[发明专利]二氧化钛的制备方法以及制备装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种工艺效率性以及生产性优秀，并且环保的二氧化钛的制备方法以及制备装置。

背景技术

二氧化钛(TiO₂)是一个过渡金属钛原子与氧原子结合而成的分子，分子量为79.866g/mol。这样的二氧化钛具有稳定的物理性质以及化学性质，折射率在2.5以上，甚至大于天然材料中折射率最高的钻石。当折射率高时，在光学材料中从折射率低的介质向外部射出的光的量会大，因此在光波导型中，可减小光波导核心的大小或光学透镜的厚度。此外，当将高折射率粒子分散于高分子介质中时，散射光的能力优秀，因而进一步提高白度。因此，二氧化钛由于其高折射率特性，很久以前开始就已成为用作白色颜料的重要的工业材料之一。

在结晶结构方面，二氧化钛有锐钛矿(anatase)、板钛矿(brookite)、金红石(rutile)三种晶形。若想用作白色颜料，则要求具备优秀的折射指数，因此主要使用其中的锐钛矿型和金红石型。在结晶结构方面，锐钛矿型和金红石型的共同点在于，基本的单位为六个氧原子(O^2-)围绕在钛离子(Ti⁴⁺)周围的八面体(octahedra,TiO₆^2-)。但是，金红石型为略微偏斜的斜方晶系，而锐钛矿型是八面体严重偏斜，因而对称性远低于斜方晶系的结构。此外，在金红石结构中结晶单位进行线接触，而锐钛矿型是结晶单位以点接触方式相连的形态。由于这样的结构区别，金红石型的折射指数最大，并且作为白色颜料所需的隐蔽力以及着色力也优秀。

二氧化钛的工业制备方法有氯法和硫酸法、利用醇盐的溶胶-凝胶法等。

硫酸法粉碎钛铁石，并使其与浓硫酸进行反应，从而生成硫酸氧钛(TiOSO₄)。对该硫酸氧钛进行水解，得到偏钛酸(TiO(OH)₂)，并在800℃至1000℃下对此进行煅烧，使锐钛矿型的二氧化钛生长之后，得到所需大小的二氧化钛，然后进一步在1100℃以上温度下对锐钛矿型的二氧化钛进行第二次煅烧，从而制备金红石型的二氧化钛。

该方法有利于大量生产，但由于使用高浓度的硫酸，在水洗工序中消耗大量的水，并且生成硫酸铁等废弃物，因而环境处理成本巨大。此外，需要进行高温热处理和苛酷的粉碎工序，因此设备成本较高，并且由于混入较多的杂质，大幅降低最终产品的品质。

氯法使二氧化钛的纯度高达90％以上的天然金红石、合成金红石等原矿石在高温下与氯气进行反应，得到纯度较低的四氯化钛(TiCl₄)气体，然后对此进行精制，并在高温气相条件下与1000℃左右的加热氧气一同形成二氧化钛粒子。这样的氯法能够获得纯度较高的金红石型二氧化钛，但无法制备锐钛矿型二氧化钛，并且在反应过程中生成危险性较高的腐蚀性气体(HCl、Cl₂)，因此需要相应的保护设备，并且氯气的价格高，因而生产成本较高。

溶胶-凝胶法将四异丙醇钛(titanium tetraisopropoxide)、四丁醇钛(titanium tetrabutoxide)等钛醇盐(titanium alkoxide)放入诸如酒精或水的溶剂中，并通过水解反应生成二氧化钛溶胶(titania sol)，然后进行热处理。该方法的优点在于，粒子较小，纯度高，有利于薄膜涂覆，相反，其缺点在于，由于使用高价的原料，产品的价格非常高。

现有的二氧化钛制备方法存在工艺复杂、生产成本高、收率低并且生产性低的问题，而且处理物质和工艺危险，环境负担极高。因此，提出了用于改善二氧化钛制备方法的各种技术。

作为一例，韩国授权专利第10-1565477号提出了一种采用硫酸法的氧化钛衍生物制备方法，其在水解步骤之前或之后进行加压步骤，从而调节二氧化钛纳米粒子的大小。

此外，韩国公开专利第2015-0072264号提出了一种二氧化钛凝胶制备技术，其在特定高温、高压条件下进行水热合成反应以及水系合成反应，从而改善氧化钛纳米粒子的分散性以及透明性。

此外，韩国公开专利第2015-0076898号提出了一种通过钛铁石与氟化物的反应连续地制备二氧化钛的技术，但由于混合了干法工艺和湿法工艺，实际上难以适用于常用设备的连续工艺。不仅如此，还因使用固状的氟化物而降低效率，制备时间变长，并且在工艺的各个步骤中生成的副产物都被废弃，因此有可能引发环境污染。