CN1283587C - 一种制备四方相钛酸钡粉体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备四方相钛酸钡粉体的方法,用液相反应沉淀法采用Ti4+的溶液和Ba2+的溶液与碱溶液为原料制备的立方相钛酸钡悬浮液,经过水热晶型转化,不再经过陈化,直接经过冷却,洗涤,过滤,干燥得到四方相钛酸钡粉体。水热晶型转化温度在200~260℃,晶型转化时间在0.5~6h。本发明的方法适用于超重力反应沉淀法制备的立方相钛酸钡的悬浮液,经过水热晶型转化得到四方相钛酸钡粉体。本发明水热晶型转化温度低,转化时间短,可以得到颗粒平均尺寸范围在60~150nm、结晶度高、单分散性的四方相钛酸钡粉体。可用于多层电容器陶瓷介电体层等的电子陶瓷材料。

Description

一种制备四方相钛酸钡粉体的方法
技术领域
本发明涉及一种四方相钛酸钡粉体的制备方法,更详细地说是以Ti4+的溶液和Ba2+的溶液与碱溶液为原料,由液相反应法得到的立方相钛酸钡悬浮液经过水热晶型转化制备四方相钛酸钡粉体的方法。
技术背景
钛酸钡是制备电子元件的关键材料。目前,多层电容器(MLCCs)的介电层厚度为4μm层数为170层的多层电容器已有产品,正在研发厚度为2~3μm层数为500层的多层电容器。每一陶瓷介电层需要10个或更多个晶界才能提供足够的介电稳定性,要达到这一要求,介电层的晶粒尺寸小于0.3μm。在此情况下,要求原始钛酸钡粉体具有以下特性:
(1)粒径在0.05~0.3μm,粒度分布比较窄,呈球状;
(2)结晶性良好,具有四方相钙钛矿结构;
(3)Ba/Ti比接近于1.000,在0.990~1.010范围内;
(4)在浆液化或膏状化时分散性优良;
(5)具有良好的烧结活性。
高结晶度的、单分散性的纳米级四方相钛酸钡具有优良的烧结活性、高致密性和细晶粒结构以及高的介电常数,因此它在电容器的制造中成为一种首选材料。近年来,多层电容器的尺寸越来越小而性能却越来越高,通过改进电子陶瓷的成型、烧结方法可以提高电容器的性能。提高钛酸钡原始粉体的性能是一种有效提高电容器介电性能的方法。由于立方相的钛酸钡的介电性能较差,立方相钛酸钡粉体一般需要经过后续处理(例如:焙烧)才能转化成四方相钛酸钡粉体。焙烧过程不可避免地导致颗粒团聚使陶瓷的致密性变差,介电损耗增加。为了有效地提高介电性能,单分散性的亚微米级或纳米级四方相钛酸钡是最为理想的电子陶瓷原料。
制备高结晶度的、单分散性的纳米级四方相钛酸钡粉体的方法有固相反应法和液相反应法。固相反应法是用碳酸钡与二氧化钛在1200℃下反应,因此,获得的钛酸钡粉体的粒径较大(>0.5μm),粒度分布较宽,形状不固定,从而使其在浆液化或膏状化时分散性差。陶瓷介电体层的薄层化就会受到影响。液相反应法是目前制备小尺寸、粒度分布窄、分散性好的优选制备方法。
高濂等人在“Preparation and characterizations of tetragonal bariumtitanate powders by hydrothermal method”(Journal 0f European ceramicsociety,vol 22,2002)报道,该方法第一步是通过把高浓度的四氯化钛、氯化钡溶液混合在一起,然后加入氢氧化钠溶液生成溶胶。第二步是把生成的溶胶放入高压反应釜中进行高温高压反应,溶胶最后在高温高压釜中在240℃保温12h水热反应合成得到颗粒尺寸小于100nm的四方相钛酸钡粉体。其水热法制备钛酸钡的不足之处在于,水热反应是在高温高压下反应,时间较长。
另外,Wada等人在“preparation of nm-sized BaTiO3 crystallites by aLTDS method using a highy concentrated aqueous solution”(Journal ofcrystal growth,vol 229(2001))报道低温直接合成法,该方法是通过含水四氯化钛、氢氧化钡和碱金属氧氧化物在低温下直接沉淀制备了纳米尺寸的钛酸钡粉体。粉体平均尺寸小于10nm。但是其晶相结构为立方相,另外,由于四氯化钛的浓度仅为0.003M,也就是在十分稀的溶液中进行反应,因此生产效率十分低下。而且还需要使用大型的设备和进行大量的污水处理。
“Process for the synthesis of crystalline powders of perovskitecompounds”(US.patent.no 5900223)中公开了一种能够获得基本上为球状立方相钛酸钡粉末的制备方法,由于使用钛盐和钡盐的酸性混合液作为反应物,特别是对钡钛混合液的浓度有一定的限制,金属离子的总浓度限制在1.2M。该方法是在反应釜或管式反应器中进行,故生产率不高。
上述的液相反应法通常为多步反应,过程复杂,生产成本和设备费用较高,并且都是不连续的方法,因此各批次之间粉体质量存在差别。
常规液相反应沉淀法,用Ti4+的溶液和Ba2+的溶液的混合液与碱溶液反应,生成含立方相钛酸钡的悬浮液,经过陈化,洗涤,过滤,干燥得到立方相钛酸钡粉体。为解决生产率低、设备大的问题,本申请人在“制备钛酸钡粉体的方法”(申请号02102071x,公开号CN 1433967A)中公开了一种超重力反应沉淀法连续制备球状立方相钛酸钡粉体的方法,该方法用Ti4+的溶液和Ba2+的溶液与碱金属的氢氧化物溶液在超重力旋转床中,在60~100℃条件下快速反应生成含立方相钛酸钡的悬浮液,按常规的陈化,洗涤,过滤,干燥得到立方相的钛酸钡粉体,该方法制备的钛酸钡粉体的平均粒径小,粒径分布窄,晶型完整,形貌呈球形。超重力反应沉淀法是在较低温度和常压下的一种快速连续反应,所需设备小,生产率高的方法。这些液相反应沉淀方法制备的钛酸钡粉体为立方相,均达不到四方相具有的特殊性能,在电容器的应用受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备四方相钛酸钡粉体的方法,该方法是用液相反应法得到的立方相钛酸钡悬浮液经过水热晶型转化制备四方相钛酸钡粉体。本发明既可用申请人在“制备钛酸钡粉体的方法”(申请号02102071x)得到的立方相钛酸钡悬浮液,经过“水热晶型转化”处理过程,不仅能得到四方相晶体结构的钛酸钡粉体,而且还具有超重力反应沉淀法连续制备球状钛酸钡粉体方法具备的优点。也可用其它公知的液相反应法得到的立方相钛酸钡悬浮液,采用本发明的“水热晶型转化”处理过程,也能得到四方相晶体结构的钛酸钡粉体。
常规液相反应沉淀法是将Ti4+的溶液和Ba2+的溶液的混合液与碱溶液反应,生成含立方相钛酸钡的悬浮液,经过陈化,洗涤,过滤,干燥得到钛酸钡。本发明的技术方案是将液相反应沉淀法制备的立方相钛酸钡悬浮液,经过水热晶型转化,不再经过陈化,直接经过冷却,洗涤,过滤,干燥得到四方相钛酸钡粉体。
本发明一种制备四方相钛酸钡粉体的方法,将Ti4+的溶液和Ba2+的溶液的混合液与碱溶液反应,生成含立方相钛酸钡的悬浮液,经过水热晶型转化,冷却,洗涤,过滤,干燥得到四方相钛酸钡粉体,水热晶型转化温度在200~260℃,晶型转化时间在0.5~6h;立方相钛酸钡的悬浮液在超重力旋转床反应器中制备,其操作条件如下:超重力旋转床反应器的转速为100~10000rpm,在60~100℃条件下,Ti4+的溶液和Ba2+的溶液的混合液是氯化钡和四氯化钛以水相为介质的混合液,钡钛总浓度为1.0~2.0M,氯化钡和四氯化钛混合液的Ba/Ti比为1.2~1.7,碱溶液为氢氧化钠溶液,氢氧化钠的浓度为3~9M,钡钛混合液与氢氧化钠溶液体积流量比为1.0~1.4。
本发明的方法,优选水热晶型转化温度在220~240℃,晶型转化时间1h。
本发明更具体的例子是所用的钡钛总浓度为1.25M,氯化钡和四氯化钛混合液的Ba/Ti比为1.5,氢氧化钠的浓度为6M,钡钛混合液与氢氧化钠溶液体积流量比为1.2,超重力旋转床反应器的转速为1200rpm,在95℃条件下得到的是颗粒平均尺寸为30nm的立方相钛酸钡的悬浮液,再用本发明的水热晶型转化方法制备四方相钛酸钡粉体。
本发明根据公知的用液相反应法制备立方相钛酸钡悬浮液,Ti4+的溶液可以选用四氯化钛、硝酸钛、氢氧化钛、氧氯化钛、包括钛的烷氧基化物在内的钛的有机盐等。Ba2+的溶液可以选用氯化钡、硝酸钡、氢氧化钡、草酸钡、高氯酸钡、醋酸钡、钡的烷氧基化物等。碱溶液可选用金属氢氧化物用氢氧化钠、氢氧化钾或四甲基氢氧化铵等。本发明实施例中仅以四氯化钛、氯化钡和氢氧化钠为原料得到的立方相钛酸钡悬浮液为例子对本发明“水热晶型转化”处理过程进行说明。
本发明采用超重力技术与晶型转化技术相结合制备出四方相钛酸钡。其制备立方相钛酸钡悬浮液反应工艺是公知的。
具体工艺步骤如下:
(1)将氯化钡和四氯化钛分别配制成较高浓度的水溶液,再加入去离子水配制成要求的钡钛总浓度和钡钛比的钡钛混合液。同时配制要求浓度的氢氧化钠水溶液作为沉淀剂。
(2)将钡钛混合液和氢氧化钠水溶液分别在储罐中加热,再按体积流量比泵入已预热的旋转床中,一步反应生成立方相钛酸钡的悬浮液。
(3)立方相钛酸钡悬浮液注入釜中进行水热晶型转化处理,水热晶型转化温度为160~260℃,水热晶型转化时间为0.5~12h。
(4)将悬浮液取出,用去离子水洗涤反应产物,直到滤出液的电导率小于100μs.cm-1。滤饼烘干得到四方相钛酸钡粉体。
采用上述配方和工艺步骤,便可制备出平均粒径范围为60nm~150nm,晶型为四方相的钛酸钡粉体,并且钛酸钡粉体的Ba/Ti比可控制在1.000±0.010范围内。
本发明制备的钛酸钡粉体具有纯度高(纯度可以达到99.92wt%)、钡钛比稳定、颗粒平均尺寸可控、单分散性的特点。在多层电容器领域具有重要的应用前景。此外,本发明采用超重力反应沉淀法与水热晶型转化技术的结合,克服了前述制备四方相钛酸钡粉体方法的生产率低,水热时间长等缺点,也解决了超重力反应沉淀法不能制备四方相钛酸钡粉体的问题。本发明制备方法工艺简单,易于操作,生产成本较低,易于工业化生产。在先进的MLCCs领域具有重要的应用前景。由于其优良的单分散性和晶粒尺寸可控的特点,特别适用于制备介电层厚度小、层数多的多层电容器。
附图说明
图1是实施例1制得的四方相钛酸钡的X-射线衍射(XRD)谱图。
图2是图1中2θ为44-46°的XRD谱图。
图3是实施例1制得的四方相钛酸钡的透射电镜(TEM)照片。
图4是实施例1制得的四方相钛酸钡的粒度分布图。
图5是实施例6制得的四方相钛酸钡的透射电镜(TEM)照片。
图6是实施例7制得的四方相钛酸钡的透射电镜(TEM)照片。
图7是实施例13制得的四方相钛酸钡的透射电镜(TEM)照片。
具体实施例
实施例1
(A)钛酸钡粉体的制备
配制高浓度的氯化钡和四氯化钛的水溶液,随后配制成0.5M四氯化钛、0.75M氯化钡的钡钛混合液12L(原料液中钡钛总浓度为1.25M,Ba/Ti比为1.5),搅拌均匀后转移到超重力旋转床反应装置的原料液储罐中。配制6M的氢氧化钠溶液12L,搅拌均匀后转移到反应装置的沉淀剂储罐中。钡钛混合液均速升温到60℃,氢氧化钠溶液均速升温到95℃,同时旋转床升温到95℃。
然后,利用泵把加热到60℃的钡钛混合液和加热到95℃的氢氧化钠溶液按照钡钛混合液90L/h、氢氧化钠溶液75L/h的流量,分别连续地供入超重力水平为160G的旋转床中,生成白色的颗粒平均尺寸为30nm的立方相钛酸钡沉淀。然后用泵把含有生成钛酸钡的悬浮液泵入釜中,抽送完毕后将釜密闭。均速升温到200℃,晶型转化12h,随釜冷却到室温,卸釜,首先用板框过滤机过滤,用去离水洗涤滤饼并反复多遍,直到滤液的电导率小于100μs.cm-1,经过过滤,干燥得到白色的钛酸钡粉体。
(B)钛酸钡粉体的物性测定
(1)晶型分析
最终样品采用Cu Kα辐射用岛津粉末衍射仪进行晶型分析,仪器型号为Shimadzu XRD-6000,在10-90°2θ下进行。如图1、图2所示。XRD显示在2θ=45°附近有明显的分叉峰。表明最终生成的钛酸钡产物为四方相,而非立方相。
(2)平均粒径
钛酸钡粉体的形态如图3透射电镜照片所示。通过电子显微镜来测定上述获得的四方相钛酸钡粉体的平均粒径(TEM粒径),根据这些结果求出CV值(粒径的标准偏差/d50(粒度分布的平均值))列于表1中。
(3)Ba/Ti比
对上述获得的钛酸钡粉体按HG/T 3587-1999化工行业标准测定其Ba/Ti比,将Ba/Ti比列于表1中。
(4)分散性
为了确认上述获得的钛酸钡粉体的分散性,将钛酸钡粉体悬浮于水中,然后用激光光散射粒度测定仪(Malvern Zetasizer 3000 HS)测定其粒度分布如图4所示,由此计算的平均粒径列于表1中,并将测得的粒径与上述测定的TEM粒径相比较。
(5)比表面积
为了确认上述最终获得的四方相钛酸钡粉体的比表面积,称取0.2g试样,然后用气体吸附分析仪(Micromeritics ASAP-2010M)测定其比表面积(SBET)。将结果列入表1中。
实施例2
除了晶型转换的温度为200℃,晶型转换时间为6h以外,其余反应条件均与实施例1相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例3
除了晶型转换的温度为220℃,晶型转换时间为1h以外,其余反应条件均与实施例1相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例4
除了晶型转换的温度为220℃,晶型转换时间为3h以外,其余反应条件均与实施例1相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例5
除了晶型转换的温度为220℃,晶型转换时间为7h以外,其余反应条件均与实施例1相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将获得的结果一并列入表1中。
实施例6
除了晶型转换的温度为240℃,晶型转换时间为1h以外,其余反应条件均与实施例1相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例7
除了晶型转换温度为240℃,晶型转换时间为3h以外,其余反应条件均与实施例1相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例8
除了晶型转换温度为260℃,晶型转换时间为1h以外,其余反应条件均与实施例1相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例9
除了晶型转换温度为180℃,晶型转换时间为12h以外,其余反应条件均与实施例1相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例10
除了晶型转换温度为160℃,晶型转换时间为12h以外,其余反应条件均与实施例1相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例11
除了晶型转换温度为260℃,晶型转换时间为3h以外,其余反应条件均与实施例1相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例12
除了晶型转换温度为260℃,晶型转换时间为0.5h以外,其余反应条件均与实施例1相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例13
用常规的液相反应沉淀法制备。配制高浓度的氯化钡和四氯化钛的水溶液,随后配制成0.5M四氯化钛、0.75M氯化钡的钡钛混合液1.5L(原料液中钡钛总浓度为1.25M,Ba/Ti比为1.5),配制6M的氢氧化钠溶液1.5L。钡钛混合液均速升温到60℃,氢氧化钠溶液均速升温到95℃,同时搅拌釜升温到95℃。然后,利用流量泵把加热到60℃的钡钛混合液和加热到95℃的氢氧化钠溶液按照钡钛混合液90ml/min、氢氧化钠溶液75ml/min的流量,分别连续地供入搅拌速率为450rpm的搅拌釜中,生成白色的颗粒平均尺寸为40nm的立方相钛酸钡沉淀。然后用泵把含有生成钛酸钡的悬浮液泵入釜中,抽送完毕后将釜密闭。均速升温到200℃,晶型转化12h,随釜冷却到室温,卸釜,首先过滤,用去离水洗涤滤饼并反复多遍,直到滤液的电导率小于100μs.cm-1,再经过过滤,干燥得到白色的钛酸钡粉体。钛酸钡粉体的电镜照片如图7所示。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例14
除了晶型转换温度为260℃,晶型转换时间为0.5h以外,其余反应条件均与实施例13相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例15
除了晶型转换温度为240℃,晶型转换时间为1h以外,其余反应条件均与实施例13相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
实施例16
除了晶型转换温度为220℃,晶型转换时间为6h以外,其余反应条件均与实施例13相同。与实施例1同样地分析所获得的钛酸钡粉体物性,将结果一并列入表1中。
对比例1
采用与实施例1相同原料,在超重力旋转床中一步合成出颗粒平均尺寸为30nm的立方相钛酸钡悬浮液,悬浮液然后经过常压条件下陈化1小时,悬浮液经过过滤,洗涤,干燥得到立方相的钛酸钡粉体,粉体在900℃焙烧2小时,转化为四方相钛酸钡。与实施例1同样地分析所获得钛酸钡粉体的物性,将获得的结果一并列入表1中。
表1
晶型 CV值(nm) TEM平均粒径(nm) Ba/Ti比 按激光光散射法测得的平均粒径(nm) 比表面积(m2/g)
实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6实施例7实施例8实施例9实施例10实施例11实施例12实施例13实施例14实施例15实施例16对比例1 四方相四方相四方相四方相四方相四方相四方相四方相四方相四方相四方相四方相四方相四方相四方相四方相四方相 0.0840.0750.0910.0850.0690.0740.1010.0890.0750.0690.1020.0870.0920.0890.0930.0940.241 787070808585901106560150120120140136140120 0.9980.9971.0030.9970.9981.0021.0030.9971.0011.0021.0031.0021.0010.9981.0021.0031.002 191182182184191192184210171165221215218245239249561 16.918.517.916.215.114.714.111.621.420.68.219.629.938.568.628.959.5
从表1可以看出,按照本发明方法的实施例制得的钛酸钡粉体,由XRD衍射图谱可知属于四方相晶体结构,结晶度高。由于其CV值低,以及TEM粒径与按激光光散射法测得的平均粒径差值很小,由此可知,钛酸钡粉体具有单分散性的特征。而且Ba/Ti比也达到了HG/T 3587-1999的优等品标准(优等品的Ba/Ti比为1.000±0.003)。
由实施例6和实施例7的透射电镜照片如图5和图6所示,由电镜照片可以得知,在240℃晶型转化温度下,不同的晶型转化时间得出的钛酸钡粉体的颗粒均匀,在较短的时间内也能制备出分布均匀的钛酸钡粉体。
当晶型转化温度物为260℃时,晶型转化时间对钛酸钡粉体的颗粒尺寸有明显的影响。综合以上因素,晶型转化温度优选为220~240℃。
由对比例1可知,超重力直接沉淀法(HGRP)制备的立方相钛酸钡在900℃下进行预焙烧,虽然可以使其晶型转化为四方相,但其颗粒尺寸却大于100nm,介电材料在1250℃烧结后,瓷片的室温介电常数一般达到3000。而且颗粒的团聚度增大,烧结成瓷后瓷片的烧结致密度不够,表观密度仅为90%。
将由实施例5制得的四方相钛酸钡粉体在1200℃的烧结温度进行烧结成瓷,再经被银、烧银后,用Agilent 4294A型介电频谱仪测定室温介电常数(测试频率为1KHz),分析结果显示室温介电常数为5000。
将由实施例6制得的四方相钛酸钡粉体在1200℃的烧结温度进行烧结成瓷,再经被银、烧银后,用Agilent 4294A型介电频谱仪测定室温介电常数(测试频率为1KHz),分析结果显示室温介电常数为5800。
根据实施例5、实施例6和对比例1的结果,可以看出,由发明方法制得的钛酸钡烧结成瓷时,烧结温度低,介电常数高,具有优异的介电性能。
本发明提出的水热晶型转化处理方法,水热晶型转化温度低,转化时间短时,制备的粉体的平均粒径小;当水热晶型转化温度高,转化时间长时,制备的粉体的平均粒径大。因此可以容易地根据水热晶型转化温度和时间制得粒径可控的四方相钛酸钡粉体。

Claims (3)

1、一种制备四方相钛酸钡粉体的方法,其特征在于:将Ti4+的溶液和Ba2+的溶液的混合液与碱溶液反应,生成含立方相钛酸钡的悬浮液,经过水热晶型转化,冷却,洗涤,过滤,干燥得到四方相钛酸钡粉体,水热晶型转化温度在200~260℃,晶型转化时间在0.5~6h;立方相钛酸钡的悬浮液在超重力旋转床反应器中制备,其操作条件如下:超重力旋转床反应器的转速为100~10000rpm,在60~100℃条件下,Ti4+的溶液和Ba2+的溶液的混合液是氯化钡和四氯化钛以水相为介质的混合液,钡钛总浓度为1.0~2.0M,氯化钡和四氯化钛混合液的Ba/Ti比为1.2~1.7,碱溶液为氢氧化钠溶液,氢氧化钠的浓度为3~9M,钡钛混合液与氢氧化钠溶液体积流量比为1.0~1.4。
2、根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:水热晶型转化温度在220~240℃,晶型转化时间1h。
3、根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:钡钛总浓度为1.25M,氯化钡和四氯化钛混合液的Ba/Ti比为1.5,氢氧化钠的浓度为6M,钡钛混合液与氢氧化钠溶液体积流量比为1.2,超重力旋转床反应器的转速为1200rpm,在95℃条件下得到的是颗粒平均尺寸为30nm的立方相钛酸钡的悬浮液。
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