专利名称：柱状六钛酸钾晶体及其合成方法
技术领域：
本发明涉及晶体材料及其合成方法，具体是一种新形态的柱状六钛酸钾晶体。
本发明还涉及所述晶体的合成方法。
背景技术：
钛酸钾的分子式为K2O·n(TiO2)，其中n＝2，4，6，8，分别称为二钛酸钾、四钛酸钾、六钛酸钾、八钛酸钾。其中，二钛酸钾和四钛酸钾晶体具有层状结构，K+离子居于层间，具有化学活性。而六钛酸钾和八钛酸钾晶体具有连锁隧道式结构，K+离子居于隧道中间，与环境隔开，使K+离子具有高的稳定性，故该类钛酸钾晶体具有化学稳定性、绝缘性、红外线反射性、隔热性等许多独特的性能。因此，目前以六钛酸钾晶体的开发应用居多。由于生产工艺及方法的不同，六钛酸钾晶体的形态有鳞片状、晶须状及纤维状。在物理性能以及与其它材料的结合性能方面各自有不同的特点，因此也就有不同的应用。现有的生产工艺有熔融法、熔剂法、气相生成法等方法。由于各自设计的原材料配方、工艺流程、控制参数不同，形成了不同的技术特点，也就有不同的优缺点。其中晶须状六钛酸钾晶体形态为针状，长径比≥20且表面粗糙，表观密度低，约为0.4～0.7g/cm3，流动性差，因此不利于与其它材料混合均匀。另外，据介绍此种形态的晶体被人体吸入后，存在致癌危险，因此在摩擦材料中不主张采用钛酸钾晶须。此外，现已公布的钛酸钾晶须生产工艺也比较复杂，如申请号为01134183.1的专利，其生产方法包括混合、烧结、骤冷、分散处理、分离、洗涤、干燥、高温结晶烧结、二次分散处理、二次干燥处理和筛分等步骤。由于生产步骤较多，生产流程较长，因此生产成本不会不高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种新形态的柱状六钛酸钾晶体。该晶体由于呈椭圆或多边柱体，且平直、端部及表面圆滑、沿长度方向粗细均匀，长径比≤15，表观密度高达0.8～1.2g/cm3，因此具有流动性好的优点。
本发明的目的还在于提供一种原材料配方简单、工艺流程简短、高效率、低成本的所述柱状六钛酸钾晶体的合成方法，合成出结晶度好、纯度高的柱状六钛酸钾晶体。
本发明的柱状六钛酸钾晶体的合成方法，包括以下步骤(1)、配料/混料把碳酸钾放入水中充分溶解，再将钛白粉放入碳酸钾溶液中搅拌均匀；钛白粉(TiO2)与碳酸钾(K2CO3)的摩尔比为5.5～6.5∶1；(2)、造粒将步骤(1)得到的混合物装入加热炉中烘干，进入粉碎机粉碎、过40～270目筛，再密封装袋；或者将步骤(1)得到的混合物装入喷雾造粒机，雾化、烘干、过40～270目筛，再密封装袋；(3)、煅烧将步骤(2)得到的造粒料装入陶瓷容器并加盖，再进入分段控温加热炉煅烧，煅烧过程由升温、保温、降温三步完成。作为优选方案造粒料在陶瓷容器内的装料高度控制为50～100mm；煅烧过程中，第一段升温，升温速度控制为6～10℃/min；第二段保温，温度控制为1180～1220℃，保温时间为90～150min；第三段降温，降温速度控制为5～8℃/min，温度降到150℃后出炉。
(4)粉碎/分离将步骤(3)得到的煅烧料，先采用锤式破碎机破碎成粗颗粒，再采用振动球磨+风力分选工艺，将其粉碎、分离成单晶体。
本发明方法合成的柱状六钛酸钾晶体，其物理化学性能如下外观 白色粉末六钛酸钾晶体含量 ≥90％
PH 7～10熔点1350～1400℃软化点 1200℃真密度 3.2g/cm3平均粒度2.5～5.2μm表观密度0.8～1.2g/cm3水分含量≤0.2％莫氏硬度4本发明与现有方法及其生产的六钛酸钾晶体相比，具有以下优点1、原材料配方简单，只用钛白粉(TiO2)和碳酸钾(K2CO3)两种材料，而不需要其它任何的助剂或熔剂，使得原材料成本降到了最低。
2、工艺流程简短，整个生产过程包括配料/混料、造粒、煅烧、粉碎/分离四个步骤，一步法合成出六钛酸钾晶体。且整个过程不需要酸洗、水洗、过滤、干燥、二次热处理等工序。减少了环境污染，节约了用水，节省了能源。
3、产品结晶度好、纯度高，晶体形态成短柱状，通过粉碎分离可形成单晶体，大大提高了材料的流动性，有利于与其它材料混合均匀。
图1是本发明方法生产的柱状六钛酸钾晶体煅烧后粉碎前的扫描电镜照片；图2是图1所述的晶体X射线衍射分析结果；图3是图1所述晶体粉碎分离后扫描电镜照片。
具体实施例方式
实施例11、配料/混料采购锐钛矿型工业级钛白粉和工业级碳酸钾为原料，按照TiO2/K2CO3＝6(摩尔比)的要求，折算成重量比，钛白粉77.62％，碳酸钾22.38％。根据一次配料量的要求，按重量比分别称取钛白粉和碳酸钾。先把碳酸钾放入总配料量50％的水中充分溶解，再将钛白粉放入碳酸钾溶液中充分搅拌均匀。
2、造粒将混合料装入料盘，为便于干燥，料厚控制为10～30mm，再装入箱式电炉中低温(≤100℃)烘烤，烘干后用粉碎机粉碎并过筛，粒度控制为40～200目，40目筛盘以上的料再返回粉碎机粉碎，200目筛盘以下的料再返回下次配料中回收。过筛后，趁热用塑料袋密封包装以防吸潮。
3、煅烧将造粒料装入陶瓷容器并加盖，要求该陶瓷容器及盖子采用高Al2O3耐火材料烧制，能承受1300℃的高温。装料厚度控制为90～100mm，进入分段控温加热炉，温度控制曲线如下第一段升温，升温速度控制为8～10℃/min；第二段保温，温度控制为1200～1220℃，保温时间为120～150min；第三段降温，降温速度控制为5～8℃/min，温度降到150℃后出炉。出炉后的煅烧料既为结晶度良好的柱状六钛酸钾晶体，成块状疏松结构。卸料后，陶瓷容器及盖子返回装料工序再次使用。
4、粉碎/分离由于煅烧料为多晶体团聚结构的块状料，先采用锤式破碎机破碎成粗颗粒，粒度控制为通过20目筛。再采用振动球磨+离心风力分选工艺，将其粉碎、分离成单晶体。通过调节进料流量，控制材料在振动球磨机中的停留时间，从而控制煅烧料的粉碎程度。通过调节离心风力分选的转速，控制产品粒度。分选排出的粗颗粒，再进入振动球磨机粉碎。最后采用塑料袋密封包装。
实施例21、配料/混料采购锐钛矿型工业级钛白粉和工业级碳酸钾为原料，按照TiO2/K2CO3＝5.6(摩尔比)的要求，折算成重量比，钛白粉为76.40％，碳酸钾为23.60％。根据一次配料量的要求，按重量比分别称取钛白粉和碳酸钾。先把碳酸钾放入总配料量150％的水中充分溶解，再将钛白粉放入碳酸钾溶液中充分搅拌均匀。
2、造粒将混合料用隔膜泵抽入离心造粒机，通过离心机的雾化及热风的干燥直接造出粒子。通过调节隔膜泵流量，控制粒子直径为100～200目，趁热用塑料袋密封包装以防吸潮。
3、煅烧将造粒料装入陶瓷容器并加盖，要求该陶瓷容器及盖子采用高Al2O3耐火材料烧制，能承受1300℃的高温。装料厚度控制为50～70mm，进入分段控温加热炉，温度控制曲线如下第一段升温，升温速度控制为6～8℃/min；第二段保温，温度控制为1180～1200℃，保温时间为90～120min；第三段降温，降温速度控制为5～8℃/min，温度降到150℃后出炉。出炉后的煅烧料既为结晶度良好的柱状六钛酸钾晶体，成块状疏松结构。卸料后，陶瓷容器及盖子返回装料工序再次使用。
4、粉碎/分离由于煅烧料为多晶体团聚结构的块状料，先采用锤式破碎机破碎成粗颗粒，粒度控制为通过20目筛。再采用振动球磨+离心风力分选工艺，将其粉碎、分离成单晶体。通过调节进料流量，控制材料在振动球磨机中的停留时间，从而控制煅烧料的粉碎程度。通过调节离心风力分选的转速，控制产品粒度。分选排出的粗颗粒，再进入振动球磨机粉碎。最后采用塑料袋密封包装。
通过以上实施例生产程序产出的成品，其物理化学性能如下外观 白色粉末六钛酸钾晶体含量 ≥90％PH7～9熔点 1350～1400℃软化点1200℃真密度3.2g/cm3平均粒度 2.5～5.2μm表观密度 0.8～1.2g/cm3水分含量 ≤0.2％
莫氏硬度4该柱状六钛酸钾晶体具有以下特征1、煅烧料的结晶形态为无数根柱状晶体交叉成族群结构，各晶体近似成椭圆或多边柱体，且平直、端部及表面圆滑、沿长度方向粗细均匀，但长短不齐。其宽度约为1～3μm，长度约为5～30μm，长径比≤15。详细形态见扫描电镜照片(SEI)图1。
2、经X射线衍射分析，主物相为六钛酸钾(K2Ti6O13)晶体，次物相为二氧化钛(TiO2)，X射线衍射分析结果见图2。
3、经X荧光分析，主物相六钛酸钾晶体含量≥90％，次物相二氧化钛含量＝7～9％。
4、煅烧料经粉碎、分离后，短柱状晶体交叉成族群的结构被打散，而成为互不粘连的单晶体。由于部分条状晶被打断，最终产品成为以柱状晶体为主，颗粒状晶体为辅的单晶体材料，见图3。
权利要求
1.一种柱状六钛酸钾晶体的合成方法，其特征在于包括以下步骤(1)、配料和混料把碳酸钾放入水中充分溶解，再将钛白粉放入碳酸钾溶液中搅拌均匀；钛白粉(TiO2)与碳酸钾(K2CO3)的摩尔比为5.5～6.5∶1；(2)、造粒将步骤(1)得到的混合物装入加热炉中烘干，进入粉碎机粉碎、过40～200目筛，再密封装袋；或者将步骤(1)得到的混合物装入喷雾造粒机，雾化、烘干、过40～200目筛，再密封装袋；(3)、煅烧将步骤(2)得到的造粒料装入陶瓷容器并加盖，再进入分段控温加热炉煅烧，煅烧过程由升温、保温、降温三步完成；(4)粉碎和分离将步骤(3)得到的煅烧料，先采用锤式破碎机破碎成粗颗粒，再采用振动球磨和风力分选工艺，将其粉碎、分离成单晶体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中，造粒料在陶瓷容器内的装料高度控制为50～100mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中，第一段升温，升温速度控制为6～10℃/min；第二段保温，温度控制为1180～1220℃，保温时间为90～150min；第三段降温，降温速度控制为5～8℃/min，温度降到150℃后出炉。
4.权利要求1～3之一所述方法合成的柱状六钛酸钾晶体，其特征在于其物理化学性能如下外观 白色粉末六钛酸钾晶体含量 ≥90％PH 7～10熔点 1350～1400℃软化点 1200℃真密度 3.2g/cm3平均粒度 2.5～5.2μm表观密度 0.8～1.2g/cm3水分含量 ≤0.2％莫氏硬度 4结晶形态呈椭圆或多边柱体，且平直、端部及表面圆滑、沿长度方向粗细均匀，其宽度为1～3μm，长度约为5～30μm，长径比≤15；经X射线衍射分析，其主物相为六钛酸钾晶体，次物相为二氧化钛。
全文摘要
一种新形态的六钛酸钾晶体材料及其合成方法。该方法以钛白粉(TiO
文档编号C30B29/00GK101016649SQ20061013237
公开日2007年8月15日 申请日期2006年12月28日 优先权日2006年12月28日
发明者胡瑞华, 唐纲 申请人:广州市新力金属有限公司