目录水热法制备超细二氧化钛粉体1.1 超细二氧化钛粉体的性能超微粉体由于粒度小、比表面积大、化学反应活性高而具有一系列特殊的性能,引起了人们的普遍关注,目前已开发出多种微粉体材料。

二氧化钛微粉体的制备报道不多。

二氧化钛微粉体具有良好的耐候性、耐化学腐蚀性、抗紫外线能力强、透明性优异、粒度分布均匀等特点,可用于紫外线吸收剂、化妆品原料、包装材料、涂料、精细陶瓷等行业。

二氧化钛是一种价格便宜且应用极广的材料,制备简单并且无毒、稳定,且抗腐蚀性能好。

日本钛工业公司和日本帝国公司相继开发了超细二氧化钛,已进行工业化生产,并把开发二氧化钛微粉体新产品列为重要课题之一[1 2]。

1.2 超细二氧化钛粉体的应用工业作用二氧化钛是世界上白色粉体，l克二氧化钛可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。

它比常用的白颜料一—锌钡白还要白5倍，因此是调制白油漆的最好颜料。

世界上用作颜料的二氧化钛，一年多到几十万吨。

二氧化钛可以加在纸里，使纸变白并且不透明，效果比其他物质大10倍，因此，钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。

为了使塑料的颜色变浅，使人造丝光泽柔和，有时也要添加二氧化钛。

在橡胶工业上，二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。

半导体二氧化钛的光化学性能已使其可用于许多领域，如空气、水和流体的净化。

以碳或其他杂原子掺杂的光催化剂也可用于具有散射光源的密封空间或区域。

用于建筑、人行石板、混凝土墙或屋顶瓦上的涂料中时，它们可以明显增加对空气中污染物如氮氧化物、芳烃和醛类的分解。

此外还广泛应用于生产防晒霜，无毒性，对人体无害。

超细二氧化钛具有优异紫外光屏蔽性和透明性。

被广泛用在化妆品、木器保护、食品包装塑料、耐久性家用薄膜、人造纤维和天然纤维、透明涂料中。

在金属闪光涂料中的特殊光学效应,使之在高级轿车漆中得到重视和应用。

[2] TiO2粉体的制备作为一种21世纪的新型多功能材料，广泛应用于环境保护、化妆品、涂料、特殊材料的制备以及医药等方面。

在环保领域中的应用目前纳米TiO2在环保领域中主要用于净化水和空气。

在光催化剂方面的应用纳米二氧化钛光催化剂是近年来国际学术界最活跃的研究领域之一。

光催化技术在环境保护、太阳能利用和新功能材料开发等方面具有广阔的应用前景,是具有重大经济效益和社会效益的高新技术。

该技术不会产生二次污染,应用范围相当广泛,且降解反应在常温常压下即可进行。

TiO2的能带是不连续的,价带(VB)和导带(CB)之间存在一个禁带,由于n型半导体的这种特殊的电子结构,当光子能量达到或超过其带隙能时,其价带电子被激发到导带,激活态的导带电子(e-)和价带空穴(h+)能够重新合并,使光能转化为热能而散失。

TiO2+hMyTiO2(h+ + e-)e- + h+→yenergy (hν<hν)h+ +OH→-OHh+ +H2Oy→OH+H+h ++A→A+(A代表有机物)根据电子自旋谐振(ESR)检测,光催化体系中-OH是主要的自由基。

该基团的氧化作用几乎无选择性,可以氧化包括难生物降解化合物在内的众多有机物,还原沉淀吸附无机离子。

金属离子掺杂就是将一定量的杂质金属引入到TiO2晶格中,从而引入缺陷位置或改变结晶度,影响电子与空穴的复合,提高光催化活性。

在空气净化中的应用近年来，随着工业的发展和人们生活水平的提高，空气污染越来越受到人们的重视，环境有害气体主要包括室内有害气体和大气污染气体。

室内有害气体主要有：装饰材料等析出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨等。

纳米TiO2通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质氧化分解，从而使空气中这些物质的浓度降低。

大气污染气体，主要是由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫氧化物。

利用纳米TiO2的催化作用将这些气体氧化成蒸汽压低的硫酸和硝酸，在降雨过程中除去，从而达到降低大气污染的目的。

日本利用氟树脂、纳米TiO2等开发出了一种抗剥离光催化薄板，可利用太阳光有效去除空气中的NOx 气体，薄板表面生成的HNO3可由雨水冲洗掉，保证了催化剂活性的稳定。

在化妆品中的应用纳米TiO2具有优异的紫外线屏蔽作用、透明性以及无毒等特点，使其广泛地应用于防晒霜类护肤产品。

用于防晒的纳米二氧化钛，要求白度低、防晒系数高。

为降低白度，可采用碱式脂肪酸铁盐包覆纳米TiO2颗粒，适当提高其含量，可提高防晒系数。

如当含有10%纳米二氧化钛时，防晒系数可达30。

在涂料中的应用室内的木器在日光灯发出的紫外线照射下，容易发黑，并降低其使用寿命，采用含0.5%~4%纳米TiO2的透明涂料，可使木器不被紫外线损害。

在医药方面的应用在医学上将纳米二氧化钛材料制成介孔分子筛，对小牛血清蛋白进行分离，在医药领域取得了良好的效果，并发现介孔纳米结构材料用于色谱分离具有高效并保持生理活性的优点。

此外，在陶瓷、塑料、纺织以及电子等行业，纳米二氧化钛也具有广阔的应用前景。

随着应用领域的日益扩大，纳米二氧化钛的制备研究逐渐受到国内外生产厂家和研究单位的广泛关注。

其他方面的应用二氧化钛是白色涂料中着色力、遮盖力最强的颜料,所以在涂料行业中是人们熟悉的一种颜料。

纳米级的二氧化钛具有独特的性能:如比表面积大、磁性强、吸收紫外线能力强、表面活性大、热导性好、分散性好等,在涂料领域具有广阔的应用前景。

同时二氧化钛用于化妆品具有安全无毒、屏蔽紫外线、消色力高、遮盖力强或透明度高等优异性能,已越来越受到国内外化妆品配方设计师的青睐,成为高档化妆品中最重要和用量最大的无机添加剂。

1.3 水热法的基本原理水热法常用氧化物或者氢氧化物或凝胶体作为前驱体，以一定的填充比进入高压釜，它们在加热过程中溶解度随温度的升高而增大，最终导致溶液过饱和，并逐步形成更稳定的新相。

反应过程的驱动力是最后可溶解的前驱体或中间产物与最终产物之间的溶解度差，即反应向吉布斯焓减少的方向进行。

但严格来说，水热技术中几种重要的反应机理并不完成相同，即并非都可用这种“溶解—结晶”机理来解释，水热反应的微观机理是急需解决的问题。

同时，反应过程中的有关矿化剂的作用、中间产物对产物的影响等也不十分清楚。

水热生长体系中的晶粒形成可分为以下三种类型：（1）“均匀溶液饱和析出”机制；（2）被广泛采用的“溶解—结晶”机制；（3）“原位结晶”机制。

水热条件下晶体生长包括以下步骤：（1）营养料在水热介质中溶解，以离子、分子或离子团的形式进入溶液（溶解阶段）；（2）由于体系存在十分有效的热流以及溶解区和生长区之间的浓度差，这些离子、分子或离子团被运输到生长区（运输阶段）；（3）离子、分子或离子团在生长界面上的吸附分解与脱附；（4）吸附物质在界面上的运动；（5）结晶。

以上步骤，（3）、（4）、（5）统称为结晶阶段。

水热制备过程可以用传统的成核和生长两个阶段的相关理论描述。

1.4 水热法的影响因素[3]（1）前驱体选择水热反应所用前驱体必须满足有利于水热的合成、尽量减少杂质的污染和保证化学计量比等要求。

例如，采用水热法制备陶瓷粉体时所使用的前驱体的选择关系到最终粉体的质量以及制备工艺的复杂程度，影响到粉体晶粒的合成机制等。

水热法制备粉体所选的前驱体与最终产物在水热溶液中应有一定的溶解度差，以推动反应向生成的方向进行；前驱体应保证不与衬底反应，并且前驱体所用的其他杂质，不参与反应保证材料的纯度，另外，还应考虑制备工艺因素影响。

（2）介质选择在水热法合成的过程中，介质的选择是关键。

溶剂不仅为反应提供了一个反应场所，而且是反应物溶解或部分溶解，生成溶剂化合物，溶剂化过程会影响反应速率。

溶剂的一些物理性质，在很大程度上也决定它的适用范围。

这些性质主要有熔点、沸点、熔化热、介电常数和黏度等。

溶剂的作用是使反应物充分接触，水热的研究是物质在中温、密封高压条件下溶液中的化学反应规律，所以反应物应完全或部分溶解在溶剂中。

选择水热法的合成溶剂是，应充分考虑反应物的性质、生成物的性质和溶剂的性质。

（3）水热反应的主要影响因素温度。

水热反应温度能够影响化学反应过程中的物质性质，影响生成物的种类。

反应温度还影响生成物的晶粒粒度。

实验结果证明，当反应时间一定时，水热反应温度越高，晶粒平均粒度越大，晶粒分布范围越宽。

在温差和其他物理、化学条件恒定的情况下，晶体生长速率一般随着温度的提高而加快。

压强。

在水热实验中，压强不仅是选择反应设备的标准，而且还影响反应物的溶解度，从而影响反应速率以及产物的形貌和粒度。

在一定温度和溶剂你浓度条件下，高压釜内的压强高低取决于填充度的大小，填充度越大，压强越大。

人们往往通过控制填充度的大小来控制压强。

pH值。

pH值在晶体生长、材料合成与制备以及工业处理等过程中伴有极为重要的角色，它会影响过饱和度、动力学、形态和颗粒大小等。

改变溶液的pH 值，不但可以影响溶质的溶解度、影响晶体的生长速率，更重要的是改变溶液中生长基元的结构，并最终决定晶体的结构、形状、大小和开始结晶的温度。

反应时间。

晶粒粒度会随着水热反应时间的增长而逐渐增大。

杂质。

水热反应中，有些杂质可以改善物质的性能。

在生长晶体时以适当比例掺入特定的杂质可以改变生成晶体的结构和颜色，以获得具有特殊性能的晶体材料。

杂质不仅可以改变晶体的结构和颜色，还会影响晶体的形貌。

2. TiO2超细粉体的制备设计方案高压反应釜的体积为10L，反应釜的最大压强为30MPa。

以无水TiCl4为原料，取一只大量型的量筒，将其放进干燥箱中进行彻底干燥后（因为TiCl4极易被水解）取出，多次量取无水TiCl4溶液，最终的量达到173mL，将所量取的无水TiCl4依次倒入已经洗干净的、并且已经干燥过的高压反应釜的内衬中。

取1.4L 的去离子蒸馏水并快速倒入高压反应釜的内衬中。

反应温度设为120℃，反应时的浮动温度为0.5℃之间，在高压反应釜中的反应时间为10 h。

反应量完全反应后则反应釜进行冷却，冷却后，将悬浮液高速离心分离，并用去离子水进行洗涤。

最终在80℃的干燥箱中进行干燥10 h，550℃煅烧5 h得到最终产物。

TiCl4的密度为1.73g/ml、摩尔的物质量为189.71g/mol；TiO2的摩尔的物质量为79.86g/mol；TiCl4的物质量为n(TiCl4）=(173ml×1.73g/ml)÷189.71g/mol≈1.57 mol H2O的物质量为n(H2O) =(1.4L×1000g/L)÷18g/mol≈77.78 mol反应方程式为（完全反应）：TiCl4 + 2H2O →TiO2 + 4HCl初： 1.57mol 77.78mol 0 0反应量： 1.57mol 3.14mol 1.57mol 6.28mol后：0 74.64mol 1.57mol 6.28mol反应中水的消耗量=3.14×18÷1.0=56.52ml填充比=物料的体积÷反应釜的总体积1）反应前的物料填充比：TiCl4 的填充比=173ml÷10L=0.0173；H2O 的填充比=1.4L÷10L=0.14总填充比=0.0173+0.14=0.1572）理论产量=1.57mol×79.86g/mol≈125.38g反应物料填充比表格2.2 制备流程：选择反应物（H2O、TiCl4）↓确定物料配方（173ml TiCl4、1.4L H2O）↓（洗净与干燥使用设备仪器）裝釜、封釜↓确定反应温度、压力、时间等实验条件（温度为120℃、最大压强为30MPa、时间为10 h）↓冷却、开釜↓（去离子水洗涤）液、固分离↓（去离子水洗涤并用AgNO3检验）干燥（温度为80℃、时间为10 h）↓煅烧（温度为550℃、时间为5 h）水热法制备超细TiO2粉体的工艺流程图3 干燥过程3.1 干燥的介绍[4]定义：用加热的方法排除固体物料中水分的过程称为干燥。