溶胶-凝胶法制备高纯钛酸钡粉体的研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0306

摘要/Abstract

摘要：

钛酸钡在电子工业中应用广泛，被誉为“电子陶瓷工业的支柱”。针对传统溶胶-凝胶法制备钛酸钡多使用有机溶剂和有机金属盐作为原料，存在原料成本高及三废排放等问题。该研究以贵州储量丰富的重晶石矿为原料，重晶石经碳热还原、热水浸取、酸化结晶等步骤制得高纯硝酸钡；再以水为溶剂，采用溶胶-凝胶法，以硝酸钡和无机钛盐为原料通过水解、陈化、蒸发、脱水、焙烧等步骤，制备得到高纯钛酸钡粉体。重点探究了溶胶-凝胶工艺条件对钛酸钡纯度及晶相的影响，获得以水为溶剂的溶胶-凝胶法高纯钛酸钡制备方法；在物料比n（硝酸钡）∶n（硝酸氧钛）∶n（柠檬酸）=1∶1.01∶2、焙烧温度为1 100 ℃、焙烧时间为180 min的最佳工艺条件下，制备所得高纯钛酸钡粉体为四方晶相，主要成分的质量分数达 99.85%，满足HG/T 3587—2009《电子工业用高纯钛酸钡》的要求，为重晶石的高价值利用提供了理论和可行性指导。

关键词: 重晶石, 硝酸钡, 溶胶-凝胶法, 钛酸钡

Abstract:

Barium titanate is widely used in the electronics industry and known as“the pillar of the electronic ceramic industry”.The traditional sol-gel method mainly uses organic solvents and organometallic salts as raw materials to prepare barium titanate，which has problems such as high raw material cost and three wastes discharge.In this study，high purity barium nitrate was prepared by carbothermic reduction，hot water leaching，acidification and crystallization of barite from abundant barite ore in Guizhou province.High purity barium titanate powder was prepared by sol-gel method using water as solvent and barium nitrate and inorganic titanium salt as raw materials through hydrolysis，aging，evaporation，dehydration and roasting.The effect of sol-gel process conditions on the purity and crystal phase of barium titanate was focused，and a sol-gel method with water as solvent was obtained to prepare high purity barium titanate.Under the optimum conditions of material ratio n（barium nitrate）∶n（barium nitrate）∶n（citric acid）=1∶1.01∶2，roasting temperature of 1 100 ℃ and roasting time of 180 min，the high purity Barium titanate powder was prepared as tetraneous crystal phase with principal component content of 99.85%.The quality met the requirements of HG/T 3587—2009 “high purity barium titanate for electronic industry”.This study provided theoretical and feasible guidance for the high value utilization of barite.

Key words: barite, barium nitrate, sol-gel method, barium titanate

中图分类号:

TQ132.35

冯伦伟, 刘艳, 谢燕. 溶胶-凝胶法制备高纯钛酸钡粉体的研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(12): 56-61.

FENG Lunwei, LIU Yan, XIE Yan. Study on preparation of high purity barium titanate powder by sol-gel method[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2024, 56(12): 56-61.

图/表 12

图1

表1

图2

图3

图4

表2

图5

图6

图7

图8

图9

表3

参考文献 22

[1]	王鸽.稀土尾矿中重晶石的提纯增白试验研究［J］.中国非金属矿工业导刊，2023（6）：60-63，83.
	WANG Ge.Experimental study on purification and whitening of barite in rare earth tailings［J］.China Non-metallic Minerals Industry，2023（6）：60-63，83.
[2]	张怡婷，钟怡江，王春连，等.中国重晶石矿床分布特征、成因类型、资源应用现状及其展［J/OL］.中国地质：1-30［2024-07-08］..
	ZHONG Yijiang， WANG Chunlian，et al.Distribution characteristics，genetic types，resource application status and prospect of barite deposit in China［J/OL］.Geology of China：1-30［2024-07-08］..
[3]	阎振宗，王东.贵州天柱重晶石回转窑还原焙烧生产工艺研究［J］.无机盐工业，2021，53（4）：73-75，94.
	YAN Zhenzong， WANG Dong.Study on rotary kiln reduction roasting production process of barite in tianzhu of guizhou［J］.Inorganic Chemicals Industry，2021，53（4）：73-75，94.
[4]	耿铁，石大磊，李斌，等.钻井离心机重晶石沉降规律及回收效率分析［J/OL］.机械设计与制造，2024：1-6.Doi：10.19356/j.cnki.1001-3997.20240517.016.
	GENG Tie， SHI Dalei， LI Bin，et al.Analysis on settling rule and recovery efficiency of barite in drilling centrifuge［J］.Machinery Design and Manufacture，2024：1-6.Doi：10.19356/j.cnki.1001-3997.20240517.016.
[5]	邹清栎，邹建新.钛酸钡基电子陶瓷材料的改性进展［J］.无机盐工业，2022，54（6）：46-54.
	ZOU Qingli， ZOU Jianxin.Modification progress on barium titanate-based electronic ceramic materials［J］.Inorganic Chemicals Industry，2022，54（6）：46-54.
[6]	王洋，黄聪，李珍.重晶石资源现状及材料化应用［J］.矿产保护与利用，2020，40（6）：26-32.
	WANG Yang， HUANG Cong， LI Zhen.Status quo and materialized application of barite resources［J］.Conservation and Utilization of Mineral Resources，2020，40（6）：26-32.
[7]	李雪梅，黄福祥，龙敏，等.甘氨酸对固相法合成钛酸钡粉体的影响［J］.无机盐工业，2023，55（7）：65-69，74.
	LI Xuemei， HUANG Fuxiang， LONG Min，et al.Effect of glycine on solid-state synthesis of barium titanate powder［J］.Inorganic Chemicals Industry，2023，55（7）：65-69，74.
[8]	上官明楠，王超莹，赵昀云，等.四方相纳米钛酸钡粉体的制备及性能研究［J］.绝缘材料，2024，57（2）：53-59.
	SHANGGUAN Mingnan， WANG Chaoying， ZHAO Yunyun，et al.Study on preparation and properties of tetragonal phase nano-Barium titanate powder［J］.Insulating Materials，2024，57（2）：53-59.
[9]	邵志鹏，江伟辉，冯果，等.沉淀法和NHSG法制备钛酸钡纳米粉体的对比研究［J］.陶瓷学报，2016，37（1）：44-48.
	SHAO Zhipeng， JIANG Weihui， FENG Guo，et al.Comparative study on the preparation of BatiO₃ nano powder via precipitation method and NHSG method［J］.Journal of Ceramics，2016，37（1）：44-48.
[10]	梁雅璐.超重力共沉淀法制备钐掺杂钛酸钡及性能研究［D］.太原：中北大学，2023.
	LIANG Yalu.Preparation and properties of samarium doped Barium titanate by high gravity coprecipitation method［D］.Taiyuan：North University of China，2023.
[11]	汤黎辉，张群飞，马金明，等.水热法制备BaTiO₃纳米粉体［J］.佛山陶瓷，2023，33（9）：65-66，72.
	TANG Lihui， ZHANG Qunfei， MA Jinming，et al.The preparation of BaTiO₃ nanopowder with hydrothermal process［J］.Foshan Ceramics，2023，33（9）：65-66，72.
[12]	李江.锆钛酸钡铁电薄膜的溶胶-凝胶法制备及性能研究［D］.南京：南京邮电大学，2023.
	LI Jiang.Preparation and properties of Barium zirconate titanate ferroelectric thin films by sol-gel method［D］.Nanjing：Nanjing University of Posts and Telecommunications，2023.
[13]	ACHKAR M， FASQUELLE D， DUPONCHEL B，et al.Electrocaloric characterization of samarium doped Barium titanate ceramics synthesized by sol-gel process［J］.Ceramics International，2024，50（8）：13794-13801.
[14]	JIANG Beibei， IOCOZZIA J， ZHAO Lei，et al.Barium titanate at the nanoscale：Controlled synthesis and dielectric and ferroelectric properties［J］.Chemical Society Reviews，2019，48（4）：1194-1228.
[15]	HAO Yanan， WANG Xiaohui， KIM J，et al.Rapid formation of nanocrystalline BaTiO₃ and its highly stable sol［J］.Journal of the American Ceramic Society，2014，97（11）：3434-3441.
[16]	LIU Shuangyi， HUANG Limin， LI Wanlu，et al.Green and scalable production of colloidal perovskite nanocrystals and transparent sols by a controlled self-collection process［J］.Nanoscale，2015，7（27）：11766-11776.
[17]	BOSTON R， FOELLER P Y， SINCLAIR D C，et al.Synthesis of Barium titanate using deep eutectic solvents［J］.Inorganic Chemistry，2017，56（1）：542-547.
[18]	凌云，江伟辉，刘健敏，等.非水解溶胶-凝胶法低温合成钛酸钡粉体［J］.人工晶体学报，2016，45（12）：2801-2806.
	LING Yun， JIANG Weihui， LIU Jianmin，et al.Synthesis of barium titanate powders by non-hydrolytic sol-gel method［J］.Journal of Synthetic Crystals，2016，45（12）：2801-2806.
[19]	LIU Jianwu， GUO Cheng， ZHANG Yue.Research of crystal changing of barium hexaferrite prepared by citric acid sol-gel method［J］.Functional Materials Letters，2017，10（2）：1750001.
[20]	MI Lijie， ZHANG Qiankang， WANG Haiwang，et al.Synthesis of BaTiO₃ nanoparticles by sol-gel assisted solid phase method and its formation mechanism and photocatalytic activity［J］.Ceramics International，2020，46（8）：10619-10633.
[21]	杨雅文.溶胶-凝胶法制备钛酸钡纳米粉体［J］.山西化工，2024，44（1）：42-43，46.
	YANG Yawen.Preparation of barium titanate nanoparticles by sol-gel method［J］.Shanxi Chemical Industry，2024，44（1）：42-43，46.
[22]	马丹.钛酸钡的制备及其粉体性能表征［D］.沈阳：东北大学，2015.
	MA Dan.Preparation and characterization of Barium titanate powder［D］.Shenyang：Northeastern University，2015.

w（BaO）	w（SO₃）	w（SiO₂）	w（CaO）	w（MgO）	w（Fe₂O₃）
59.20	26.60	6.58	4.06	1.28	0.44
w（Na₂O）	w（K₂O）	w（SrO）	w（ZnO）	w（Al₂O₃）	w（其他）
0.32	0.19	0.14	0.03	0.91	0.25

物料比	钛酸钡中各杂质的质量分数/%
物料比	SrO	Na₂O	K₂O	Fe₂O₃	MgO	CaO	Al₂O₃
n（硝酸钡）∶n（硝酸氧钛）∶n（柠檬酸）=1∶1.01∶1.4	0.000 023	0.000 42	0.001 230	0.002 05	0.003 91	0.004 81	0.001 06
n（硝酸钡）∶n（硝酸氧钛）∶n（柠檬酸）=1∶1.01∶2.0	0.000 098	0.001 34	0.000 581	0.001 04	0.001 05	0.005 18	0.004 97
n（硝酸钡）∶n（硝酸氧钛）∶n（柠檬酸）=1∶1.01∶2.8	0.000 108	0.001 24	0.001 306	0.003 09	0.002 68	0.006 17	0.002 67

项目	w（BaTiO₃）/%	w（Fe₂O₃）/%	w（MgO）/%	w（Al₂O₃）/%	w（CaO）/%	w（SrO）/%	w（SiO₂）/%
本产品	99.85	0.003	0.000 3	≤0.000 1	0.002	0.000 4	0.004
HG/T 3587—2009	≥98.6	≤0.003	≤0.005	≤0.005	≤0.005	≤0.02	≤0.006

首页

全国无机盐信息中心

中国化工学会

无机酸碱盐专业委员会