钛酸钾晶须

2 实验室烧结法制备四钛酸钾
钛酸钾晶须的制备方法很多,常用的有高 温煅烧、慢冷烧结法、水热法、熔融反应和助 熔剂法。 慢冷烧结法原料用K2CO3和TiO2,反应温度 在1 000~1 200℃,在纤维生长过程中要求慢冷, 此法制造成本低,生成的纤维长,与其它方法比 较更适合于工业化生产。 下具体介绍一下实验室烧结法制备四钛酸 钾最佳的合成工艺条件.
2.1 试验试剂与仪器
试剂：TiO2·nH2O(无定形,自制),K2CO3(分 析纯,粉末). 实验仪器：常规玻璃仪器、真空干燥箱以 及高温炉等. 分析仪器主要有:X射线衍射仪（XRD）;扫 描电镜分析仪（SEM）.
2.2 钛酸钾晶须的合成
（1）测定TiO2·nH2O的水分 （2）按照摩尔比nTiO2/nK2CO3=3,准确称 取TiO2·nH2O和K2CO3,加入适量的水充分混 合,干燥,磨细. , , . （3）称取5 g制得的样品在高温炉中于不同 条件下进行烧结反应,反应完毕取出急冷至 室温,便可得到四钛酸钾晶须.将晶须置于沸 水中分散5 h,过滤干燥,样品进行测试表征.
图2为TiO2和K2CO3的摩尔比为3的共混粉末的 TG/DTA曲线.DTA曲线在122℃和145℃分别有吸热峰,对 应的TG来自百度文库线中有失重现象(失重量约为12%),这些均为体 系脱水所致.而DTA曲线在690℃处有一较强的吸热峰,同时 TG曲线中也有失重现象(失重量约为9%),这可归于K2CO3 分解出CO2气体.在DTA曲线上,855℃处有一吸热峰,对应 的TG曲线上有少许的失重,此处为TiO2与K2O反应生成低 钛酸钾以及K2CO3进一步吸热分解等所引起的.在925℃ 处,DTA曲线上有一明显的吸热峰,而对应的TG曲线上无重 量损失,这是由于低钛酸钾转化为四钛酸钾吸热造成的. 因而根据K2O/TiO2相图以及TiO2和K2CO3TG/DTA曲线, 选择制备四钛酸钾的工艺条件为:TiO2/K2CO3的摩尔比为3, 反应温度应控制在925℃以上.
3 钛酸钾晶须反应机理分析
反应初期,K2CO3分解排出气体(CO2)可 在反应体系中形成很多微细孔道,这些孔道 也有利于K2O向表面扩散挥发.在K2O向表面 扩散挥发过程中会与TiO2形成反应微区.反 应物在微区中发生反应,从而促进K2Ti4O9晶 核形成,导致沿着K2O易逃逸的方向上晶核 形成几率大;随着晶核生成处的界面区温度 下降,晶核成长在温度下降的方向上进行.焙 烧试样的温度从表面向内部下降,因而形成 了从外向里的K2Ti4O9纤维束.纤维束经分散 便可得到如图5的合成产物.
2.4合成产物的SEM表征
图5为合成样品的SEM图,可以发现合成所得的晶须长 6～12µm,直径0.25～0.8µm,长径比为5～30.
根据K2O/TiO2的相图,结合TiO2和K2CO3 粉末的所做的差热分析以及不同温度不同 时间的合成样品XRD图谱,确定烧结法制备 四钛酸钾最佳的合成工艺条件为： TiO2/K2CO3的摩尔比为3、反应温度940℃、 反应时间为3.5 h.通过SEM表征可以看出合 成的四钛酸钾为短棒状,晶须长8～12µm,直 径0.5～1.5µm,长径比为5～30.
2.3晶须合成的适宜条件讨论
图1为K2O/TiO2的相图,从图1可看出,控 制K2O/TiO2的摩尔百分比为65%～80% （换算成TiO2/K2CO3=2.26~2.77）,并采用 急冷工艺,可得到高纯的四钛酸钾.但考虑到 反应过程中,K2CO3分解生成的K2O容易挥 发，对K2O/TiO2的实际摩尔百分比产生影 响,因而本试验中选择TiO2和K2CO3的摩尔 比为3.
图3为不同反应温度下合成产物XRD图.从图中可 以看出,合成温度为940℃产物为纯四钛酸钾.随着温度 的升高,合成产物中开始出现其他杂质(如b所示),合成 温度为1 000℃时产物已完全从四钛酸钾转化为高价态 的六钛酸钾，可知940℃合成四钛酸钾比较适宜。
图4为不同时间下在940℃合成产物XRD图.可以 看出,随着反应时间的增长,反应产物虽仍然以四钛酸 钾为主,但其他杂质也增多.合成反应时间为3.5 h所得 到的产物最纯.
4 钛酸钾晶须的应用
钛酸钾晶须的显微填充和增强性能特别 好,可用其开发各种新型高水平的轻质、高 比强、耐磨的增强塑料复合材料,而且最适 合制作各种形状复杂、薄壁、表面光洁漂 亮的精密增强部件。也可单独作耐火隔热 材料、红外射线反射材料及建筑材料,作包 覆电线高绝缘填料,并可在化工领域中作过 滤器、催化剂及载体等,它是代替产生环境 污染、即将限制使用的石棉的最佳产品。
钛酸钾晶须
矿物加工工程 孙大勇
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晶须介绍 实验室烧结法制备四钛酸钾 钛酸钾晶须反应机理分析 钛酸钾晶须的应用
1 晶须
晶须是在人工控制条件下,以单晶结构形式生 长的尺寸细小的高纯度针状纤维材料。晶须的直径 细小,原子排列高度有序,内含缺陷较少,是一种高 性能的增强材料。
目前已经工业化生产的商品晶须只有硫 酸钙、钛酸钾、碳化硅、硼酸铝、TiN、 Al2O3和莫来石等少数几种晶须。 钛酸钾晶须的化学通式为K2O·nTiO2,其 结构随n值的不同而不同,相应的性能也有很 大差别，通常n取2、4或6。