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钛酸钾晶须及导电晶须与其增强塑料复合材料一、项目概况随着高新技术的发展对材料的使用要求越来越高，常规材料的性能已很难满足，复合材料成为了二十一世纪新材料发展的重要方向。
作为新型复合材料增强组元的纤维材料的研制和投产，更引起了世界各国、特别是发达国家的重视。
我所紧跟世界高技术前沿，在1991年以来就开发出了钛酸钾晶须等系列新产品，填补了我国的空白，并已获得了国家发明专利。
钛酸钾晶须是世界上最新一代高性能复合材料增强剂，是一种细小纤维状的亚纳米材料。
具有十分优良的力学性能和物理性能：高强度、高模量、耐磨耗、耐高温、隔热、高的电气绝缘性及优异的红外反射性能。
尤其是因为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。
如用于制作汽车的各种内、外饰部件、组合开关部件、刹车片、离合器摩擦片；家用电器和办公室设备部件，轴承保持架等。
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。
它是代替有环境污染、即将限制使用的石棉的最佳产品，可广泛用于汽车、机械、电子、化工、建材等工业部门，具有较强的深度开发应用前景。
1998年以来，我们在钛酸钾晶须的基础上，又新开发出高性能导电晶须，它不仅保持了原有钛酸钾晶须的优良物理化学性质，而且使晶须增加了在冷热环境下均匀稳定的导电性能和吸波性能等。
可用作各种防静电材料、屏蔽材料、隐身材料等，更扩宽了它的应用领域。
使它成为面向21世纪不可缺少的先进制品材料之一。
目前，钛酸钾晶须及其导电晶须在国外已经得到了广泛实际应用，据报道晶须量已达万吨。
我们的产品应用研究开发和国内、外市场也正在迅速开拓，很受欢迎，用量很大。
我们的晶须塑料复合料已获国际“二十一世纪塑料、橡胶工业科技成果博览暨产品推广研讨会”优秀产品金奖。
情况已经表明，在国内迅速建立晶须及其增强塑料产品生产基地具有十分现实的投资必要性和重要的社会经济意义。
钛酸钾晶须用途简介钛酸钾晶须指的是成分为钛酸钾的一系列针状产品，根据需要，可以是二氧化钛晶须、四钛酸钾晶须、六钛酸钾晶须和八钛酸钾晶须。
而晶须的长短和客户的用途有关，不同的用途需要不同的晶须长度。
实际上，上述几种晶须都有其特定的使用范围，下面分别进行介绍。
一、四钛酸钾晶须四钛酸钾晶须的组成为K2Ti4O9，结构为层状结构，K+离子在层间。
这种结构导致的直接结果是K+离子具有不稳定性，因此，四钛酸钾晶须的主要用途就集中在K+离子的不稳定性上。
也就是说，四钛酸钾晶须中的K+离子具有离子交换性。
根据此特性，一些国家将其用于核废料的处理上，实现了核废料的无放射处理。
另外，国外有用于PTC、燃料电池等的报道。
二、六钛酸钾晶须六钛酸钾晶须的组成为K2Ti6O13，结构为连锁隧道式结构，K+离子居隧道中间。
这种结构导致的直接结果是K+离子具有高的稳定性，也因为这种结构，使六钛酸钾晶须具有高温吸音、化学稳定性、绝缘性、反射红外线、优良的防腐性能等。
其用途分别简介如下：1．隔热材料。
六钛酸钾晶须作为隔热材料主要基于结构隔热、物理隔热、红外线反射三点。
一般隔热材料都是物理隔热，即通过机械形成一定的空隙，达到隔热的目的，传统的石棉即是如此。
但石棉类隔热材料的致命弱点是有毒，能致癌，易灰化、高温收缩、寿命短等，而六钛酸钾晶须既稳定，又无毒无害，使用寿命长，至少10年以上，且可以耐800℃以上的高温，这一点是石棉类隔热材料无法比拟的。
应用领域也从民用产品到航空航天器材，乃至军工产品。
比较典型的有航天发射架、军械、汽车排气管、干燥器、石油化工管道、特定要求温度高的领域等的隔热材料或涂料，是比较理想的石棉替代材料。
2．增强材料。
因为六钛酸钾晶须的机械性能良好，加之长度短，易制作与加工成晶须增强轻金属、热固性或热塑性材料增强材料。
六钛酸钾晶须增强材料的用途较广,现在已经用到收录机、复印机部件，运动器材等。
3．摩擦材料。
六钛酸钾晶须的耐磨擦性能优良，已经用于汽车离合器、制动装置以及其它耐摩擦的场合，使用寿命及疲劳特性上都有明显提高。
六钛酸钾晶须的生长机理研究
陈康康;王刚;王来稳
【期刊名称】《硅酸盐通报》
【年(卷),期】2010()4
【摘要】通过DTA-TG,XRD和SEM分析研究了六钛酸钾晶须的生长机理,证明气相K对晶须合成没有显著影响,晶须的生长符合LS机理,低熔点液相的存在以及反应组元的扩散对晶须的形成和长大有重要作用;KDC法合成六钛酸钾晶须的反应过程中产生了中间相K3Ti8O17,其存在有利于固定K,防止K的过度挥发损耗。
【总页数】5页(P922-925)
【关键词】KDC法;生长机理;六钛酸钾晶须
【作者】陈康康;王刚;王来稳
【作者单位】中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司河南省特种耐火材料重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TB321
【相关文献】
1.偏态酸为原料制备六钛酸钾晶须机理研究 [J], 韩世启;司乃潮;殷恒波;祁艳;司松海
2.反应合成六钛酸钾晶须的微结构及其晶体学生长研究 [J], 戚玉敏;崔春翔;申玉田;王新;高鑫
3.纳米碳酸钙包覆六钛酸钾晶须方法的研究 [J], 何盛俊;商少明;郭成方
4.掺杂六钛酸钾晶须SiO2气凝胶复合材料的研究 [J], 何方;李荣春;程娟;吴菊英;范敬辉
5.六钛酸钾晶须的制备及生长机理的研究 [J], 樊婧;周雪松;蔡永丰;常石岩;沈毅;孟艳芝
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net第14卷专辑1
Vol.14S1中国有色金属学报TheChineseJournalofNonferrousMetals2004年5月May 2004
文章编号:10040609(2004)S1036306
六钛酸钾晶须制备新工艺①
胡恒瑶1,古宏晨2,程存康2,徐 宏2(1.华东理工大学材料科学与工程学院,上海200237;
2.上海交通大学纳米科学与技术工程中心,上海200030)
摘 要:
用喷雾干燥烧结法一次煅烧直接合成了长径比大于10,形貌优良的六钛酸钾晶须,研究了钛钾比、煅
烧温度以及保温时间对晶须生长的影响。得出制备六钛酸钾晶须的最佳条件:TiO2与K2CO3的摩尔比为5.5,煅烧温度为1150℃,保温时间为10h。关键词:
晶须;喷雾干燥;烧结法;六钛酸钾
NewsynthesisprocessofK2Ti6O13whiskers
HUHeng2yao1,GUHong2chen2,CHENGCun2kang2,XUHong2(1.InstituteofMaterialsScienceandEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,
Shanghai200237,China;2.EngineeringCenterofNanoScienceandTechnology,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)
Abstract:Potassiumhexatitanate(K2Ti6O13)whiskerswithanaveragelength2diameterratiomorethan10weredirectly
synthesizedbyspray2drying2calcinationprocessandsubsequentboilingwatertreatment.Theinfluencesofcalciningheat,calciningtimeandmolarratioofTiO2toK2CO3ontheformationofK2Ti6O13whiskerswereinvestigated.TheoptimumconditionsforwhiskerformationareamolarratioofTiO2toK2CO3of5.5,calciningtemperatureof1150℃andcalcin2ingtimeof10h.Keywords:whisker;spray2drying;calcination;potassiumhexatitanate
六钛酸钾晶须是由TiO6八面体通过共面和共棱连结而成风洞状结构的单晶纤维,其强度接近于完整晶体的理论强度[1,2]。因钾离子居于风洞中,被风洞状结构包裹住,使之与环境隔开,即使在溶液中钾离子也无法突破这些风洞状的包裹层而呈化学惰性[3]。六钛酸钾晶须因其优良的物理性能和稳定的化学性能,特别是优异的耐腐蚀性、耐热隔热性、耐磨润滑性、高电气绝缘性等,广泛用作陶瓷基、树脂基复合材料的增强增韧材料[4]。目前,六钛酸钾晶须工业上常用的合成方法有烧结法[5]、熔融法[6]、助熔剂法[7,8]和慢冷烧结法[911]等,这些方法大多采用间接方法制备六钛酸钾晶须,即先通过烧结工艺制得四钛酸钾晶须,经酸或水处理后,得到组成为K2O・6TiO2・nH
2O
的
无定形非晶相物质,再通过二次烧结得到六钛酸钾晶须。本文作者研究了以碳酸钾和偏钛酸为原料,
通过喷雾干燥工艺制得煅烧反应前驱体,一步烧结制备高质量六钛酸钾晶须的新工艺,并对其工艺条件进行了优化。
1 实验1.1前驱体粉末的制备以化学纯K2CO3和工业偏钛酸(H
2TiO3,
马鞍
山金星钛白粉厂提供)为原料,按不同的TiO2与K2CO3摩尔比配制一系列悬浮液,含水量(质量分
①作者简介:胡恒瑶(1968),男,硕士研究生通讯作者:古宏晨,教授;电话:0212629325152217;E2mail:hyhu@sjtu.edu.cn© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
数)为75%,通过喷雾干燥工艺将悬浮液制成前驱体粉末。
1.2 晶须制备将上面制得的前驱体粉末装入刚玉坩埚中,然后置于箱式电阻炉中煅烧,升温速率固定为300
℃/h,煅烧温度范围为850～1150℃;保温时间为1.5～10h。烧成物在空气中冷却后,浸于15倍去离子水中并煮沸5h,再过滤、洗涤、烘干,得到了六钛酸钾晶须。
1.3 表征采用扫描电镜(JSM2360LV型和S2520型)观
测晶须的显微形貌,利用热分析仪(UNIVERSAL
V2.4F型)研究驱体粉末的热性质,采用X射线粉末衍射仪(D/max23A型)研究晶须的晶相结构,用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP/IRISAdvantage
1000型)和元素分析仪(24002Ⅱ型)对烧结物的元素组成进行分析。
2 结果与讨论
2.1 制备六钛酸钾晶须的新工艺以化学纯K2CO3和工业H2TiO3为原料,按TiO2与K2CO3摩尔比5.5配制悬浮液,含水量为
75%(质量分数),通过喷雾干燥工艺将悬浮液制成前驱体粉末,其形貌如图1所示。图1(b)所示为图1(a)中箭头所指小球的放大照片。悬浮液经喷雾干
燥后,不但使原料在微观尺度上混合均匀,使得固相反应易于进行,而且使原料形成大小比较均匀的小球,每个小球为晶须生长提供了稳定的小环境,
有利于晶须的稳定生长。图2所示为TiO2与K2CO3摩尔比分别等于2.
5和5.5的悬浮液通过喷雾干燥工艺制备的前驱体粉末DTA曲线。由图2看出(参见TiO
2K2O
相
图[12]),不考虑低温段的脱水吸热峰,在图2(a)
中,695℃时有脱CO2及生成低钛酸钾的吸热峰,
962℃时的吸热峰是由于低钛酸钾转化为四钛酸钾并伴随液相生成的吸热峰,1076℃时的吸热峰是由于工业H2TiO3中含有硫酸根离子,加入碳酸钾后生成硫酸钾的熔融峰;图2(b)中659℃吸热峰是由于碳酸钾和二氧化钛发生固相反应,生成六钛酸钾、CO2及少量八钛酸钾,这是因为工业H
2TiO3
图1 前驱体粉末的SEM照片((b)为(a)中箭头所指小球的照片)
图2 前驱体粉末的DTA曲线n(TiO2)/n(K2CO3):(a)—2.5;(b)—
5.5
・463・中国有色金属学报 2004年5月© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
中含有的大量硫酸根离子与K2CO3反应生成硫酸钾,硫酸钾在煅烧过程中不参加反应,使得前驱体中TiO2和K2CO3的摩尔比大于6,组成点在相图中落在K2Ti6O13与K2Ti8O17之间。981℃的吸热峰是由于随着温度升高,固相反应速度加快,六钛酸钾晶核不断长大,最终生成六钛酸钾晶须,温度达到1000℃时,固相反应基本结束,1059℃吸热峰是未反应的硫酸钾熔融吸热峰。图3所示为前驱体粉末(n(TiO2)/n(K2CO3)=5.5)经1150℃煅烧10h并经水处理后得到的最终产品的XRD谱,图4(c)为其SEM照片。图3中的衍射峰强度和位置几乎与K2Ti6O13谱(JCPDS40-0403)完全一致,图4(c)中的晶须形貌优良。由此可见,通过喷雾干燥方法制备出具有一定结构、大小比较均匀的球状反应前驱体,一步烧结即可得到形貌优良的六钛酸钾晶须。与助熔剂法[7,8]和慢冷烧结法[911]相比,喷雾干燥-烧结法省去了难以控制的的钾离子溶出步骤和二次烧结过程,使得制备工艺简单且便于控制,适合大规模工业生产;节省能源,生产成本低,有利于推广应用;不需用酸处理解织,既降低成本,又减少废液排放,有利于环保。2.2 制备条件对生成钛酸钾晶须的影响将喷雾干燥所得前驱体粉末(n(TiO
2)
/
n(K2CO3)=5.5)在850～1200℃范围内烧结
10
h。在烧结过程中,高温段体系中有少许液相生成,但前驱体粉末在坩埚中的堆积状态维持不变。在850℃,形成长1μm左右、直径几十个纳米的晶须,
此阶段晶须比较均匀(图4(a))。随着温度的升高,晶
图3 前驱体粉末在1150℃煅烧10h所得最终产品并经水处理后的XRD谱(n(TiO
2)/n(K2CO3)=5.5)
图4 前驱体粉末煅烧10h所得烧结物经水处理后的SEM照片(n(TiO
2)/n(K2CO3)=5.5)
(a)—850℃;(b)—950℃;(c)—1150℃;(d)—1200℃
・563・第14卷专辑1 胡恒瑶,等:六钛酸钾晶须制备新工艺
