专利名称：钛酸钾晶须及纤维的制造方法
技术领域：
本发明涉及钛酸钾晶须及纤维的制造方法。
钛酸钾晶须及纤维是一种性能十分优异的复合材料增强纤维，通常用K2O·nTiO2表示其组成，n＝1，2，4，6，8，其中以n＝4，6，即四钛酸钾和六钛酸钾晶须的实用价值最大，四钛酸钾具有很好的化学活性；六钛酸钾具有优良的力学和物理性能，稳定的化学性质、优异的耐腐蚀性、耐热隔热性、耐磨性、高的电气绝缘性，还具有红外反射率高，高温下导热系数极低，硬度低的特点，经其增强后的高分子聚合物、金属、陶瓷等复合材料在耐高温、耐磨性、耐候性、力学性能等方面均有大幅度提高。特别是六钛酸钾作为摩擦材料的增强纤维，一方面取代强烈致癌物石棉避免了环境污染；另一方面提高了摩擦材料的摩擦系数、热稳定性，提高了安全性，具有显著的社会效益。因此钛酸钾晶须及纤维的制造和应用已日益受到广泛关注。
钛酸钾晶须及纤维的制造方法有很多〔1、2〕，如烧结法〔3、4〕、助熔剂法〔5〕，熔融法、水热法等。这些方法各具有优缺点。水热法的晶体质量好，但压力过高，危险性大，不适合工业化生产；助熔剂法的收率高，晶形好，但助熔剂价格高、循环分离费用高，因此生产成本高；熔融法的反应温度高，收率低；在所有方法中烧结法的成本最低、晶须收率高，因此烧结法最适合工业化，但该法的最大缺点是合成的晶须较短，仅几微米，结晶性不好。另外尽管烧结法的成本在所有方法中是最低的，但离大规模应用的可接受价格还有一段距离，其居高不下的成本限制了它的进一步应用。因此迫切需要开发一种低成本、高质量并具有良好复合性能的钛酸钾晶须及纤维的制造工艺。
本发明的目的在于避免上述现有技术的不足之处而提供一种通过改变反应前驱体以及采用新型的烧结方式，不仅缓和了反应条件；而且由于烧结物疏松，使得纤维容易解纤、收率提高，更为重要的是晶须的质量与助熔剂法相当的钛酸钾晶须及纤维的制造方法。
本发明的目的可以通过以下措施来达到一种钛酸钾晶须及纤维的制造方法，以钛化合物如锐钛型二氧化钛、金红石型二氧化钛等与含钾化合物如KCl、KNO3、K2CO3、KOH等作为原料，其特征在于反应前驱体必须含有钛的非晶态化合物(如水解二氧化钛、偏钛酸、钛铁矿、钛精矿等)和水；合成前将混合均匀的原料堆积成厚0.1～3cm的薄层；工艺过程为——原料折合成TiO2与K2O，按TiO2/K2O＝1.5～4(mol比)配制后与水充分混匀，直至无颗粒团聚并呈浆料状，粘度为500～20000厘泊，总含水量20～80％(wt％)；——将原料在800～1100℃温度，合成30分钟～4小时；——将烧结产物浸泡在4～40倍的水中30分钟～8小时，水温20～90℃，将浓度为0.1～6mol/L的H2SO4，HCl，HNO3等无机酸加入，促使K+浸出，直到pH＝7.5～12.5，且半小时内的pH变化小于0.1～0.3，浸泡过程加以搅拌，搅拌转速50～800转/分；——过滤；——结晶化处理，将干燥物在200℃-300℃下干燥，得到含结晶水的钛酸钾晶须及纤维，停留时间为2小时～5小时；或者将干燥物在600℃-1000℃下烧结，得到无结晶水的钛酸钾晶须及纤维，停留时间为30分钟～2小时。
本发明制得的产品既可以是六钛酸钾K2O·6TiO2，也可以是六钛酸钾水合物K2O·6TiO2mH2O(m＝0～6)。
实施例1①原料配制水解TiO2，工业级K2CO3(纯度99.5％wt％)，KCl提供K占3％(wt％)，H2O。上述原料均匀混合，其中TiO2/K2O＝1.5(mol比)，含水70％，混合好的料的粘度为5000厘泊；②将混合好的反应物料均匀涂于氧化铝垫板，厚度为0.5cm，反应温度为850℃，反应时间为1小时；③烧结产物放于10倍50℃的水中浸泡2小时后，以5mol/L的H2SO4滴定到pH＝9.5，且20分钟内pH变化小于0.3。以上过程中配合搅拌，搅拌速率为400转/分钟；④过滤；⑤干燥150℃×2.5小时；⑥结晶化过程1000℃×2小时。
上述过程得到六钛酸钾晶须，直径为0.2～0.5μm，长度为20～100μm。
实施例2①原料配制锐钛型TiO2，偏钛酸(H2TiO3)，工业级K2CO3(99.5％wt％)，KOH提供K占5％(wt％)，H2O。上述原料均匀混合，其中TiO2/K2O＝2.5(mol比)，含水45％，混合好的料的粘度为8500厘泊；②将混合好的反应物料均匀涂于氧化铝垫板，厚度为0.7cm，反应温度为920℃，反应时间为4小时；③烧结产物放于4倍80℃的水中浸泡1小时后，以4mol/L的H2SO4滴定到pH＝9.5，且20分钟内变化小于0.3。以上过程中配合搅拌，搅拌速率为500转/分钟；④过滤；⑤结晶化过程300℃×5小时。
上述过程得到六钛酸钾的水合物，直径为0.2～0.5μm，长度为20～80μm。
实施例3①原料配制锐钛型TiO2，水解TiO2，工业级K2CO3(99.5％wt％)。上述原料均匀混合，其中TiO2/K2O＝3(mol比)，含水60％，混合好的料的粘度为7000厘泊；②将混合好的反应物料均匀涂于氧化铝垫板，厚度为0.9cm，反应温度为1050℃，反应时间为2小时；③烧结产物放于20倍25℃的水中浸泡6小时后，以5mol/L的H2SO4滴定到pH＝9.5，且20分钟内pH变化小于0.3。以上过程中配合搅拌，搅拌速率为500转/分钟；④过滤；⑤干燥170℃×2.5小时；⑥结晶化过程1000℃×2小时。
上述过程得到六钛酸钾晶须，直径为0.2～0.5μm，长度为30～100μm。
比较例①原料配制锐钛型TiO2，工业级K2CO3(99.5％wt％)，上述原料均匀混合，其中TiO2/K2O＝3(mol比)；②高温烧结温度为1100℃，反应时间为3小时；③烧结产物放于20倍25℃的水中浸泡6小时后，以5mol/L的H2SO4滴定到pH＝9.5，且20分钟内变化小于0.3。以上过程中配合搅拌，搅拌速率为500转/分钟；④过滤；⑤干燥170℃×2.5小时；⑥结晶化过程1000℃×2小时。
上述过程得到六钛酸钾晶须，直径为0.5～1μm，长度为10～30μm。
由实施例与比较例比较可以看出本发明通过改变反应前驱体以及采用新型的烧结方式，不仅烧结温度降低，反应完全、收率提高；而且由于烧结物疏松使得纤维容易解纤；更为重要的是晶须的质量有了明显的提高，与助熔剂法的相当。本发明制得的晶须直径均一，纤维细长，直径d＝0.2～1.5μm，长度l＝20～100μm。由于原料的改变，本发明钛酸钾晶须的制造成本较低，适合于工业化大规模生产。
参考文献1、清水纪夫チタン酸カリゥム纤维，化学工业(日)，1980，(5)，87～92，(7)，104～1082、朱文化，柯家骏，新型无机晶须——钛酸钾晶须，化学通报，1994，(4)5～103、JP63-2608214、JP02-214605、隗学礼，赵宽放，钛酸钾晶须的制备方法，CN1093760A
权利要求
1.一种钛酸钾晶须及纤维的制造方法，以钛化合物如锐钛型二氧化钛、金红石型二氧化钛等与含钾化合物如KCl、KNO3、K2CO3、KOH等作为原料，其特征在于反应前驱体必须含有钛的非晶态化合物和水；合成前将混合均匀的原料堆积成厚0.1～3cm的薄层；工艺过程为——原料按TiO2/K2O＝1.5～4(mol比)配制，混合料含水20～80％混合；——将原料在800～1100℃温度，合成30分钟～4小时；——将烧结产物浸泡在4～40倍的水中30分钟～8小时，水温20～90℃，加入无机酸直到pH＝7.5～12.5；——过滤；——结晶化处理。
2.根据权利要求1所述的钛酸钾晶须及纤维的制造方法，其特征在于钛的非晶态化合物为水解二氧化钛、偏钛酸、钛铁矿、钛精矿。
全文摘要
一种钛酸钾晶须及纤维的制造方法,以钛化合物与含钾化合物作为原料,其特征在于:反应前驱体必须含有钛的非晶态化合物和水;合成前将混合均匀的原料堆积成厚0.1～3cm的薄层;工艺为:原料按TiO
文档编号C30B29/10GK1259593SQ9911400
公开日2000年7月12日 申请日期1999年1月7日 优先权日1999年1月7日
发明者陆小华, 暴宁钟, 冯新, 吕家桢 申请人:南京化工大学