纳米二氧化钛的制备

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1、纳米TiO2的制备方法1 前言20世纪80年代以前，纳米TiO2的研究开发目的主要是作为精细陶瓷原料、 催化剂、传感器等，需求量不大，没有形成大的生产规模。80 年代以后，开 发的纳米 TiO2 用作透明效应和紫外线屏蔽剂，为纳米 TiO2 打开了市场，使 纳米TiO2的生产和需求大大增加，成为钛白工业和涂料工业的一个新的增长 点。二氧化钛俗称钛白，是钛系最重要的产品之，也是一种重要的化工和环境材料。纳米二氧化钛由于其具有粒径小、比表面积大、磁性强、光催化、吸 收性能好、吸收紫外线能力强、表面活性大、热导性好、分散性好、所制悬浮 液稳定等优点而倍受关注，制备和开发纳米二氧化钛已成为国内外科技界

2、研究 的热点之一。日本、美国、英国、德国和意大利等国对纳米TiO2进行了深入的研究，并已实现纳米TiO2的工业化生产。目前全世界已经有十几家公司生产纳米TiO2, 总生产能力估计在（600010000）t/a，单线生产能力一般为（400500）t/a。根据 莎哈里本公司统计，2003年全球纳米TiO2销售量仅为1800t左右，其消费量 与产品应用见表1。近几年，有关纳米TiO2的新建装置已很少报道，主要是已 建成装置的生产能力已远远超出市场的实际消费量，多数厂家处于开工不足或停产的状态。主要原因是目前国际上公认的纳米 TiO2 制备和应用技术还有待 于提高，技术要点和难点主要表现在以下几个方面

3、：国际上纳米TiO2的价 格为（3040）万元/t,其成本大致是销售价格的2/5,原料和工艺路线的选择是纳米TiO2的表面处理技术；纳米TiO2应用分散技术；纳米TiO2应用功能降低生产成本的关键因素；纳米TiO2的晶型和粒度控制技术；金红石型的提升技术；纳米TiO2产业化成套技术。由于以上条件的制约，使得纳米 TiO2的应用和发展受到限制1.1 制备方法介绍1.1.1溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种较为重要的制备纳米材料的湿化学方法，主要包括 4 个步骤1：第一步，胶溶。 Ti（OR）4 与水不能互溶，但与醇、苯、等有机溶 剂无限混溶，所以先配制Ti（OR）4的醇溶液（多用无水乙醇），再配制水的乙

4、 醇溶液，并向 B 中添加无机酸或有机酸作水解抑制剂（负催化剂），也可加 一定量NH，将A和B按一定方式混合、搅拌得透明溶胶。第二步，溶胶凝 3 胶转变制湿凝胶。第三步，使湿凝胶转变成干凝胶。第四步，热处理。将干 凝胶磨细，在氧化性气氛中在一定温度下热处理，便可得到100nm的TiO。张梅等2以 Ti(OC4H9) 为原料，无水乙醇为溶剂，盐酸作水解抑制剂， 按摩尔比Ti(OC4H9)4：H2O:C2H5OH:HCL=1:1-4:15:0.3,得到不同粒径和晶型 的TiO2纳米晶。溶胶凝胶法制备纳米TiO2可以很好地掺杂其它元素，粉末粒径小，分布 均匀，分散性好，是非常有价值的制备方法。但由于

5、要以钛醇盐为原料，又 要加入大量的有机试剂，因此成本高，同时由于凝胶的生成，有机试剂不易 逸出，干燥、烧结过程易产生碳污染3，另外，对于困扰已久的团聚问题， 局部表面化学反应、机械化学反应及用表面活性剂或聚合物包覆等都不能从 根本上解决，利用超声空化技术有帮助，尚有待进一步探索4。1.1.2 沉淀法以廉价易得的TiO4或Ti(SO)4等无机盐为原料，向反应体系加入沉淀剂 后，形成不溶性的Ti(OH)4，然后将生成的沉淀过滤，洗去原溶液中的阴 离子，高温煅烧即得到所需的氧化物粉体，此法一般分为 3 种类型。1.1.3TiCL4的直接水解法该方法的优点是：工艺简单，反应条件温和且反应时间短，产品粒

6、度 均匀，分散性好，颗粒尺寸人为可控，可以制得锐敏型、金红石型及混合 晶型，原料易得，生产成本较低，易于实现工业化。但是此方法需要经过 反复洗涤来除去氯离子，所以存在工艺流程长、废液多、产物损失较大的 缺点，而且完全洗净无机离子较困难。1.1.4 钛醇盐水解法在有分散剂存在并强烈搅拌下，对钛醇盐进行控制性水解，沉析出TiO2.nH2O 沉淀，过滤、干燥、热处理，容易得到高纯、微细、单分散的 类球形TiO2亚微粉或超微粉。宋哲等NHCL4-NH4OH缓冲溶液中进行 钛丁醇盐水解，沉淀物用正丁醇进行非相共沸蒸馏挤水法处理，然后 在,4500C下热处理，得到了颗粒度小，分散性好，不团聚的纳米TiO2

7、。该 方法合成的纳米粉体颗粒均匀，纯度高，形状易控制，缺点是成本昂贵， 作为原料的金属有机物制备困难，合成周期长。1.1.5 胶溶法该法可制备各种组分的氧化物陶瓷粉体且制得的产品粒径小，粉体分 散性好，粒度可控，但易发生粒子间团聚现象，成本也较高。杨少凤等人 利用异相成核原理，液相合成金红石型TiO2纳米晶：在Ti(SO)4溶液中加 入一定量的SnCL2,室温下，将2mol/L氨水滴入此混合液中，经过一系列 处理后，将所得沉淀分散于2mol/LHNO3溶液中，回流一段时间，沉淀离 心烘干即得金红石型TiO2纳米晶。这种工艺制备凝胶的方法与溶胶凝胶法 相似，但是利用胶溶原理，缩短了制备流程，省去

8、耗能多的高温煅烧过程，从而避免了因烧结而引起的纳米粒子之间的硬团聚。1.1.6 微乳液法微乳液是指热力学稳定分散的互不相溶的液体组成的宏观上均一而微 观上不均匀的液体混合物，一般由表面活性剂、助表面活性剂（通常为醇 类）、油（通常为碳氢化合物）和水（或电解质溶液）组成。由于微乳液 的结构从根本上限制了颗粒的成长，因此使得超细微粒的制备变得容易。 通过超速离心，使纳米微粉与微乳液分离，再以有机溶剂除去附着在表面 的油和表面活性剂，最后经干燥处理，即可得到纳米微粉的固体颗粒。该 法所得产物粒径小且分布均匀，易于实现高纯化。该法有 2 个优点6：（1） 不需加热、设备简单、操作容易；（2）可精确控制

9、化学计量比，粒子可控。1.1.7低压气体蒸发法这种制备方法是在低压的氩气、氮气等惰性气体中加热普通的 TiO2， 然后骤冷生成纳米 TiO2 粉体，其加热源有电阻加热法、等离子喷射法、高 频感应法、电子束法和激光法，可制备 100nm 以下的粒子7。1.1.8此活性氢熔融金属反应法含有氢气的等离子体与金属钛之间产生电弧，使金属熔融，电窝的N2.Ar 等气体和 H2 溶入熔融金属，然后释放出来，在气体中形成了金属的 超微粒子，用离心收集器或过滤式收集器使微粒与气体分离而获得纳米 TiO2微粒。1.1.9溅射法此方法是用 2 块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在 两电极间充入Ar气，

10、两电极间施加的电压范围为0.31.5Kv。两电极间的 辉光放电使Ar离子形成。在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，靶 上的就由其表面蒸发出来，被惰性气体冷却而凝结成纳米TiO2粉末，粒度 在 50nm 以下，粒径分布较窄。1.1.10流动液面上真空蒸发法用电子束在高真空下加热蒸发TiO2,蒸发物落到旋转的圆盘下表面油膜 上，通过圆盘旋转的离心力在下表面上形成流动的油膜，含有超微粒子的 油被甩进了真空室的壁面，然后在真空下进行蒸馏获得TiO2超微粒子。1.1.11超临界相法溶液中合成超细TiO2分别是在3个实验反应器中完成的，这些反应器填 充了近临界密度的异丙醇和 0.4mol/L 的醇钛盐

11、溶液。乙醇和异丙醇的临界 温度分别为2410C和238.40C，与醇钛盐气相热解的温度2650C相差不远， 特别适合作临界相流体，临界相流体有近似液体的密度和高溶剂能，但低 的粘度和高扩散率几乎与气体接近，这些性质有利于分子碰撞且能够增加 反应动力，能产生高的成核率。此法溶液浓度很低，可以避免粒子间的进 一步凝集，低压下超临界溶液作为气体被除去，得到了干燥的粉末，不再 需要液固的分离步骤。将异丙醇D异丙醇钛盐溶液在2800C加热2h，反应即可完全，这与醇 钛盐气相热解温度相近，由超临界法所得固体为锐钛型结构，粒径为 3060nm,热处理后不发生结块。而用气相热分解法制TiO2，最初所得晶 粒很

12、好，但最终强烈结块。超临界法同溶胶凝胶法比较，免除了沉淀与干 燥步骤，在煅烧过程之前，不需要进一步热处理。 SC 法制的锐钛型 TiO2 较溶胶凝胶法制的锐钛型稳定，例如，SC法，9000C加热4h，20%为金红 型TiO2；溶胶凝胶法，6400C为金红型TiO。上述可见，制备纳米TiO2的方法很多，而且各有其优缺点。此外，根据 纳米TiO2用途的不同，其制备方法也有差异。今后在研究制备工艺的同时， 改进现有的合成工艺，寻求粉体质量好、操作简便且易于工业化大规模生产、 成本低廉的合成新工艺，应该是努力的目标。对纳米粉末微观结构的研究还 有待于进一步深入，对纳米TiO2微粉特有的化学、物理机械性

13、能，应从理 论、微观结构入手，研究它们产生的机理。总之，随着纳米材料体系和各种 超结构体系研究的开展和深入，纳米超细粒子的制备技术将会得到日益改进1.2所制备材料的介绍纳米二氧化钛是金红石型白色疏松粉末，屏蔽紫外线作用强，有良好的 分散性和耐候性。可用于化妆品、功能纤维、塑料、涂料、油漆等领域， 作为紫外线屏蔽剂，防止紫外线的侵害。也可用于高档汽车面漆，具有随 角异色效应。纳米级二氧化钛，亦称钛白粉。物理性质为细小微粒，直径在100纳米 以下，产品外观为白色疏松粉末。具有抗线、抗菌、自洁净、抗老化性能， 可用于化妆品、功能纤维、塑料、油墨、涂料、油漆、精细陶瓷等领域。 纳米二氧化钛主要有两种结

14、晶形态:锐钛型（Anatase）和金红石型（Rutile）。 金红石型二氧化钛比锐钛型二氧化钛稳定而致密，有较高的硬度、密度、 介电常数及折射率，其遮盖力和着色力也较高。而锐钛型二氧化钛在可见 光短波部分的反射率比金红石型二氧化钛高，带蓝色色调，并且对紫外线 的吸收能力比金红石型低，光催化活性比金红石型高。在一定条件下，锐 钛型二氧化钛可转化为金红石型二氧化钛。纳米二氧化钛是具有屏蔽紫外线功能和产生颜色效应的一种透明物质。 由于它透明性和防紫外线功能的高度统一，使得它一经问世，便在防晒护 肤、塑料薄膜制品、木器保护、透明耐用面漆、精细陶瓷等多方面获得了 广泛应用。特别是在80 年代末期，这种能

15、产生诱人的“随角异色”效应的 效应颜料被成功地用于豪华型高级轿车面漆之后，引起了世界范围的普遍 关注，发达国家如美、日、欧等国对此研究工作十分活跃，相继投入了大 量人力、物力，并制订了长远规划，在国际市场竞争激烈迄今，他们已取 得许多令人惊异的成果，并已形成高技术纳米材料产业，生产这种附加值 极高的高功能精细无机材料，收到良好的经济效益和社会效益，纳米氧化 物材料也正成为中国产业界关注的热点。随着纳米材料研究的深入，纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的 材料体系越来越受到人们的关注，这意味着纳米材料的研究已可以按照人 们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希 望的特性

16、，技术上的飞跃，为纳米材料的应用进一步打开市场的大门，在 广泛的领域形成了一大批高技术产品。如信息与通讯方面的磁性存储器、 光学存储器、液晶显示、光学方面的功能性薄膜；电子方面的原件开发， 能源方面的太阳能电源，热敏绝缘体，测量与控制技术方面的传感器；陶 瓷方面的结构陶瓷，功能陶瓷以及其他方面的抗老化橡胶、功能油漆、光 催化降解剂、保洁抗菌材料、超高磁能衡土水磁体等。在纳米材料的市场 增长中，0维-3维结构技术，超精度加工技术，超薄膜生产技术，横向结构 技术所制造的产品最具市场增长潜力。有关研究还表明，在今后 10 年中，纳米材料的市场应用开发的速度还 会加快，因为工业国家纳米材料领域的专利自

17、1993年以来一直以每年20% 以上的速度递增。资料表明，西方工业国家在纳米材料及相关领域的科研 经费投入每年达 75 亿美元左右。国际上在此领域竞争日趋激烈。1.3 本实验主要研究内容本实验采用均匀沉淀法，制备纳米氧化钛粉体，采用 XRD 衍射仪检测产 物表征，希望得到锐钛型二氧化钛和金红石型二氧化钛。通过对照组比较， 得出最佳的制备方案。2 实验实施阶段2.1方案介绍以尿素为沉淀剂宿主，与硫酸钛反应，生成二氧化钛。 尿素的水解反应：CO(NH2)2 + 3H2O= 2NH3H2O + CO2 1氨水电离得到沉淀剂0H-：NH3.H2O=NH4+OH-生成TiO(OH)2沉淀：TiO2+2O

18、H- =TiO(OH) 2偏钛酸煅烧得到 TiO2:TiO(OH)2=TiO2+H2O2.2实验具体实施实验计划设置三组，选取煅烧温度和反应时间两个条件作为变量序号反应时间煅烧温度12h800oC24h800oC32h950oC三组理论产量均设置为10g，所需要的硫酸钛30.35g，尿素20.33g，将硫酸 钛完全溶解至120ml去离子水中，加入尿素，待反应规定时间，过滤出产物， 进行烘干24h，最后在设定温度下进行煅烧，得到产物，计算产率，进行表征 分析。2.3 实验药品和仪器药品：去离子水，无水乙醇，硫酸钛，尿素。-和毗H CHF I .! I 4 |1 JT j 尿浦I Uarh(sf7

19、I 雪干武.fhhfilQS Fl.dilxK 环解iouhss 1 兰 BU dlj.和 I 蠱匚址；=I .-_仪器：XRD衍射仪集热式磁力搅拌器3结果分析与讨论3.1 产率计算序号反应时间煅烧温度产率12h800oC77.8%24h800oC72.4%32h950oC71.4%3.2 表征分析将最终产物用 XRD 衍射仪进行表征分析，其结果如下图：上图为标准组检测结果，很清楚的可以看出最终产物为锐钛型TiO2得到粉体的颗粒度均匀，是合格产品。，上图为第一组和第二组的对比分析，可以看出随着反应时间的延长，产率增长，其他性能没有改变，由于煅烧温度没有改变，所以晶型没有改变，为锐钛型 TiO2

20、。上图可以看出，第三组由于煅烧温度改变，和第一组相比较出现新相，为金红石型TiO2，由于反应时间没有改变，所以产率没有发生交大改变。参考文献李大成，等.纳米TiO2的制备J。四川有色金属，2003. (2)： 2-9. 张梅，等.溶胶凝胶法制备纳米TiO2 J化工新型材料，2002, (1) :35-37.刘朝晖，等.纳米TiO2的制备研究进展J河南化工，2002，(8)： 4.4林玉龙，等纳米二氧化钛的液相合成J微纳电子技术，2003，(3)： 4.宋哲，等纳米TiO2粉体颗粒的表面特征与团聚状态J无机材料学报，1997,(3) :445-448.施利毅，等.微乳液反应法合成二氧化钛超细粒子

21、J功能材料，1999, (5)：495-497.张立德，牟季美.纳米材料和纳米结构J北京：科学出版社，2001.综合实验感想纳米二氧化钛是具有屏蔽紫外线功能和产生颜色效应的一种透明物质。由于 它透明性和防紫外线功能的高度统一，使得它一经问世，便在防晒护肤、塑料薄 膜制品、木器保护、透明耐用面漆、精细陶瓷等多方面获得了广泛应用。特别是 在 80 年代末期，这种能产生诱人的“随角异色”效应的效应颜料被成功地用于 豪华型高级轿车面漆之后，引起了世界范围的普遍关注，发达国家如美、日、欧 等国对此研究工作十分活跃，相继投入了大量人力、物力，并制订了长远规划， 在国际市场竞争激烈迄今，他们已取得许多令人惊

22、异的成果，并已形成高技术纳 米材料产业，生产这种附加值极高的高功能精细无机材料，收到良好的经济效益 和社会效益，纳米氧化物材料也正成为中国产业界关注的热点。 随着纳米材料研究的深入，纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系 越来越受到人们的关注，这意味着纳米材料的研究已可以按照人们的意愿设计、 组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性，技术上的飞 跃，为纳米材料的应用进一步打开市场的大门，在广泛的领域形成了一大批高技 术产品。如信息与通讯方面的磁性存储器、光学存储器、液晶显示、光学方面的 功能性薄膜；电子方面的原件开发，能源方面的太阳能电源，热敏绝缘体，测量 与控制技术

23、方面的传感器；陶瓷方面的结构陶瓷，功能陶瓷以及其他方面的抗老 化橡胶、功能油漆、光催化降解剂、保洁抗菌材料、超高磁能衡土水磁体等。在 纳米材料的市场增长中，0维-3维结构技术，超精度加工技术，超薄膜生产技术， 横向结构技术所制造的产品最具市场增长潜力。有关研究还表明，在今后10年中，纳米材料的市场应用开发的速度还会加快， 因为工业国家纳米材料领域的专利自1993年以来一直以每年20%以上的速度递 增。资料表明，西方工业国家在纳米材料及相关领域的科研经费投入每年达 75 亿美元左右。通过两周的实验，我对材料的制备方法又有了新的认识，在实验中，不断地 发现问题和解决问题，学到的知识在实践中得到了应用，感觉受益匪浅，希望以 后还可以有机会再来实验。同时，感谢刘老师孜孜不倦的教诲，把每一个细节都 耐心的将给我们，不遗余力的帮助我们，是的这次试验成功完成。最后，希望学校可以更新实验仪器，满足教育和科研需求。