湿化学法制备钛酸钾晶须的研究

论文摘要

钛酸钾晶须是一族性能十分优异的合成纤维，通常用K2O·nTiO2（n=1，2，4，6，8）表示其组成。目前，工业生产钛酸钾晶须的方法是固相烧结法，其主要缺点是能耗高、工艺复杂以及晶须产品质量难以控制等；而现有水热法制备钛酸钾晶须的主要问题是压力较高、危险性大或不能一步合成六钛酸钾晶须。本文分别在常压和较低的水热反应压力下研究了钛酸钾晶须的制备方法，表征了所得的产品，并对水热反应的机理进行了探讨。结果表明，在常压下、高浓度氢氧化钾溶液中难以直接获得高质量的钛酸钾晶须。为获得六钛酸钾晶须，首先需在溶液中制备其前驱体，然后辅以烧结处理工序。与烧结法相比，在高浓KOH水溶液中制备的前驱体可在较低的温度（550℃）下转化为六钛酸钾。研究发现，制备条件对前驱体的种类、结晶度和形貌有明显的影响，从而影响了六钛酸钾的形貌和产率。因此，可以通过调节前驱体的制备条件来控制最终产物形貌和产率。在水热环境下，系统考察了钛源以及反应条件等对水热反应进程、产物物相以及晶须形貌等的影响。结果表明，偏钛酸、锐钛型TiO2和金红石型TiO2与KOH反应的活性依次递减。但当以偏钛酸为钛源时，难以获得高质量的钛酸钾晶须。而以锐钛型TiO2为钛源时，可以直接获得长约10～20um、直径约为200～700nm的高品质的六钛酸钾晶须。研究发现，初始KOH浓度、钾钛比、保温温度和时间以及降温制度等均显著影响了六钛酸钾晶须的质量。获得了制备六钛酸钾晶须的优化条件：初始KOH浓度为10％（Wt％），K2O／TiO2摩尔比5，保温温度为300℃，保温时间为5h，采用随炉冷却方式降温等。在该水热反应过程中压力在～80atm，所得六钛酸钾为单斜晶体结构，分子式为K2Ti6O13·0.85H2O，晶须沿[110]方向生长。初步探讨了优化条件下水热合成钛酸钾晶须的机理。可以认为，当水热反应升温至250℃以前主要是锐钛型TiO2微粒的溶解反应过程，在从250℃升温至300℃期间主要是TiO2溶解反应与钛酸钾结晶的耦合过程，在300℃下的保温过程则主要是六钛酸钾的结晶与重结晶过程，而随炉冷却主要是溶解的钛酸钾的继续结晶过程。本文提出的水热法工艺流程简单、反应条件较温和、能耗低、晶须质量易于控制，具有良好的工业应用前景。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 文献综述
• 1.1 钛酸钾晶须的结构、性质和用途
• 1.1.1 钛酸钾晶须的结构
• 1.1.2 钛酸钾晶须的性质
• 1.1.3 钛酸钾晶须的用途
• 1.2 钛酸钾晶须的制备方法及其发展动态
• 1.2.1 烧结法
• 1.2.2 熔融法
• 1.2.3 助熔剂法
• 1.2.4 水热法
• 1.2.4.1 水热法的应用与发展
• 1.2.4.2 水热法制备钛酸钾晶须
• 1.3 晶体生长理论的研究现状与发展
• 1.3.1 晶体生长的基本过程
• 1.3.2 晶体生长理论研究发展历史及局限性
• 1.3.2.1 晶体平衡形态理论
• 1.3.2.2 界面生长理论
• 1.3.2.3 PBC理论
• 1.3.3 负离子配位多面体生长基元模型
• 1.4 本课题研究的内容和意义
• 2 常压下高浓KOH水溶液中合成钛酸钾晶须的研究
• 2Ti₆O₁₃前驱体的热力学分析'>2.1 高浓KOH溶液中合成K₂Ti₆O₁₃前驱体的热力学分析
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料、仪器及方法
• 2.2.2 分析及表征
• 2.3 实验结果与讨论
• 2Ti₆O₁₃前驱体的合成'>2.3.1 K₂Ti₆O₁₃前驱体的合成
• 2.3.2 前驱体在热处理过程中物相的变化
• 2Ti₆O₁₃形貌的影响'>2.3.3 前驱体对K₂Ti₆O₁₃形貌的影响
• 2.4 结论
• 3 水热法制备六钛酸钾晶须的研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验原料及装置
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.3 分析及表征
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 钛源的影响
• 3.2.2 水热反应条件对六钛酸钾晶须质量的影响
• 3.2.2.1 反应温度和初始KOH浓度的影响
• 2O/nTiO₂）的影响'>3.2.2.2 钾钛比（nK₂O/nTiO₂）的影响
• 3.2.2.3 保温时间的影响
• 3.2.2.4 降温制度的影响
• 3.2.2.5 搅拌转速的影响
• 3.2.2.6 反应器填充率的影响
• 3.2.3 水热法六钛酸钾晶须的结构分析
• 3.2.3.1 XRD分析
• 3.2.3.2 热分析
• 3.2.3.3 TEM分析
• 3.2.4 水热法制备钛酸钾晶须生长机理的初步探讨
• 3.3 结论
• 4 水热法和烧结法制备钛酸钾晶须的对比
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验原料、装置及方法
• 4.1.2 分析及表征
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 产物的结晶性能和形貌的对比
• 4.2.2 工艺流程对比
• 4.3 小结
• 5 结论
• 6 展望
• 参考文献
• 读研究生期间发表论文
• 致谢