反应时间对钛酸铝粒径和形貌的影响

张 璞

(吕梁学院 化学化工系， 山西 吕梁 033000)

1 引言

随着社会的进步和科技的发展，耐高温、耐腐蚀、抗氧化、耐磨损等优良材料的需要对人类来说越来越迫切。钛酸铝陶瓷材料是一种低热膨胀系数(0.5×10-6-1.5×10-6/℃)和高熔点(1860℃)的新型高温陶瓷材料，是目前低膨胀系数中耐高温功能最好的一种新型材料，得到国内外研究者们的普遍关注[1-2]。除了以上特性，它的热导率也很低(1.5W/m·K)，同时还有抗渣、耐蚀、耐碱的特点，而且钛酸铝陶瓷和许多金属(尤其是有色金属)熔体和玻璃熔体不润湿，可以普遍的应用于化工、陶瓷、冶金、汽车和环保等领域中的一些耐高温、耐腐蚀和抗热震等环境严苛的条件下[3]。钛酸铝材料是由人工合成的钛酸铝粉体经过一定的成型工艺，然后经过高温烧结而形成的，因此钛酸铝粉体的制备是合成钛酸铝材料的重要基础，也是获得钛酸铝材料良好性能的关键[4-7]。所以，要合成具有良好性能的钛酸铝材料，对于钛酸铝粉体的形貌和粒径都有严格的要求。本文通过控制反应时间，制备不同反应时间的钛酸铝粉体，比较钛酸铝粉体的形貌和粒径，从而获得水热法制备形貌粒径较好钛酸铝粉体的最佳反应时间，为之后探究钛酸铝粉体的制备条件和性能研究提供一定的依据。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

2.1.1 试剂

TiCl4，HCl，NaOH，AlCl3，甲酸，无水乙醇，所有试剂均为分析纯。

2.1.2 仪器

表1 实验仪器

2.2 实验过程

(1)用移液枪分别移取2 mL 0.5 mol/L 氯化铝溶液和2 mL 0.5mol/L TiCl4-HCl混合液到50 mL高压反应釜内衬中，再用量筒量取30 mL NaOH溶液，加入混合液中。

(2)向混合液中加入沸石，磁力搅拌30 min。

(3)将内衬放入反应釜中，拧紧后，放入电热鼓风干燥箱，设置温度为160 ℃，密闭反应一定时间，并记录放入时间和取出时间。

(4)反应规定时间后取出，冷却2 h至室温，取出内衬，将所得到的沉淀物抽滤、洗涤，放入90 ℃干燥箱真空干燥，即得钛酸铝粉体，装样品，贴标签。

洗涤过程如下：

①用浓度比为1∶10的甲酸洗涤样品2～3次，每次用量5 mL。

五月，我在省肿瘤医院的病房前，看到一棵流苏树开满了白色的花朵，远观整个树冠像是一片白色的流动的云。近看，每一朵花垂下来的丝绦，绵软光滑，在五月的微风里随风摇曳，温柔的、醉人心的。

②用浓度比为1∶10的乙醇洗涤样品2～3次，每次用量5 mL。

③用蒸馏水洗涤产品若干次。

(5)重复上述步骤，考察不同反应时间(4，6，8，10，12，24，36，48，72 h)对钛酸铝粉体的粒径和形貌的影响。

2.3 结果与讨论

2.3.1 粒径分析

采用粒度分度仪对不同样品的粒径进行了表征比较，所得粒径数据如表2所示。

表2 不同反应时间钛酸铝的粒径参数

从表2可以得出，反应时间为8 h时，中位径最接近1 μm ，均匀性较好且跨度较小。在其他反应条件相同的情况下，反应时间较短时，生成的晶粒显露的晶面指数越高，聚集而成的粒子形态越不规则；随着反应时间的增加，粉体粒径分布变宽，平均粒度增大，晶型规整度增加。随着反应时间的延长，晶体继续长大，粒径也会增大，有的甚至增加到3 μm 左右，粒径降低，有可能出现了大的团聚[8-9]。

不同反应时间下钛酸铝的粒径折线图示于图1。从图1可以看出，在8～10 h时均匀性较好，在8 h时中位径最接近1 μm，且此时跨度也最小，通过激光粒度扫描分析得出结论，8 h的粒径较好。

图1 不同反应时间下钛酸铝的粒径折线图

2.3.2 XRD分析

不同反应时间下合成钛酸铝粉体的XRD谱图如图2所示。从图2中可以得知，该产物的XRD衍射峰在8h时就已形成[10]，故反应时间从8h开始就可形成钛酸铝。从图2还可以看出，反应时间较短(t<6 h)时，形成的衍射峰较少且较弱，说明反应时间较短时，没有形成结晶良好的样品晶粒。随着反应时间的延长，衍射峰逐渐清晰可见。反应时间为8～10 h时，衍射峰最为尖锐，且较窄。时间继续延长，衍射峰有变小的趋势，可能是出现了团聚现象，使得结晶度变小，强度减弱。

图2 不同反应时间下产物的XRD

2.3.3 SEM分析

(a:8 h,b:12 h,c:24 h)

在不同反应时间下合成的钛酸铝粉体的SEM照片如图3所示，从图3可以看出，反应时间为8 h是钛酸铝粉体的均匀性较好，粒度分布较窄，粒径较小，随着时间的变长，钛酸铝晶体的粒度加宽，粒径较大，形貌分布较杂乱。对比图3中(a)，(b)和(c)可知，8 h的形貌分布较好，随着时间加长，钛酸铝的形貌分布均匀性有下降的趋势。

3 实验机理讨论

在反应釜中进行反应时，晶核形成机理主要是“原位结晶”和“生长基元”[11-12]。在时间较短时，反应还未形成结晶良好的样品晶粒，反应不彻底，存在一些还未完全成形的小颗粒，使测得的粒径大小分布不均匀[13-15]。随着时间延长到8 h左右，反应彻底进行，形成了粒径分布均匀的晶粒。时间继续延长，出现了团聚现象，导致晶体的均匀性下降，粒径分布不均。由此可知，钛酸铝的最佳水热反应温度为8 h。

(1)AlCl3的溶液溶于水后电离，其电离方程式为：

AlCl3→Al3++3Cl-

(2)TiCl4溶液与HCl溶液混合后，得到TiCl4-HCl混合液，其过程发生如下反应：

TiCl4+H2O→[Ti(OH)]3++HCl+3Cl-

TiCl4+2H2O→[Ti(OH)2]2++2HCl+2Cl-

TiCl4+3H2O→[Ti(OH)3]++3HCl+Cl-

(3)在TiCl4-HCl混合液中加入NaOH溶液后发生如下反应：

4 结论

采用水热合成法制备微米级钛酸铝粉体，研究了反应时间对粉体粒径和形貌的影响。以AlCl3、TiCl4和NaOH为原料，反应温度为160℃，反应时间为8 h时得到的钛酸铝粉体，结晶性能好，形貌均匀性好、中粒径约1 μm。