CN1978715A

CN1978715A - 一种钛酸盐片晶的制备方法

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Publication number: CN1978715A
Application number: CN 200510047963
Authority: CN
Inventors: 隗学礼; 赵宽放; 隗益民
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: CN100439572C

Abstract

本发明为一种钛酸盐片晶的制备方法，该方法的主要特点在于：以含钛化合物及含钾化合物作原料，按TiO₂/K₂O的Mol比为3.5～4.5均匀混合，还加入了适量的含镁化合物，在900～1300℃合成30分钟～10小时，在合成过程中加金属镁粉作促进剂，而不加任何助熔剂；生成长、宽平均大小为1～20μm，长宽比为1～5，厚0.4～2μm的钛酸盐(K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄)片晶。由本发明制备出的钛酸盐片晶具有强度高、耐高温、摩擦性能好等特性，可作塑料复合材料的增强剂，作摩擦控制剂用于汽车、火车、飞机刹车片，是代替石棉的最佳产品。按本发明提供的制备工艺，方法简便、收率高、成本低廉，无环境污染，适用于工业规模生产。

Description

一种钛酸盐片晶的制备方法

技术领域：

本发明涉及片晶的制备技术，特别是钛酸盐片晶的制备方法。

技术背景：

以往用作制动部件的摩擦材料多是分散在有机粘合剂或无机粘合剂中的石棉。然而，这些材料不具备充分的耐热性和耐磨损性能。如摩擦系数不稳定，耐磨性较差，特别这些性能在高温区会明显下降，会导致其较大衰损。在实施制动时，摩擦材料与高速制动片的接触会引起较大的“制动噪音”。同时，石棉是一种已知的致癌物质，其粉尘会使操作人员吸入起病。鉴于这样的环境卫生问题，石棉的使用已日益受到限制，迫切需要研制石棉的代用品。

已经提出使用非致癌的钛酸钾晶须摩擦材料作为摩擦控制剂，并已经用于汽车的制动垫中。尽管含钛酸钾晶须的摩擦材料具有良好的滑动性能和制动效果，对摩擦副制动片损伤小的优点，但这种材料的耐磨性不够，尤其在高温区，磨损速度较快，对“制动噪音”也不能有效的解决。而且，因为是纤维形式，嵩比重小，体积庞大、流动性较差，在制造摩擦材料时易沉积在进料口的壁上堵塞通道，影响生产工艺流程。

已知日本专利公报平5-221795曾描述过具有组成表达式A_xM_yTi_2-yO₄(x＝0.1-1.0，y＝0.25-1.0)斜方晶系层状结构片晶的制备方法，日本专利公报2000-230618描述过将其作为摩擦材料的摩擦控制剂，所制备的摩擦材料在低温至高温区都具有稳定的摩擦和耐磨性能；美国专利US6677041描述了片状钛酸钾(包括片状八钛酸钾、片状六钛酸钾、片状四钛酸钾)的制备方法，但工艺比较繁杂：先制作成片状的钛酸锂钾或钛酸镁钾，然后用酸溶出锂、镁离子，再于氢氧化钾溶液中浸泡，加入钾离子，控制PH值，最后再在不同温度下煅烧而得相应成分的钛酸钾片晶，可见成本较高；专利CN01813460更明确描述了K_0.2-0.7Mg_0.4Ti_1.6O_3.7-4的制备方法及其摩擦材料。然而上述各种制作方法，在原料中都必须加入较大量的助熔剂(如氯化钾、氟化钾、钼酸钾、钨酸钾等)以使片晶生长，因而收率较低，成本较高。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种钛酸盐片晶的制备方法，用该方法不采用以往生产片晶技术中的任何助熔剂(如氯化钾、氟化钾、钼酸钾、钨酸钾等)，并使制备的钛酸盐片晶在树脂材料的加工过程中易分散，在作为摩擦控制剂使用时能进一步提高摩擦材料的耐热性和耐磨损性能，使其由低温到高温摩擦系数稳定，不仅能保持自身的磨损很低，也使对磨材料摩擦副无损伤，并能明显降低“制动噪音”。为达到上述目的，本发明人进行了反复研究后，找出了加少量金属镁粉作促进剂，而不加任何助熔剂的制备方法，成功地制得了适合用作摩擦控制剂的新型的钛酸盐片晶，能显著提高耐热性和耐磨损性能的摩擦材料。该方法制备工艺简便、收率高、成本低，无环境污染，适用于工业批量生产。

本发明具体提供了一种钛酸盐片晶的制备方法，以含钛化合物、含钾化合物、含镁化合物为原料，经煅烧获得，其特征在于：

——以含钛化合物、含钾化合物及含镁化合物为主要原料，TiO₂∶K₂O为3.5～4.5∶1莫尔比，MgO∶K₂O为0.8～1.2∶1，在上述原料中再加入总量0.1～4wt.％的金属镁粉作促进剂；

——煅烧在900～1300℃温度下进行，保温30分钟～12小时；

——上述方法获得的钛酸盐经过粉碎、水洗、过滤、干燥后于400～800℃热处理30分钟～20小时。

本发明钛酸盐片晶的制备方法中，原料中镁粉的加入量最好在0.5～2wt.％之间。

本发明钛酸盐片晶的制备方法中，较佳的原料配比为TiO₂∶K₂O为3.8～4.2∶1莫尔比，MgO∶K₂O为0.9～1.1∶1。

本发明钛酸盐片晶的制备方法中，较佳的工艺条件为：煅烧温度950～1200℃，保温时间1～8小时；热处理温度400～700℃，时间1～8小时。

本发明钛酸盐片晶的制备方法中，所述含钛化合物为金红石型钛矿粉、锐钛矿粉、钛白粉之一种或多种。

本发明钛酸盐片晶的制备方法中，所述含钾化合物为氧化钾、氢氧化钾、硝酸钾、碳酸钾之一种或多种。

本发明钛酸盐片晶的制备方法中，所述含镁化合物为氢氧化镁、碳酸镁、氟化镁、氯化镁之一种或多种。

由于该技术的特征明显不同于以往方法的是：合成过程中加入了适量金属镁粉作促进剂，而不用加入氯化钾、钼酸钾、钨酸钾等助熔剂。因而较之降低了反应温度，提高了收率，同时降低了成本。

本发明的钛酸盐片晶具有层状结构，具有很好的耐热性和耐磨损性能，即使在几十小时以上的长期使用，从室温到高温也都保持稳定的摩擦系数，本身磨耗很小而且对摩擦副制动片也无损伤。因此，该材料用于制动部件如安装在汽车、飞机、火车和工厂设备的制动装置中的离合器衬片、制动内衬和盘垫的摩擦控制剂，不仅能提高和稳定制动功能，而且能延长使用寿命。同时由于钛酸盐片晶不以纤维形式存在，嵩比重较大，在生产过程中不会堵塞进料通道，也不存在可吸入的纤维飞扬，使操作环境得以改善。

本发明制备方法的优点在于：①不加任何助熔剂，简化了工艺，降低了成本；②添加了少量的金属镁粉作片晶生核促进剂，提高了反应速度，降低了反应温度，节约了能耗，提高了生产效率。本发明提供的制备工艺，方法简便、成本低廉，无环境污染，适用于工业生产。

附图说明：

图1钛酸盐片晶透射显微镜照片；

图2钛酸盐片晶的X-射线衍射谱图；

图3钛酸盐K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄的标准谱线(ICDD Card 35-0046)；

图4用钛酸盐片晶的摩擦材料摩擦系数与温度的关系曲线；

图5用钛酸盐片晶的摩擦材料磨损率与温度的关系曲线。

具体实施方式：

实施例1：

用锐钛型钛白粉(TiO₂占98％以上)160g、碳酸钾(K₂CO₃纯度96％以上)69g配方，加入氟化镁(MgF₂，分析纯)31.2g和金属Mg粉2.6g，均匀混合，放入箱式电炉中加热至950℃，保温2小时，然后随炉冷却；将烧成物放于10倍(重量比)的水中浸泡搅碎；过滤去除水分，在电烘箱中110℃干燥5小时，再放入电炉中，于650℃热处理2小时；所得到白色粉状物216g，经X-射线衍射分析，是化学式为K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄的钛酸盐(如图2，图3所示)，经计算收率为95％。用透射显微镜观察为片晶(如图1)，测得平均尺寸：长、宽约为6μm，平均厚度约为0.4μm。

实施例2：

原料配方同实施例1，在箱式电炉中加热至1000℃，保温2小时，然后随炉冷却；其余操作同实施例1。得到白色粉状物218g，经X-射线衍射分析，是化学式为K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄的钛酸盐，经计算收率为96％。用透射显微镜观察为片晶，测得平均尺寸：长、宽约为8μm，平均厚度约为0.5μm。

实施例3：

原料配方同实施例1，在箱式电炉中加热至1050℃，保温3小时，然后随炉冷却；其余操作同实施例1；得到白色粉状物210g，经X-射线衍射分析，是化学式为K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄的钛酸盐，经计算收率为93％。用透射显微镜观察为片晶，测得平均尺寸：长、宽约为12μm，平均厚度约为0.6μm。

实施例4：

用锐钛型钛白粉(TiO₂占98％以上)320g，碳酸钾(K₂CO₃纯度96％以上)138g配方，加入氢氧化镁(Mg(OH)₂，分析纯)58.3g和金属Mg粉6g，均匀混合；其余制备方法同实施例1。最后得到白色粉状物436g，经X-射线衍射分析，是化学式为K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄的钛酸盐，经计算收率为96％。用透射显微镜观察为片晶，测得平均尺寸：长、宽约为8μm，平均厚度约为0.5μm。

实施例5：

用锐钛型钛白粉(TiO₂占98％以上)960g，碳酸钾(K₂CO₃纯度96％以上)414g配方，加入碳酸镁(MgCO₃，分析纯)252g和金属Mg粉16g，均匀混合；其余制备方法同实施例1。最后得到白色粉状物1280g，经X-射线衍射分析，为化学式为K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄的钛酸盐，经计算收率为94％。用透射显微镜观察为片晶，测得平均尺寸：长、宽约为8μm，平均厚度约为0.5μm。

实施列6

将20份实施例1中获得的钛酸盐片晶、10份PA聚酰胺纤维(平均纤维长度3毫米)、20份酚醛树脂和50份硫酸钡混合。该混合物于室温下，以28MPa压力预成形1分钟，再在模具中于170℃施加14MPa压力5分钟使其结合，再180℃热处理3小时。从模具中取出成形的产品，制成盘垫(JISD 4411试验片)。

磨损试验

按照“汽车摩擦衬片试验”标准JISD 4411，对实施例6制得的盘垫进行恒速磨损试验(摩擦盘表面材质：灰铸铁，表面压力：1MPa，摩擦速率：7米/秒)，测定摩擦系数(μ)和磨损率(10^-7cm³/Kgm)。结果示于图4和图5。

由图可见，它们具有较高的摩擦系数，并且受温度的影响很小，显示了优良的稳定性；其磨损量虽随温度有上升但增加不明显，具有优良的耐磨性。

实施例7(比较例)：

用147g二氧化钛(TiO₂)、64g碳酸钾(K₂CO₃)、28g氢氧化镁(Mg(OH)₂)和助熔剂氯化钾(KCl)100g、，加水20ml水作为粘合剂混合。将混合物压制成砖形.将该砖块在电炉中1050℃煅烧1小时，然后逐渐冷却.将煅烧的产物用水浸，溶出助熔剂，过滤、干燥，粉碎获得白色粉末178g，计算收率为86％。用显微镜观察，计算其长和宽的算术平均值约为3μm，平均厚度约为0.3μm，通过x-射线分析，测定出这种白色粉末的组成为：K_0.8Mg_0.4Ti_1.6O₄。

由实施例和比较例相比较可明显看出：本发明的方法省去了助熔剂，简化了工艺流程，而且因加入了金属镁粉作促进剂，使合成反应温度降低，所得到的钛酸盐片晶品质良好。用其作摩擦材料的应用结果表明：用本发明方法所制备的片晶具有强度高、耐热好、摩擦性能优异，从低温到高温摩擦系数稳定，磨损小、对摩擦副制动片几乎无损伤，可用作汽车、火车、飞机的制动装置、离合器衬片和刹车片等，是代替石棉的最佳产品。并可作为增强组元用于树脂基复合材料，按本发明提供的制备工艺，方法简便、成本低廉，无环境污染，适用于工业规模生产。

工业应用

本发明提供的钛酸盐片晶适合用作摩擦控制剂，用于作制动部件，如安装在汽车、飞机、火车和工厂设备的制动装置中的离合器衬片、制动内衬。

Claims

1、一种钛酸盐片晶的制备方法，以含钛化合物、含钾化合物、含镁化合物为原料，经煅烧获得，其特征在于：

——煅烧在900～1300℃温度下进行，保温30分钟～12小时；

2、按照权利要求1所述钛酸盐片晶的制备方法，其特征在于：原料中镁粉的加入量0.5～2wt.％。

3、按照权利要求2所述钛酸盐片晶的制备方法，其特征在于：TiO₂∶K₂O为3.8～4.2∶1莫尔比，MgO∶K₂O为0.9～1.1∶1。

4、按照权利要求1所述钛酸盐片晶的制备方法，其特征在于：煅烧温度950～1200℃，保温时间1～8小时。

5、按照权利要求1所述钛酸盐片晶的制备方法，其特征在于：热处理温度500～700℃，时间1～8小时。

6、按权利要求1所述钛酸盐片晶的制备方法，其特征在于：所述含钛化合物为金红石型钛矿粉、锐钛矿粉、钛白粉之一种或多种。

7、按权利要求1所述钛酸盐片晶的制备方法，其特征在于：所述含钾化合物为氧化钾、氢氧化钾、硝酸钾、碳酸钾之一种或多种。

8、按权利要求1所述钛酸盐片晶的制备方法，其特征在于：所述含镁化合物为氢氧化镁、碳酸镁、氟化镁、氯化镁之一种或多种。