥发干净，然后将蒸馏水注入胶膜与容器壁之间，取出胶膜，将其置于蒸馏水中浸泡得到磷酸钛溶胶液待用，同时检查是否漏洞；
(5)用热渗析法纯化磷酸钛溶胶：将所制得的磷酸钛溶胶液注入半透膜内，用线拴住袋口，置于清洁容器中，容器中加蒸馏水，维持温度在60摄氏度，进行渗析，每20分钟换一次蒸馏水，3次后冷却该磷酸钛溶胶，得到磷酸钛溶胶。
实施例
本发明提供了磷酸钛溶胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)磷酸溶液的制备：将一定量的磷酸加入到容器中，然后加入蒸馏水，搅拌均匀即得磷酸溶液，磷酸的加入量为120ml，蒸馏水的加入量为100ml；
(2)硫酸氧钛溶液的制备：取一定量的固体硫酸氧钛放入到另一容器中，在搅拌中逐渐加入蒸馏水，使其充分溶解，静置，取上层清液得到硫酸氧钛溶液，硫酸氧钛的加入量为2g，蒸馏水的加入量为100ml；
(3)磷酸钛胶体的制备：将配制好的磷酸溶液在一定温度下水浴加热，然后加入适量的十二烷基苯磺酸钠，待搅拌均匀后，用胶头滴管逐滴加入硫酸氧钛溶液，加入硫酸氧钛溶液的时间为30分钟，滴加完毕后，反应一段时间，然后从水浴锅中取出，冷却，静置，得到胶体磷酸钛溶液，十二烷基苯磺酸钠的加入量为0.6g，磷酸溶液的水浴加热温度为55摄氏度；
(4)渗析半透膜的制备：在预先洗净并烘干的容器中加入约胶棉液，溶剂为1:3的乙醇-乙醚液，搅拌使胶棉液在容器内壁形成一均匀薄膜，倒出多余的胶棉液，将容器倒置在铁圈上，使乙醚挥发干净，然后将蒸馏水注入胶膜与容器壁之间，取出胶膜，将其置于蒸馏水中浸泡得到磷酸钛溶胶液待用，同时检查是否漏洞；
(5)用热渗析法纯化磷酸钛溶胶：将所制得的磷酸钛溶胶液注入半透膜内，用线拴住袋口，置于清洁容器中，容器中加蒸馏水，维持温度在60摄氏度，进行渗析，每20分钟换一次蒸馏水，3次后冷却该磷酸钛溶胶，得到磷酸钛溶胶，磷酸钛溶胶液加入到半透膜内的体积不超过半透膜的三分之二，蒸馏水的加入量为300ml。
磷酸钛溶胶相对浓度的表征：用722型可见分光光度计，在320纳米的波长下，测定所制备溶胶的吸光度，并以吸光度作为溶胶的相对浓度。
磷酸钛溶胶的电泳：将DDS-11型电泳仪事先洗涤干净并烘干，活塞上涂一薄层凡士林，塞好活塞。将待测的磷酸钛溶胶溶液通过小漏斗注入电泳仪的U型管底部至适当部位。再用两支滴管，将电导率与胶体溶液相差不多的氯化钠溶液，将U型管左右两臂的管壁，等量地缓缓加入至约10厘米高度，保持两液相间的界面清晰。轻轻将铂电极插入氯化钠液层中，且勿扰动液面，铂电极应保持垂直，并使两极进入液面下的深度相等，记下胶体液面的高度位置。将两极接于30-100伏的直流电源上，按下电键，同时开始计时，记下胶体液面上升的距离和电压的读数，沿U型管中线量出两极间的距离。实验结束后应回收胶体溶液，洗净U型管和电极，并在U型管中放满蒸馏水浸泡铂电极。
磷酸钛溶胶的电导率的测定：将电导率仪校正后，用蒸馏水洗净电导仪的铂电极，然后将电导仪铂电极放入渗析并纯化好的磷酸钛溶胶中测定该溶胶的电导率。
正交试验及优化结果：根据初步试验探索出的原料种类、用量及时间和温度范围设计正交实验L25(55)，因素-水平表如表1所示。
表1因素-水平表
按表1所列的因素和水平设计正交实验方案，对每个实验所对应的工艺条件按上述方法制备磷酸钛溶胶，然后测定溶液的吸光度，并以此作为评定溶胶浓度或反应转化率的定量因子，用Mi表示，正交实验方案和综合评定结果一并列于表2。
表2正交实验方案及评定结果
表2中K1、K2、K3、K4、K5分别为水平1、水平2、水平3、水平4、水平5Mi(A)的平均值，R是K值的极差，由综合指标K及试验结果筛选出最佳工艺为：A3B5C2D4G1，即最佳时间为30分钟，最佳温度为55摄氏度，硫酸氧钛2克，磷酸120毫升，十二烷基苯磺酸钠0.6克。
磷酸钛溶胶的表征：根据正交实验优化出的最佳工艺条件按上述方法制备样品，对所制备的磷酸钛溶胶进行表征。
吸光度的测定：按照上述方法测得磷酸钛溶胶的吸光度分别为1.003。
磷酸钛溶胶的电泳：对所制备的磷酸钛溶胶按上述方法进行电泳试验，测得的实验数据为：
测得电压为60伏，溶液液面变化0.5厘米时，历时10分钟，其中L＝30cm；
则电泳速度为：u＝△h/t＝0.5×10-2/10×60m/s＝0.833×10-5m/s；
水的介电常数为：ε＝80-0.4(T/K-293)＝80-0.4×(298-293)＝78F.m-1；
水的黏度为：η＝6.8904×10-3(Pa.s)；
H-电位梯度为(Vm-1)，H＝E/L＝60/30×10-2＝200V/m；
测电动势为E＝3.6×1010πηu/ε；
H＝3.6×1010×3.14×6.8904×10-3×0.833×10-5/78×200＝0.42V；
溶胶与电解质界面向正极移动，说明该溶胶粒子带负电。胶体粒子的组成为：﹛[Ti3(PO4)4]mn(PO4)3-，(n-x)Na+﹜X-XNa+。
测定的磷酸钛的电导率为13mn-1。
因此，本发明采用上述步骤的磷酸钛溶胶的制备方法，用于金属制品涂料涂装前表面预处理的表面调整剂，克服了由于磷酸钛常温下不溶于水导致利用率低，处理效果差的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种磷酸钛溶胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)磷酸溶液的制备：将一定量的磷酸加入到容器中，然后加入蒸馏水，搅拌均匀即得磷酸溶液，其中磷酸与蒸馏水的体积比为6:5；
(2)硫酸氧钛溶液的制备：取一定量的固体硫酸氧钛放入到另一容器中，在搅拌中逐渐加入蒸馏水，使其充分溶解，静置，取上层清液得到硫酸氧钛溶液；
(3)磷酸钛胶体的制备：将配制好的磷酸溶液在一定温度下水浴加热，然后加入适量的十二烷基苯磺酸钠，待搅拌均匀后，用胶头滴管逐滴加入硫酸氧钛溶液，加入硫酸氧钛溶液的时间为30分钟，滴加完毕后，反应一段时间，然后从水浴锅中取出，冷却，静置，得到胶体磷酸钛溶液；
(4)渗析半透膜的制备：在预先洗净并烘干的容器中加入约胶棉液，溶剂为1:3的乙醇-乙醚液，搅拌使胶棉液在容器内壁形成一均匀薄膜，倒出多余的胶棉液，将容器倒置在铁圈上，使乙醚挥发干净，然后将蒸馏水注入胶膜与容器壁之间，取出胶膜，将其置于蒸馏水中浸泡得到磷酸钛溶胶液待用，同时检查是否漏洞；
(5)用热渗析法纯化磷酸钛溶胶：将所制得的磷酸钛溶胶液注入半透膜内，用线拴住袋口，置于清洁容器中，容器中加蒸馏水，维持温度在60摄氏度，进行渗析，每20分钟换一次蒸馏水，3次后冷却该磷酸钛溶胶，得到磷酸钛溶胶。
2.根据权利要求1所述的磷酸钛溶胶的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中磷酸的加入量为120ml，蒸馏水的加入量为100ml。
3.根据权利要求1所述的磷酸钛溶胶的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中硫酸氧钛的加入量为2g，蒸馏水的加入量为100ml。
4.根据权利要求1所述的磷酸钛溶胶的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中十二烷基苯磺酸钠的加入量为0.6g，磷酸溶液的水浴加热温度为55摄氏度。
5.根据权利要求1所述的磷酸钛溶胶的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中磷酸钛溶胶液加入到半透膜内的体积不超过半透膜的三分之二，蒸馏水的加入量为300ml。
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