鈦酸鉀晶須的制備及其現代綜合應用

劉珂帆，崔海寧，劉亦菲

（沈陽師范大學 化學化工學院，遼寧沈陽 110034)

鈦酸鉀晶須的制備及其現代綜合應用

劉珂帆，崔海寧，劉亦菲

（沈陽師范大學 化學化工學院，遼寧沈陽 110034)

鈦酸鉀晶須是一種功能優良且用處廣泛的的合成纖維，其具有出色的力學性質和物理性質，應用十分普遍。介紹了鈦酸鉀晶須的分類及特性，以及其制備方法。根據不同的鈦酸鉀晶須的特性，詳細介紹了其現代的綜合應用。

鈦酸鉀晶須；合成方法；應用

晶須是在人為調控下以單晶形態生長，由純度極高的單晶生長而成的，具備固定長徑比的微納米級的短纖維。它具備很好的耐高溫、耐高熱、高強度、高彈性模量等特征，作為塑料、金屬、陶瓷等的改性加強材料時顯現出極佳的物理、化學性能和出色的力學性能[1]。

鈦酸鉀晶須是外形為針狀晶體且具備良好性能的合成纖維。其分子化學式為 K2O · n TiO2，n=1，2，4，6，8。其內部結構通常會隨著n值的不同而隨之改變。一般來說，當 n=2，4 時出現層狀構造，n=6，8 時出現隧道式構造。因四鈦酸鉀晶須 K2O · 4Ti O2和六鈦酸鉀晶須 K2O · 6TiO2的性價比較高，價格便宜且性質優良，所以在工業上廣泛使用。其中四鈦酸鉀晶須由于化學性質十分活潑，所以應用較少。將在鈦酸鉀晶須的制備及四鈦酸鉀晶須和六鈦酸鉀晶須的綜合應用方面進行進一步的探索。

1 鈦酸鉀晶須的制備方法

鈦酸鉀晶須最初是作為航天用高溫隔熱材料由美國杜邦公司開發出來的，但其昂貴的價錢控制了它的規模化運行[1]。而現如今制備鈦酸鉀晶須的方法有：燒結法、KDC法、熔融法、助熔劑法、水熱法、急冷燒結結晶法、緩冷燒結結晶法等[3-5]。

1.1 燒結法

燒結法是工業上制備鈦酸鉀晶須的主要辦法之一，主要是以鈦酸鉀及二氧化鈦為主要原料進行制備。按照固定的摩爾比進行配置，在600～1 200℃的溫度下進行反應，在纖維生長過程中要求控制條件為慢冷。若想提高鈦酸鉀晶須的產率，可以在實驗中加入少量的氯化鉀。此方法因為操作簡略易懂，所以適宜工業生產。但由于結晶性不好，纖維短等缺點，還需要進行復雜的處理才會得到較為純凈的鈦酸鉀晶須。

1.2 KDC法

因為燒結法存在著某些缺陷，因而也衍生出了許多改進燒結法的制備辦法。KDC法就是其中之一，此方法與燒結法的不同之處，其一是溫度設置在1 000～1 100℃；其二是此方法的生產特點也與眾不同，是用水將 K2CO3和 TiO2混合成漿，等到干燥后再進行燒結。此方法結晶性能高，所以適用于工業的規模化制備。但此方法也有工藝繁瑣和消耗能量較高等缺點。

1.3 熔融法

熔融法也是以鈦酸鉀及二氧化鈦為主要原料進行制備，但溫度是在1 200～1 500℃。此方法是熔融驟冷后得到二鈦酸鉀，再以此制取四鈦酸鉀及六鈦酸鉀。這種方法能夠得到與反應物組成相同的單晶體，但也存在著工業收率低，反應溫度高的弊端。

1.4 助熔劑法

助熔劑法是以K2CO3，TiO2和K2MoO4為原料，在900～1 300℃的溫度下進行。此方法是將K2MoO4或 K2WO4等作助熔劑作為該方法的主要特點。利用此方法可以制得的鈦酸鉀晶須產率高，并且可以得到單晶纖維，結晶性好等優點。但此方法的助熔劑價格高昂，循環費用價格也比較高。

1.5 水熱法

水熱法是指在密封的壓力容器中，以水或其余液體作為介質，在高溫高壓下制備無機化合物晶體或粉體的一種化學合成辦法。用水熱法制備鈦酸鉀晶須是在加壓的條件下，以氫氧化鉀和二氧化鈦為原料，在400～800℃的溫度下制得的。該方法是采用熔媒在水的臨界狀態進行的高溫高壓合成的特點，可以得到長（最長 20mm）的結晶纖維。也正是由于條件要求比較高，需要高溫高壓的條件，所以具有對實驗儀器的要求較高，危險性大，價格昂貴等缺點。

2 鈦酸鉀晶須的現代綜合應用

層間鉀離子在晶體狀態下具有的不穩定狀態是四鈦酸鉀晶須和二鈦酸鉀晶須的使用依據[1]。鉀離子在四鈦酸鉀晶體中的活性較二鈦酸鉀晶體中更大，主要是由于其較大的層間距離。在核廢料的處置過程中，有少數國家使用四鈦酸鉀晶須來使核廢料中具有放射性的重金屬廢料得以清除。在隔熱、摩擦材料、工程塑料等材料的制作過程中，六鈦酸鉀晶須運用的廣泛普及都源于其優異的性能。以下為主要使用六鈦酸鉀晶須的范圍[1]：

2.1 作聚合物的強化材料

六鈦酸鉀晶須能夠起到高分子聚合物的增強劑作用。玻璃纖維具有的容易出現機械強度差的貧纖維區、很難在復雜模具內均勻分散以及粗纖維的弊端在六鈦酸鉀晶須均予以克服，同時其優點還包括在樹脂中分散性強、長徑比大、尺寸小等。

2.2 耐磨耗材料

離合器襯片、盤式襯墊、汽車的剎車片均能使用六鈦酸鉀晶須。相比之前的石面材料，六鈦酸鉀晶須的優勢是磨耗量降低、摩擦力加大。廣泛使用在載重車輛長坡道制動領域中。同時不與水反應、不存在吸濕性是六鈦酸鉀晶須使用中的另一特色，能夠很大程度改進材料功能。

2.3 隔熱材料和涂料用原材料

對紅外線具有強反射作用以及強隱蔽能力使得六鈦酸鉀晶須常用于造紙過程中的白色顏料，此外，還能夠用作隔熱耐熱涂料和紅外線反射涂料制作過程中的原材料，在機械、建材等涂層領域運用很普及。作為隔熱材料的一大優勢就是六鈦酸鉀晶須在高溫條件下具有低傳導率的性能。

[1] 李武.無機晶須[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2] 賈巧英，馬曉燕，梁國正，等.晶須及其在高分子材料中的應用[J].高分子通報，2002，（6）：71-78.

[3] 蔣志杰，黃繼芬，張毅.生產六鈦酸鉀晶須的方法：中國，1346803A[P].2002-5-1.

[4] 隗學禮，趙寬放.鈦酸鉀晶須制備方法：中國，1093760A[P].1994-10-19.

[5] 馮新，楊祝紅，陸小華，六鈦酸鉀晶須的制造方法：中國，1323924A[P].2001-11-28.

[6] 馮新，呂家禎，陸小華，等.鈦酸鉀晶須在復合材料中的應用[J].復合材料學報，1999，16（4）：1-7.

[7] 韓躍新，印萬忠，王澤紅，等.礦物材料[M].北京：科學出版社，2005.

[8] 魏明，王春波，乃學瑛，等.無機晶須研究進展Ⅰ：鈦酸鉀晶須的制備及應用[J].鹽湖研究，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年沈陽師范大學大學生科研基金A項目（L2016003）

劉珂帆（1997—），女，遼寧大連人，本科在讀，主要研究方向為化學。