CN1415550A - 水热晶化硫酸钛液制备纳米锐钛矿型二氧化钛的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用硫酸钛液制备纳米二氧化钛的新工艺。本发明直接以工业硫酸钛液为原料,通过80-150℃水热预晶化处理,再经350-800℃高温烧结,制备出单一分散、相稳定、粉体体色白和手感润滑的纳米级锐钛矿型TiO2。本发明原料易得、价格低廉,工艺和设备简单,水热处理后的废液可回收利用、减低了环境污染,制得的产品结构稳定、分散性优良,可用于化妆品、纺织品、涂料、塑料、面漆、油墨、化纤等行业,还可以为(光)催化行业提供化学和热稳定的纳米催化剂。本方法的推广使用将有相当的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种用工业硫酸钛液制备纳米二氧化钛的新工艺。
背景技术
TiO2俗称钛白粉,商业上主要有金红石型和锐钛矿型两种。工业上,主要利用硫酸法生产锐钛矿型TiO2。影响产品的主要问题是,TiO2形状和粒度难以控制,煅烧会导致颗粒团聚、长大和粒度分布不均一,并难以制备纳米级TiO2;同时由于高温相变,物相难以控制。目前报道的水热法制备纳米二氧化钛的原料通常为价格昂贵的醇盐,限制了商业接受能力。1992年英国钛业(Tioxide Group)公司公布了在超声辅助条件下的水热法制备纳米级涂料TiO2专利(UK,9200300),原料是利用高挥发性的TiCl4,操作温度150-300℃;如此高的温度对于目前我国企业所用的搪瓷反应釜具有潜在的爆炸危险。1999年,美国杜邦公司申请了利用特殊的草酸钛铵为原料水热制备纳米TiO2的专利(US5,973,175),但原料仍然昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用价格低廉的工业硫酸钛液为原料、以相对简单的工艺,制备出可分散的、尺寸均一的、结构稳定的、纳米锐钛矿型二氧化钛。
本发明方法的工艺步骤包括:
(1)钛液的水热预晶化:按常规方法,直接将硫酸钛液在80-150℃热液处理0.5-10小时,使锐钛矿结构预先晶化,然后分离沉淀,得沉淀物A;
(2)将所得沉淀物A水洗、分离后,即于350-800℃煅烧0.5-10小时,即可得到所需的纳米锐钛矿型二氧化钛。
上述方法中,为了进一步去掉杂质利促使晶化,最好是在进行步骤(2)之前先用以下步骤a或b对沉淀物进行进一步去杂质和促晶化处理:a.用稀有机羧酸(例如稀醋酸)或稀盐酸处理沉淀物(A或C)1-10小时后水洗,得沉淀物(B或B1);b.用有机胺(例如乙胺)溶液或无机氨水溶液处理沉淀物(A或B)1-10小时,水洗,得沉淀物(C或C1);然后再将所得沉淀物(B、B1、C或C1)水洗、分离后进行煅烧。为了进一步提高产品的结构稳定性和颗粒分布的均一性,还可用0.01-0.2%的聚乙烯酰胺处理步骤(1)或上述步骤a或b所得沉淀物(A、B、B1、C或C1)1-10小时,得沉淀物(D、D1、D2、D3、D4或D5);然后再将所得沉淀物(D、D1、D2、D3、D4或D5)水洗、分离后进行煅烧。
上述方法中所用的钛液为一般的工业硫酸钛液,所用的稀有机羧酸或稀盐酸、有机胺溶液或无机氨水溶液的浓度一般为0.1-1.0M;稀有机羧酸或稀盐酸与沉淀物(A或C)的用量比一般为1.0-3.0ml/1.0g;有机胺溶液或无机氨水溶液与沉淀物(A或B)的用量比一般为1.0-3.0ml/1.0g;0.01-0.2%的聚乙烯酰胺与沉淀物(A、B、B1、C或C1)的用量比一般为1.0-3.0ml/1.0g。
用D/MAX-3A X射线衍射仪分析本发明方法的产物物相构成(如附图1)。通过分析XRD图中三个d值为3.52,1.89和1.68主要衍射峰,并对照JCPDS的21-1272号粉末衍射卡片,确定产物为纯的锐钛矿型二氧化钛。平均晶粒大小(D)可以用衍射峰的半高宽B,运用Scherrer方程计算:D=Kλ/(Bcosθ)。式中,当B为半高宽时,K为Scherrer常数(K=0.89),λ为X射线的入射波长。根据该方程计算得纳米粒子的平均粒径约为10-50nm。
用JEM-1010透射电子显微镜观察纳米颗粒的尺寸、形状和分散程度,如附图2、3所示。用等离子体法测定主要杂质的含量,如表1所示。表1:800℃煅烧的样品的杂质分析[汞的含量未检出(<0.009μg/g)],表明样品的杂质含量少。
表1.部分样品主要杂质的含量
样品 | ICP(μg/g) | ||||
As(砷) | Fe(铁) | Nb(铌) | Pb(铅) | Sb(锑) | |
TiA6 | 29.8 | 353 | 323 | 655 | 未检出<6 |
TiA9 | 26.2 | 352 | 330 | 21.5 | 9 |
TiA11 | 22.5 | 249 | 319 | 16.2 | 7 |
TiA12 | 26.8 | 254 | 334 | 19.4 | 7 |
TiA13 | 34.6 | 257 | 323 | 41.2 | 未检出<6 |
TiB6 | 30.4 | 865 | 330 | 16.4 | 16 |
TiB9 | 28.9 | 691 | 336 | 26.2 | 12 |
TiB11 | 26.6 | 592 | 323 | 73.8 | 11 |
TiB12 | 18.4 | 675 | 319 | 37.8 | 15 |
TiB13 | 21.9 | 791 | 331 | 14.0 | 13 |
本发明直接利用工业硫酸钛液,通过水热预晶化,再高温烧结,制备拟球型、分散、高热稳定性的纳米钛白粉。其主要优点是:原料易得、价格便宜,工艺简单,能制备尺寸为10-50nm左右的锐钛矿型二氧化钛,而且产品结构、性能稳定,分散性优良。从而解决了已有技术制备纳米锐钛矿型二氧化钛需要昂贵的原料、复杂的工艺、产品重复性和稳定性差的问题。
本发明方法水热处理后的废液可回收利用,减低了环境污染。制得的产品可用于化妆品、纺织品、涂料、塑料、面漆、油墨、化纤等行业,还可以为(光)催化行业提供化学和热稳定的纳米催化剂。
附图说明
图1:实施例2-7所得样品的粉末X-射线谱图。此图说明了样品已有很好的结晶,并为纯的锐钛矿型结构。其中,a:实施例2;b:实施例3;c:实施例4;d:实施例5;e:实施例6;f:实施例7。
图2:实施例1的样品粉末的透射电镜照片。此图说明了样品已有很好的结晶,并为纳米材料。
图3:实施例2-7的样品粉末的透射电镜照片。此图说明了样品已有很好的结晶,并为纳米材料。其中,a:实施例2;b:实施例3;c1:实施例4;c2:实施例4;d:实施例5;f:实施例7。其中,c1为100℃水热预晶化,c2为120℃水热预晶化,说明在水热预晶化温度相差不大的条件下,水热预晶化温度对产品的性能影响不大,表明了水热预晶化处理有很好的重复性。
具体实施方式
各实施例所用的钛液为工业硫酸钛液。每一实施例均分别以100℃水热预晶化及120℃水热预晶化(其它步骤和条件相同)制备两个样品(产物)。
实施例1:分别将钛液经100℃、120℃水热预晶化5小时,水洗,得沉淀物,将沉淀物350℃煅烧5小时,即可分别得到结晶的、可分散的、纳米锐钛矿型二氧化钛产物TiA1、TiB1(图2)。
实施例2:分别将钛液经100℃、120℃水热预晶化5小时,水洗,得沉淀物A,将沉淀物A按每克沉淀物用1.0ml 0.2M稀醋酸处理2小时后水洗,得沉淀B,再每克沉淀物用1.0ml 0.2M氨水处理2小时,水洗,得沉淀C,再按每克沉淀物用1.0ml 0.1%的聚乙烯酰胺处理2小时,得沉淀D。沉淀D水洗、分离后,即于800℃煅烧5小时,分别得结晶的、可分散的纳米锐钛矿型二氧化钛TiA6、TiB6(图1a、图3a)。
实施例3:分别将钛液经100℃、120℃水热预晶化5小时,水洗,得沉淀物A,将沉淀物A按每克沉淀物用1.0ml 0.2M稀盐酸处理2小时后水洗,得沉淀物B;再水洗,得沉淀物C。沉淀物C水洗、分离后,即于800℃煅烧5小时,分别得结晶的、可分散的、纳米锐钛矿型二氧化钛TiA9、TiB9(图1b、图3b)。
实施例4:分别将钛液经100℃、120℃水热预晶化5小时,水洗,得沉淀物A,将沉淀物A按每克沉淀物用2.0ml 0.2M稀盐酸处理2小时后水洗,得沉淀B,再按每克沉淀物用2.0ml 0.1%的聚乙烯酰胺处理2小时,得沉淀D。沉淀C水洗、分离后,即于800℃煅烧5小时,分别得结晶的可分散的纳米锐钛矿型二氧化钛TiA11、TiB11(图1c、图3c)。
实施例5:同实施例4,分别得结晶的可分散的纳米锐钛矿型二氧化钛TiA12、TiB12(图1d,图3d)。通过对比图1c、图3c和图1d、图3d,说明样品有好的可重复性。
实施例6:分别将钛液经100℃ 120℃水热预晶化5小时,水洗,得沉淀物A,将沉淀物A按每克沉淀物用3.0ml 0.2M稀盐酸处理2小时后水洗,得沉淀B,沉淀B水洗、分离后,即于800℃煅烧5小时,分别得结晶的可分散的纳米锐钛矿型二氧化钛TiA13、TiB13(图1e)。
实施例7:同实施例6,分别得结晶的可分散的纳米锐钛矿型二氧化钛(图1f,图3f)。通过对比图1e和图1f,说明样品有好的可重复性。
Claims (7)
1.一种通过水热预晶化硫酸钛液制备纳米锐钛矿型二氧化钛的方法,包括以下步骤:
(1)钛液的水热预晶化:按常规方法,直接将硫酸钛液在80-150℃热液处理0.5-10小时后,分离沉淀,得沉淀物A;
(2)将所得沉淀物A水洗、分离后,即于350-800℃煅烧0.5-10小时,即可得到所需的纳米锐钛矿型二氧化钛。
2.按照权利要求1所述的方法,其特征是在进行步骤(2)之前先用以下步骤a或b对沉淀物进行进一步去杂质和促晶化处理:a.用稀有机羧酸或稀盐酸处理沉淀物A或C1-10小时后水洗,得沉淀物B或B1;b.用有机胺或无机氨水溶液处理沉淀物A或B1-10小时,水洗,得沉淀物C或C1;然后再将所得沉淀物B、B1、C或C1水洗、分离后进行煅烧。
3.按照权利要求2所述的方法,其特征是所用的稀有机羧酸为稀醋酸,有机胺为乙胺。
4.按照权利要求2或3所述的方法,其特征是所用的稀有机羧酸或稀盐酸、有机胺溶液或无机氨水溶液的浓度为0.1-1.0M;稀有机羧酸或稀盐酸用量为每克沉淀物1.0-3.0ml;有机胺溶液或无机氨水溶液的用量为每克沉淀物1.0-3.0ml。
5.按照权利要求1所述的方法,其特征是在进行步骤(2)之前先用0.01-0.2%的聚乙烯酰胺处理沉淀物A1-10小时,得沉淀物D;然后再将所得沉淀物D水洗、分离后进行煅烧。
6.按照权利要求2所述的方法,其特征是在进行步骤(2)之前先用0.01-0.2%的聚乙烯酰胺处理步骤a或b所得沉淀物B、B1、C或C11-10小时,得沉淀物D1、D2、D3、D4或D5;然后再将所得沉淀物D1、D2、D3、D4或D5水洗、分离后进行煅烧。
7.按照权利要求5或6所述的方法,其特征是所用的0.01-0.2%的聚乙烯酰胺的用量为每克沉淀物1.0-3.0ml。
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