[发明专利]一种固态进料纳米二氧化钛微晶的制备方法

说明书

技术领域

本发明一种固态进料纳米二氧化钛微晶的制备方法,属于化学工艺和新材料合成技术领域。具体涉及一种将固态二氧化钛粉体进入富氧的高频等离子态射流气氛中，通过高频等离子体气相沉积法，制备纳米二氧化钛微晶材料的方法。

背景技术

固态TiO2存在三种同素异构体：锐钛型(Anatase)，金红石型(Rutile)和板钛矿型(Brookite)。自然界中常见的为金红石型和锐钛型，其结构可以用Ti-O八面体描述，属四方晶系(Tetragonal system)。作为经典的N型半导体材料，纳米TiO2在催化剂及其载体、陶瓷增塑剂、PTC元件、传感器，紫外线吸收剂以及高档涂料方面有着的广泛应用。如：1987年美国福特公司在金属闪光轿车面漆中首先使用了纳米TiO2；英国TiO2公司已经开发出专门的防晒面霜用纳米TiO2；日本村田珠式会社用纳米TiO2制作出世界上最优良的PTC元件。特别是由于TiO2带隙较宽(锐钛型为3.2eV，金红石型为3.0eV)，且纳米级TiO2具有对吸收带的宽化、蓝移等特点，对400nm以下波长的光有良好的吸收能力，在食品包装、卫生日用品、化妆品、纺织品、塑料薄膜等紫外线吸收及屏蔽材料领域得到应用；加之其热稳定性好、无毒、无味、价廉等优点，自Frank首次将其应用到污染物降解后，已出现纳米材料光催化研究的热潮。据统计，纳米TiO2可处理的有毒有机化合物达80多种。

纳米级TiO2的制备方法分为气相法和液相法两大类。气相法主要是以TiCl4或有机钛盐为前驱体的方法，有气相氧化法、气相合成法、火焰水解法和气相热解法。20世纪80年代中后期，德国Degussa公司、日本钛工业公司采用气相氢氧焰水解法已工业化生产纳米级TiO2。中科院过程工程研究所林发承等（稀有金属, 1979, 5: 14-27）进行了高频等离子体气相法制备纳米TiO2的工艺研究；陈祖耀等（功能材料, 1992 , 23(2): 83-87）和徐海萍等（稀有金属材料与工程, 2005, 34(7): 1089-1093）进行了其粒径大小及晶型控制研究。气相法具有颗粒分散性好，粒度分布窄、纯度高，易控制粒径、且可得到不同比表面积或晶型产品的优点，但存在氯化物原料对设备强腐蚀以及进料口结疤等缺陷。液相法有水热合成法、沉淀法、TiCl4或TiOSO4水解法、溶胶-凝胶法、喷雾干燥法、微乳液法等。Haro-Poniatowsh E.等（J. Mater. Res., 1994, 9(8): 2102-2108）最早采用溶胶-凝胶法制得粒径为6~59nm的TiO2颗粒。液相法存在的缺陷除原料成本高外，主要表现为：工艺过程复杂，基本上为分批操作，不易实现连续生产，且生成的产物易团聚，需进行后处理等。

发明内容

    本发明一种固态进料纳米二氧化钛微晶的制备方法，其目的是克服上述已有技术中工艺过程复杂以及对设备腐蚀等缺陷，公开一种通过固态进料，采用等离子体气相沉积法制备高纯、粒度分布均匀的纳米二氧化钛微晶材料的技术方案。

    本发明一种固态进料纳米二氧化钛微晶的制备方法，其特征在于是一种以微米级固态二氧化钛为原料，通过高频等离子体气相沉积法，并采用自行设计的高频等离子混合-反应系统，在富氧的高频等离子体射流气氛中完成分解和氧化反应，经骤冷，制得粒径范围为20~50nm的纳米二氧化钛微晶的方法，其具体工艺步骤为，

第一步：高频等离子反应系统的设置，

Ⅰ 将材质为不锈钢、套管结构的高频等离子反应器2置于高频等离子发生器1的炬管下部；高频等离子反应器2的内径为15~100mm，长径比为4~10:1，且设有进气口a，

Ⅱ 将材质为不锈钢、套管结构的冷却器3安装于高频等离子反应器2的下端，以法兰相连接；冷却器3的内径为高频等离子反应器2内径的3~10倍，长径比为4~10:1，

Ⅲ 将材质为不锈钢且内设10mm×10mm不锈钢栅格支撑架和50~150目玻璃纤维的产品收集器4入口与冷却器3的出口通过法兰相连接，

Ⅳ 选取引风机5，通过管路与产品收集器4的出口相连接，

Ⅴ 设置辅助装置，先将二氧化钛固态进料器6与载气源7通过管路连接，并将固态进料器6的出口与高频等离子发生器1的炬管进料口b通过管路进行连接；再将工作气体源8与高频等离子发生器1的炬管上进气口c和炬管下进气口d通过管路进行连接；最后将氧气源9与高频等离子反应器2的进气口a通过管路进行连接；