專利名稱：一種鈦酸鉀納米線及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦酸鉀納米線及其制備方法，特別是一種直徑小于10納米的高長徑比鈦酸鉀納米線，屬于無機(jī)納米材料及合成技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鈦酸鉀納米線是一種性能十分優(yōu)異的復(fù)合材料增強(qiáng)性納米纖維，具有良好的力學(xué)性能和物理性能，還具有很高的電絕緣性和耐熱隔熱性能(在空氣中1200 oC)。膨脹系數(shù)與塑料相當(dāng)，復(fù)合增強(qiáng)塑料相容性好，表現(xiàn)出良好的耐磨性和潤滑性。在工程塑料、摩擦材料、隔熱、絕緣材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前已有一定數(shù)量的文獻(xiàn)報(bào)道鈦酸鉀納米線的制備方法。但是，所制備的納米線直徑都在100納米以上，比表面積較小，單位質(zhì)量下納米線的數(shù)量較少。并且有些采用高溫固相熔融法，能耗較高，由于高溫下納米線之間容易燒結(jié)，納米線并非以單根的形式獨(dú)立存在。燒結(jié)過程中不斷有堿(K20)熔出，對反應(yīng)容器有嚴(yán)重的腐蝕性。因此，需要尋求一種低能耗，低成本的制備方法，制備具有小直徑、大比表面積、高長徑比和高分散性的鈦酸鉀納米線。八鈦酸鉀(K2Ti8017)通過Ti06八面體邊或頂點(diǎn)共享，形成封閉型的隧道狀結(jié)構(gòu)，具有更為優(yōu)異的耐磨、隔熱和抗沖擊性能。雖然孫曉明、李亞棟等報(bào)道合成了直徑在100納米以下的八鈦酸鉀納米線(Inorg.Chem.2002, 41，4996-4998)。但是，根據(jù)上述文獻(xiàn)中的透射電鏡照片顯示，僅有個(gè)別納米線的直徑較小，在15納米左右，但是，絕大部分的納米線直徑都在20 30之間，形貌并不均一。目前，直徑小于10納米、形貌均一的高分散性八鈦酸鉀(K2Ti8017)納米線未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種鈦酸鉀納米線，其特征在于，為八鈦酸鉀(K2Ti8017)晶型，直徑約在4 9納米之間，長度在100 1000納米之間，形貌均一。本發(fā)明還提供一種鈦酸鉀納米線的制備方法，其特征在于包括如下步驟:
(1)將固相或液相鈦源加入到氫氧化鉀的醇水溶液中，快速攪拌使其形成均勻的懸浮
液；
(2)將由步驟(I)所得的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在373 473K的溫度下進(jìn)行水熱處理24 72小時(shí)；
(3)反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用去離子水及稀鹽酸洗滌，直到洗滌液接近中性，經(jīng)干燥處理后得到鈦酸鉀納米線。步驟(I)中所述的固相鈦源為金紅石型二氧化鈦粉體、銳鈦礦型二氧化鈦粉體、板鈦礦型二氧化鈦粉體中的一種或其組合；所述的液相鈦源為鈦酸正四丁酯、鈦酸異丙酯、硫酸鈦中的一種或其組合。步驟(I)中所述的醇水溶液中，氫氧化鉀的物質(zhì)量濃度為0.5摩爾/升 15摩爾/升；所述的醇為乙醇，所占體積百分比為0% 90%。步驟(I)中所述的固相鈦源加入質(zhì)量與氫氧化鉀的醇水溶液體積比為0.5克/100毫升 5克/100毫升；所述的液相鈦源加入體積與氫氧化鉀的醇水溶液體積比為5毫升/100暈升 20暈升/100暈升。 步驟(3)中所述的稀鹽酸的物質(zhì)量濃度在0.01摩爾/升 0.2摩爾/升之間。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的固相鈦源可以是金紅石型二氧化鈦粉體、銳鈦礦型二氧化鈦粉體或板鈦礦型二氧化鈦粉體，也可以是上述晶型二氧化鈦粉體的混合物；
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的液相鈦源可以是鈦酸正四丁酯、鈦酸異丙酯、硫酸鈦等，也可以是上述兩種或多種液相鈦源的混合物；
在本發(fā)明的另又一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的醇水溶液中所添加的醇為乙醇，所占體積百分比在0% 90%之間。通過上述制備方法得到的鈦酸鉀為K2Ti8017晶型，其晶型與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡片(JCPDS: 41-1100)相吻合。形貌為一維的線形，直徑在4 9納米之間，長度在100 1000納米之間，形貌均一，純度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠大批量合成，可廣泛應(yīng)用于工程塑料，耐磨橡膠，隔熱和絕緣材料等領(lǐng)域。該制備方法工藝和流程簡便，參數(shù)可調(diào)范圍寬，可重復(fù)性強(qiáng)，成本低，是一種具備商業(yè)前景的制備方法。


圖1:由實(shí)施例2制得的鈦酸鉀納米線的X射線粉末衍射圖譜。圖2:由實(shí)施例2制得的鈦酸鉀納米線的透射電鏡照片。圖3:由實(shí)施例2制得的鈦酸鉀納米線的高分辨透射電鏡照片。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，其目的僅在于更好理解本發(fā)明的內(nèi)容。因此，所舉之例并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1:
15毫升硫酸鈦加入到130毫升濃度為3摩爾/升的氫氧化鉀醇水溶液中(乙醇的體積百分比為20%)，在硫酸鈦快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使其混合均勻。然后將懸浮液放入容積為200毫升聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在393K下反應(yīng)60小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用去離子水及稀鹽酸洗滌，直到洗滌液接近中性，干燥處理后得到鈦酸鉀納米線。所制得鈦酸鉀納米線的晶型與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡片(JCPDS: 41-1100)相吻合，納米線直徑約為6納米，長度在100 800納米之間，純度為99%以上。實(shí)施例2:
8毫升鈦酸正四丁酯加入到65毫升濃度為5摩爾/升的氫氧化鉀醇水溶液中(乙醇的體積百分比為10%)，在鈦酸正四丁酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使其混合均勻。然后將懸浮液放入容積為100毫升聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在423K下反應(yīng)48小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用去離子水及稀鹽酸洗滌，直到洗滌液接近中性，干燥處理后得到鈦酸鉀納米線。
所制得鈦酸鉀納米線的晶型與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡片(JCPDS: 41-1100)相吻合，納米線直徑約為7納米，長度在100 1000納米之間，純度為99%以上。實(shí)施例3:
4毫升鈦酸異丙酯加入到35毫升濃度為2摩爾/升的氫氧化鉀醇水溶液中(乙醇的體積百分比為15%)，在鈦酸異丙酯快速水解的同時(shí)劇烈攪拌使其混合均勻。然后將懸浮液放入容積為50毫升聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在413K下反應(yīng)48小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用去離子水及稀鹽酸洗滌，直到洗滌液接近中性，干燥處理后得到鈦酸鉀納米線。所制得鈦酸鉀納米線的晶型與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡片(JCPDS: 41-1100)相吻合，納米線直徑約為5納米，長度在200 800納米之間，純度為99%以上。實(shí)施例4:
3克商用P25型二氧化鈦粉體(德固賽公司P25型二氧化鈦，金紅石與銳鈦礦之比為3:7，平均粒徑30納米)加入到140毫升濃度為10摩爾/升的氫氧化鉀醇水溶液中(乙醇的體積百分比為30%)，同時(shí)快速攪拌使其混合均勻。然后將懸浮液放入容積為200毫升聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在403K下反應(yīng)36小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用去離子水及稀鹽酸洗滌，直到洗滌液接近中性，干燥處理后得到鈦酸鉀納米線。所制得鈦酸鉀納米線的晶型與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡片(JCPDS: 41-1100)相吻合，納米線直徑約為8納米，長度在100 500納米之間，純度為99%以上。實(shí)施例5:` 1.5克金紅石型二氧化鈦粉體加入到65毫升濃度為12摩爾/升的氫氧化鉀醇水溶液中(乙醇的體積百分比為50%)，同時(shí)快速攪拌使其混合均勻。然后將懸浮液放入容積為100毫升聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在453K下反應(yīng)48小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用去離子水及稀鹽酸洗滌，直到洗滌液接近中性，干燥處理后得到鈦酸鉀納米線。所制得鈦酸鉀納米線的晶型與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡片(JCPDS: 41-1100)相吻合，納米線直徑約為9納米，長度在100 1000納米之間，純度為99%以上。實(shí)施例6:
0.8克銳鈦礦型二氧化鈦粉體加入到30毫升濃度為8摩爾/升的氫氧化鉀醇水溶液中(乙醇的體積百分比為0%)，同時(shí)快速攪拌使其混合均勻。然后將懸浮液放入容積為50毫升聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在433K下反應(yīng)72小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用去離子水及稀鹽酸洗滌，直到洗滌液接近中性，干燥處理后得到鈦酸鉀納米線。所制得鈦酸鉀納米線的晶型與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡片(JCPDS: 41-1100)相吻合，納米線直徑約為6納米，長度在100 600納米之間，純度為99%以上。
權(quán)利要求
1.一種鈦酸鉀納米線，其特征在于，為八鈦酸鉀(K2Ti8O17)晶型，直徑約在4 9納米之間，長度在100 1000納米之間，形貌均一。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述一種鈦酸鉀納米線的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)將固相或液相鈦源加入到氫氧化鉀的醇水溶液中，快速攪拌使其形成均勻的懸浮液； (2)將由步驟(I)所得的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在373 473K的溫度下進(jìn)行水熱處理24 72小時(shí)； (3)反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用去離子水及稀鹽酸洗滌，直到洗滌液接近中性，經(jīng)干燥處理后得到鈦酸鉀納米線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種鈦酸鉀納米線的制備方法，其特征在于，步驟(I)中所述的固相鈦源為金紅石型二氧化鈦粉體、銳鈦礦型二氧化鈦粉體、板鈦礦型二氧化鈦粉體中的一種或其組合；所述的液相鈦源為鈦酸正四丁酯、鈦酸異丙酯、硫酸鈦中的一種或其組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種鈦酸鉀納米線的制備方法，其特征在于，步驟(I)中所述的醇水溶液中，氫氧化鉀的物質(zhì)量濃度為0.5摩爾/升 15摩爾/升；所述的醇為乙醇，所占體積百分比為0% 90%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種鈦酸鉀納米線的制備方法，其特征在于，步驟(I)中所述的固相鈦源加入質(zhì)量與氫氧化鉀的醇水溶液體積比為0.5克/100毫升 5克/100毫升；所述的液相鈦源加入體積與氫氧化鉀的醇水溶液體積比為5暈升/100暈升 20暈升/100暈升。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種鈦`酸鉀納米線的制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述的稀鹽酸的物質(zhì)量濃度在0.01摩爾/升 0.2摩爾/升之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈦酸鉀納米線及其制備方法。該鈦酸鉀納米線，為八鈦酸鉀(K2Ti8O17)晶型，直徑約在4~9納米之間，長度在100~1000納米之間，形貌均一。一種鈦酸鉀納米線的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)將固相或液相鈦源加入到氫氧化鉀的醇水溶液中，快速攪拌使其形成均勻的懸浮液；(2)將由步驟(1)所得的懸浮液放入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，在373~473K的溫度下進(jìn)行水熱處理24~72小時(shí)；(3)反應(yīng)結(jié)束后將沉淀產(chǎn)物用去離子水及稀鹽酸洗滌，直到洗滌液接近中性，經(jīng)干燥處理后得到鈦酸鉀納米線。該制備方法工藝和流程簡便，參數(shù)可調(diào)范圍寬，可重復(fù)性強(qiáng)，成本低，是一種具備商業(yè)前景的制備方法。
文檔編號C01G23/00GK103101968SQ20111035209
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者趙斌, 林琳, 陳超, 何丹農(nóng) 申請人:上海納米技術(shù)及應(yīng)用國家工程研究中心有限公司