钛酸钾晶须的制备及其现代综合应用

刘珂帆，崔海宁，刘亦菲

（沈阳师范大学 化学化工学院，辽宁沈阳 110034)

钛酸钾晶须的制备及其现代综合应用

刘珂帆，崔海宁，刘亦菲

（沈阳师范大学 化学化工学院，辽宁沈阳 110034)

钛酸钾晶须是一种功能优良且用处广泛的的合成纤维，其具有出色的力学性质和物理性质，应用十分普遍。介绍了钛酸钾晶须的分类及特性，以及其制备方法。根据不同的钛酸钾晶须的特性，详细介绍了其现代的综合应用。

钛酸钾晶须；合成方法；应用

晶须是在人为调控下以单晶形态生长，由纯度极高的单晶生长而成的，具备固定长径比的微纳米级的短纤维。它具备很好的耐高温、耐高热、高强度、高弹性模量等特征，作为塑料、金属、陶瓷等的改性加强材料时显现出极佳的物理、化学性能和出色的力学性能[1]。

钛酸钾晶须是外形为针状晶体且具备良好性能的合成纤维。其分子化学式为 K2O · n TiO2，n=1，2，4，6，8。其内部结构通常会随着n值的不同而随之改变。一般来说，当 n=2，4 时出现层状构造，n=6，8 时出现隧道式构造。因四钛酸钾晶须 K2O · 4Ti O2和六钛酸钾晶须 K2O · 6TiO2的性价比较高，价格便宜且性质优良，所以在工业上广泛使用。其中四钛酸钾晶须由于化学性质十分活泼，所以应用较少。将在钛酸钾晶须的制备及四钛酸钾晶须和六钛酸钾晶须的综合应用方面进行进一步的探索。

1 钛酸钾晶须的制备方法

钛酸钾晶须最初是作为航天用高温隔热材料由美国杜邦公司开发出来的，但其昂贵的价钱控制了它的规模化运行[1]。而现如今制备钛酸钾晶须的方法有：烧结法、KDC法、熔融法、助熔剂法、水热法、急冷烧结结晶法、缓冷烧结结晶法等[3-5]。

1.1 烧结法

烧结法是工业上制备钛酸钾晶须的主要办法之一，主要是以钛酸钾及二氧化钛为主要原料进行制备。按照固定的摩尔比进行配置，在600～1 200℃的温度下进行反应，在纤维生长过程中要求控制条件为慢冷。若想提高钛酸钾晶须的产率，可以在实验中加入少量的氯化钾。此方法因为操作简略易懂，所以适宜工业生产。但由于结晶性不好，纤维短等缺点，还需要进行复杂的处理才会得到较为纯净的钛酸钾晶须。

1.2 KDC法

因为烧结法存在着某些缺陷，因而也衍生出了许多改进烧结法的制备办法。KDC法就是其中之一，此方法与烧结法的不同之处，其一是温度设置在1 000～1 100℃；其二是此方法的生产特点也与众不同，是用水将 K2CO3和 TiO2混合成浆，等到干燥后再进行烧结。此方法结晶性能高，所以适用于工业的规模化制备。但此方法也有工艺繁琐和消耗能量较高等缺点。

1.3 熔融法

熔融法也是以钛酸钾及二氧化钛为主要原料进行制备，但温度是在1 200～1 500℃。此方法是熔融骤冷后得到二钛酸钾，再以此制取四钛酸钾及六钛酸钾。这种方法能够得到与反应物组成相同的单晶体，但也存在着工业收率低，反应温度高的弊端。

1.4 助熔剂法

助熔剂法是以K2CO3，TiO2和K2MoO4为原料，在900～1 300℃的温度下进行。此方法是将K2MoO4或 K2WO4等作助熔剂作为该方法的主要特点。利用此方法可以制得的钛酸钾晶须产率高，并且可以得到单晶纤维，结晶性好等优点。但此方法的助熔剂价格高昂，循环费用价格也比较高。

1.5 水热法

水热法是指在密封的压力容器中，以水或其余液体作为介质，在高温高压下制备无机化合物晶体或粉体的一种化学合成办法。用水热法制备钛酸钾晶须是在加压的条件下，以氢氧化钾和二氧化钛为原料，在400～800℃的温度下制得的。该方法是采用熔媒在水的临界状态进行的高温高压合成的特点，可以得到长（最长 20mm）的结晶纤维。也正是由于条件要求比较高，需要高温高压的条件，所以具有对实验仪器的要求较高，危险性大，价格昂贵等缺点。

2 钛酸钾晶须的现代综合应用

层间钾离子在晶体状态下具有的不稳定状态是四钛酸钾晶须和二钛酸钾晶须的使用依据[1]。钾离子在四钛酸钾晶体中的活性较二钛酸钾晶体中更大，主要是由于其较大的层间距离。在核废料的处置过程中，有少数国家使用四钛酸钾晶须来使核废料中具有放射性的重金属废料得以清除。在隔热、摩擦材料、工程塑料等材料的制作过程中，六钛酸钾晶须运用的广泛普及都源于其优异的性能。以下为主要使用六钛酸钾晶须的范围[1]：

2.1 作聚合物的强化材料

六钛酸钾晶须能够起到高分子聚合物的增强剂作用。玻璃纤维具有的容易出现机械强度差的贫纤维区、很难在复杂模具内均匀分散以及粗纤维的弊端在六钛酸钾晶须均予以克服，同时其优点还包括在树脂中分散性强、长径比大、尺寸小等。

2.2 耐磨耗材料

离合器衬片、盘式衬垫、汽车的刹车片均能使用六钛酸钾晶须。相比之前的石面材料，六钛酸钾晶须的优势是磨耗量降低、摩擦力加大。广泛使用在载重车辆长坡道制动领域中。同时不与水反应、不存在吸湿性是六钛酸钾晶须使用中的另一特色，能够很大程度改进材料功能。

2.3 隔热材料和涂料用原材料

对红外线具有强反射作用以及强隐蔽能力使得六钛酸钾晶须常用于造纸过程中的白色颜料，此外，还能够用作隔热耐热涂料和红外线反射涂料制作过程中的原材料，在机械、建材等涂层领域运用很普及。作为隔热材料的一大优势就是六钛酸钾晶须在高温条件下具有低传导率的性能。

[1] 李武.无机晶须[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2] 贾巧英，马晓燕，梁国正，等.晶须及其在高分子材料中的应用[J].高分子通报，2002，（6）：71-78.

[3] 蒋志杰，黄继芬，张毅.生产六钛酸钾晶须的方法：中国，1346803A[P].2002-5-1.

[4] 隗学礼，赵宽放.钛酸钾晶须制备方法：中国，1093760A[P].1994-10-19.

[5] 冯新，杨祝红，陆小华，六钛酸钾晶须的制造方法：中国，1323924A[P].2001-11-28.

[6] 冯新，吕家祯，陆小华，等.钛酸钾晶须在复合材料中的应用[J].复合材料学报，1999，16（4）：1-7.

[7] 韩跃新，印万忠，王泽红，等.矿物材料[M].北京：科学出版社，2005.

[8] 魏明，王春波，乃学瑛，等.无机晶须研究进展Ⅰ：钛酸钾晶须的制备及应用[J].盐湖研究，2004，12（4）：58-62.

Preparation of Potassium Titanate Whisker and Its Modern Integrated Application

Liu Ke-fan，Cui Hai-ning，Liu Yi-fei

Potassium titanate whiskers are an excellent and widely used synthetic fiber.It hasexcellent mechanical properties and physical properties，the application is very extensive.In this review，the classification and properties of potassium titanate whiskers were introduced.The different preparation methods of potassium titanate whiskers were introduced in detail.According to the characteristics of different potassium titanate whiskers，it introduces its modern integrated application in detail.

potassium titanate whiskers；resolve resolution；Application

TQ134.11

B

1003–6490（2017）11–0119–02

2017–09–12

2017年沈阳师范大学大学生科研基金A项目（L2016003）

刘珂帆（1997—），女，辽宁大连人，本科在读，主要研究方向为化学。