全文摘要
本实用新型涉及一种制备高纯钛酸钡的装置，其特征在于：储罐（1）通过第一管道（15）、第一阀门（2）与反应釜（10）入口相连，反应釜（10）出口通过第二管道（16）、第二阀门（4）与缓冲罐（7）入口相连，缓冲罐（7）出口通过第三管道（17）、第三阀门（6）与空气过滤器（11）相连，空气过滤器（11）通过第四管道（18）、第四阀门（12）与真空泵（13）相连，缓冲罐（7）底部出口通过第五管道（19）、第五阀门（8）与废液槽（9）相连；第二管道（16）上连有第六阀门（20）；缓冲罐（7）装有真空度表（5）。本实用新型优点：设备简单，反应温度更低、更环保节能，钛酸钡粉体可满足MLCC、PTC等电子元器件的要求。
主设计要求
1.一种制备高纯钛酸钡的装置，包括反应釜（10），其特征在于包括以下设备：储罐（1）通过第一管道（15）及安装在第一管道上的第一阀门（2）与反应釜（10）的入口相连，反应釜（10）的出口通过第二管道（16）及安装在第二管道（16）上的第二阀门（4）与缓冲罐（7）的入口相连，缓冲罐（7）出口通过第三管道（17）及安装在第三管道（17）上的第三阀门（6）与空气过滤器（11）相连，空气过滤器（11）通过第四管道（18）及安装在第四管道（18）上的第四阀门（12）与真空泵（13）相连，其中缓冲罐（7）底部出口通过第五管道（19）及安装在第五管道（19）上的第五阀门（8）与废液槽（9）相连；连接反应釜（10）与缓冲罐（7）的第二管道（16）上通过管道连有第六阀门（20），第六阀门（20）所在的管道直接与大气相通；缓冲罐（7）上装有真空度表（5）；其中所述第一阀门（2）为调节阀，第二阀门（4）为单向截止阀，第三阀门（6）、第四阀门（12）、第五阀门（8）和第六阀门（20）为具有密闭调节功能的球阀、闸阀或调节阀。
设计方案
1.一种制备高纯钛酸钡的装置，包括反应釜（10），其特征在于包括以下设备：储罐（1）通过第一管道（15）及安装在第一管道上的第一阀门（2）与反应釜（10）的入口相连，反应釜（10）的出口通过第二管道（16）及安装在第二管道（16）上的第二阀门（4）与缓冲罐（7）的入口相连，缓冲罐（7）出口通过第三管道（17）及安装在第三管道（17）上的第三阀门（6）与空气过滤器（11）相连，空气过滤器（11）通过第四管道（18）及安装在第四管道（18）上的第四阀门（12）与真空泵（13）相连，其中缓冲罐（7）底部出口通过第五管道（19）及安装在第五管道（19）上的第五阀门（8）与废液槽（9）相连；连接反应釜（10）与缓冲罐（7）的第二管道（16）上通过管道连有第六阀门（20），第六阀门（20）所在的管道直接与大气相通；缓冲罐（7）上装有真空度表（5）；其中所述第一阀门（2）为调节阀，第二阀门（4）为单向截止阀，第三阀门（6）、第四阀门（12）、第五阀门（8）和第六阀门（20）为具有密闭调节功能的球阀、闸阀或调节阀。
2.根据权利要求1所述一种制备高纯钛酸钡的装置，其特征在于：所述反应釜（10）的内部为聚四氟材质或镍材质。
3.根据权利要求1所述一种制备高纯钛酸钡的装置，其特征在于：所述缓冲罐（7）内部为聚四氟材质涂层。
4.根据权利要求1所述一种制备高纯钛酸钡的装置，其特征在于：所述第一阀门调节阀为单向阀门。
5.根据权利要求1所述一种制备高纯钛酸钡的装置，其特征在于：所述第一管道（15）管口直径为2-10mm、第二管道（16）、第三管道（17）和第四管道（18）的管口直径均为5-15mm，所述第五管道（19）管口直径为10-30mm。
设计说明书
技术领域
本实用新型属纳米粉体材料制造领域，涉及一种制备高纯钛酸钡的装置。
背景技术
近年来，受器件小型化趋势的推动（微电子器件的高集成度要求，如多层陶瓷电容器MLCC），纳米BaTiO3<\/sub>材料的性能得到了提高。高性能MLCC需要高质量介电常数并且是高纯度、均相、弱团聚的颗粒小而均匀尺寸的超细BaTiO3<\/sub>基陶瓷粉体颗粒，可通过减小陶瓷层厚度来改善其性能。钛酸钡粉体的水热合成制备方法是一种重要的工业工艺方法，它能制备出适合于MLCC、PTC等技术的超细陶瓷介电层。
传统的BaTiO3<\/sub>纳米粒子一般是通过固相法（由BaCO3<\/sub>和TiO2<\/sub>粉体在1000℃以上的重复球磨和固相反应）制得，但这种方法会产生形貌不受控制的BaTiO3<\/sub>颗粒，从而限制了烧结陶瓷的电学性能；其他方法（如均相沉淀法和溶胶-凝胶法）虽能提高BaTiO3<\/sub>粉体的均匀性和纯度，但得到的产物一般是无定形的前驱物，还需经过700℃以上的焙烧步骤才能去除未反应掉的有机物，形成纯晶相。由于煅烧和球磨的步骤与固相反应法相似，粉末质量通常得不到明显的改善。此外，在溶胶-凝胶过程中使用的金属醇盐通常过于昂贵，难以实际生产应用。
目前，水热或溶剂热合成被认为是控制BaTiO3<\/sub>颗粒形状最成功的制备方法。水热法制备BaTiO3<\/sub>纳米颗粒成本低，无需经过高温煅烧。传统水热法是采用传统水热反应釜设备，在大于180℃以上的反应温度和大于1.0MPa的气压下运用“一锅法”将前驱体（如钡源与钛源）直接添加混合后进行水热合成反应，其制备的钛酸钡在粒子形貌均匀性、颗粒结晶性、纳米粉体的纯度、分散性等产品指标与日美等国仍然有十分显著的差距。现有的水热合成反应装置（传统水热反应釜设备）一般是典型的筒状高压釜，常用不锈钢、贵金属或聚四氟乙烯作为内衬，由于水热合成反应是在密闭的釜内进行，往往合成是不连续的，水热合成完成后仍需要经过冷却、降温减压后才能从反应釜中获得产物，此方式耗能，用时长，阻碍了生产规模化的应用与推广。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有水热合成反应装置“一锅法”生产制备钛酸钡材料过程中需要较高反应温度，以及在碱性矿化剂或者钡源存在条件下易与空气中二氧化碳结合生成碳酸钡等杂质，影响钛酸钡颗粒结晶性、形貌、尺寸均匀性以及产生废气、废液等污染环境的问题，提供一种制备高纯钛酸钡的装置。
为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
一种制备高纯钛酸钡的装置，包括反应釜，其特征在于包括以下设备：储罐通过第一管道及安装在第一管道上的第一阀门与反应釜的入口相连，反应釜的出口通过第二管道及安装在第二管道上的第二阀门与缓冲罐的入口相连，缓冲罐出口通过第三管道及安装在第三管道上的第三阀门与空气过滤器相连，空气过滤器通过第四管道及安装在第四管道上的第四阀门与真空泵相连，其中缓冲罐底部出口通过第五管道及安装在第五管道上的第五阀门与废液槽相连；连接反应釜与缓冲罐的第二管道上通过管道连有第六阀门，第六阀门所在的管道直接与大气相通；缓冲罐上装有真空度表；其中所述第一阀门为调节阀，第二阀门为单向截止阀，第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门为具有密闭调节功能的球阀、闸阀或调节阀。
进一步，所述反应釜的内部为聚四氟材质或镍材质。
进一步，所述缓冲罐内部为聚四氟材质涂层。
进一步，所述第一阀门调节阀为单向阀门。
进一步，所述第一管道管口直径为2-10mm、第二管道、第三管道和第四管道的管口直径均为5-15mm，所述第五管道管口直径为10-30mm。
一种采用上述装置制备高纯钛酸钡的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）.关闭第一阀门和第二阀门，向反应釜中加入钛酸钡反应原料，钛酸钡反应原料为钡源、钛源和矿化剂按摩尔比10-15：8-10：0.8-1组成的混合溶液，控制转速100-700r\/min，进行搅拌10-15min使其混合均匀；
2）.关闭第五阀门和第六阀门，打开第二阀门、第三阀门和第四阀门，打开真空泵，保持缓冲罐内真空度在-0.017~ -0.060MPa后，关闭第二阀门，打开第六阀门通入空气，至真空度为0后停止真空泵工作；
3）.缓慢打开第一阀门，控制气体流速在 5-20L\/min，储罐内惰性气体自动进入反应釜内，待反应釜内充满惰性气体后关闭第一阀门；
4）.以550-750rpm的转速对反应釜内混合溶液进行搅拌并将反应釜内混合溶液升温至145-155℃，持续搅拌2-4h，随着水热反应的进行，在反应釜内会生成少量氢氧化铵与氢氧化钡混合的碱性气体，待反应结束后将反应釜内混合液降温至70-80℃，反应釜内得到呈白色膏状钛酸钡浆料溶液和氢氧化钡与氢氧化铵混合的热碱性气体；
5）.关闭第六阀门，打开第二阀门、第三阀门和第四阀门，打开真空泵，抽取水热反应釜内热碱性混合气体至缓冲罐中，热碱性气体迅速冷凝成废液聚集在缓冲罐底部；
6）.关闭第二阀门、第三阀门和第四阀门，真空泵停止工作，打开第六阀门直接通入空气并打开缓冲罐底部第五阀门，废液进入废液槽中与中和溶液（稀硫酸、碳酸或硫酸亚铁）进行中和生成硫酸钡或碳酸钡等沉淀物，去除废液中可溶性钡离子，消除废液毒性；
7）.对废液槽中和后的固液进行分离处理，将硫酸钡沉淀物进行压滤分离、收集；
8）. 将水热反应釜中制备的高纯钛酸钡浆料进行洗涤干燥处理（90-120℃干燥），得到高纯纳米级钛酸钡粉体材料。
进一步，所述步骤1）中钡源为八水氢氧化钡、氯化钡、乙酸钡、硝酸钡；钛源为水合二氧化钛、锐钛型纳米二氧化钛；矿化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、甲胺、氢氧化铵任一种或两种以上混合溶液。
进一步，所述储罐内的惰性气体为氮气、氩气或氦气，纯度大于99.99%。
进一步，所述废液槽内的中和溶液为浓度0.05-0.1mol\/L的稀硫酸、浓度0.05-0.2mol\/L的碳酸溶液、浓度1.0-5.0%的硫酸亚铁中的任一种。
进一步，所述第五管道出口需浸没在废液槽的中和溶液中。
本装置采用真空泵抽取反应釜内空气实现负压，在负压的情况下加入惰性气体，然后在惰性气体保护条件下进行低温高压的水热反应制备钛酸钡浆料溶液；反应结束后，用真空泵抽取反应釜内挥发性碱液于缓冲罐中，再经过缓冲罐排液口将挥发性碱液与废液槽中的中和溶液进行中和后固液分离处理。
与传统水热合成法和非常规陶瓷法相比，本实用新型具有的优点如下：
1.本装置具有连续生产能力，利用溶液流动系统将水热技术与自动化功能装置技术相结合，在合成过程中封闭流动系统将成本和过程的环境负荷降到最低；
2.本工艺反应温度更低，避免了高温过程中遇到的其他问题（如成分挥发、化学计量控制差），且不需要类似固相法混合和碾磨步骤，后期处理所需的时间和能量消耗少；
3.从水热反应机理来看，在高纯惰性气体保护的反应环境中，缩短了釜内气压生成时间，提升了压力增压效果，提高了直接从溶液中结晶沉淀颗粒材料的能力，调节了成核、生长和老化的速率和均匀性，从而提供了许多合成过程不可能实现的尺寸、形貌和聚集控制；
4. 与其他一些高温加工技术路线制备钛酸钡材料相比，本实用新型条件下的纳米粒子制备可以使用几种不同的监测技术进行现场监测；
5.更环保、节约能源，降低了加工温度、更安全和方便地处置无法回收的污染物。
附图说明
图1是本实用新型的基本结构示意图；
图2本实用新型水热反应釜装置制备钛酸钡粉体XRD；
图3传统水热反应釜装置制钛酸钡粉体XRD图；
图4本实用新型水热反应釜装置制备钛酸钡粉体粒度图；
图5传统水热反应釜装置制钛酸钡粉体粒度图。
具体实施方式
为了使本实用新型更加清楚明白，以下结合图1对本实用新型作进一步说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1
如图1所示，一种制备高纯钛酸钡的装置包括以下设备：储罐1通过第一管道15（管口直径2-10mm）及安装在第一管道15上的第一阀门2与反应釜10的入口相连，反应釜10的出口通过第二管道16（管口直径5-15mm）及安装在第二管道16上的第二阀门4与缓冲罐7的入口相连，缓冲罐7出口通过第三管道17（管口直径5-15mm）及安装在第三管道17上的第三阀门6与空气过滤器11相连，空气过滤器11通过第四管道18（管口直径5-15mm）及安装在第四管道18上的第四阀门12与真空泵13相连，其中缓冲罐7底部出口通过第五管道19（管口直径10-30mm）及安装在第五管道19上的第五阀门8与废液槽9相连；连接反应釜10与缓冲罐7的第二管道16上通过管道连有第六阀门20，第六阀门20所在的管道直接与大气相通（以免缓冲罐内形成负压）；缓冲罐（7）上装有真空度表（5）；其中所述第一阀门2为单向调节阀，第二阀门4为单向截止阀，第三阀门6、第四阀门12、第五阀门8和第六阀门20分别为具有密闭调节功能的球阀、闸阀、调节阀、闸阀、球阀；反应釜10内部为镍材质；缓冲罐7内部为聚四氟材质涂层。
一种采用上述装置制备高纯钛酸钡的方法，具体实施步骤如下：
1、关闭第一阀门2和第二阀门4，在反应釜10中加入钛酸钡反应原料，反应原料为八水氢氧化钡、水合二氧化钛和氢氧化铵按照摩尔比为10:10:1配成的混合液，控制转速500r\/min搅拌12min后停止搅拌；
2、关闭第五阀门8和第六阀门20，打开第二阀门4、第三阀门6和第四阀门12，打开真空泵13，保持缓冲罐7内真空度在-0.017MPa后，关闭第二阀门4，打开第六阀门20通入空气至真空度为0后关闭真空泵13；
3、缓慢打开第一阀门2，控制气体流速在10L\/min，使储罐1内气体（纯度大于99.99%的氮气）自动进入反应釜10内直至气体充满反应釜10内，随后关闭第一阀门2；
4、控制反应釜10以600rpm速度搅拌并将反应釜10内的混合液升温至150℃，连续搅拌反应3h，随着反应的进行，反应釜内会生成少量氢氧化铵与氢氧化钡混合的碱性气体，反应结束后将反应釜10内混合液降温至80℃，反应釜内得到呈白色膏状钛酸钡浆料溶液和氢氧化钡与氢氧化铵混合的热碱性气体；
5、关闭第六阀门20，打开第二阀门4、第三阀门6和第四阀门12，打开真空泵13，抽取水热反应釜内热碱性气体至缓冲罐7中，热碱性气体迅速冷凝成废液聚集在缓冲罐底部；
6、关闭第二阀门4、第四阀门6和第六阀门12，真空泵停止工作，打开第六阀门20通入空气并打开缓冲罐7底部第五阀门8，废液进入废液槽9中与中和溶液（0.01mol\/L的稀硫酸溶液）进行中和生成硫酸钡；
7、对废液槽9中和后的固液进行分离处理，将硫酸钡沉淀物进行压滤分离、收集；
8、将水热反应釜中制备的高纯钛酸钡浆料进行洗涤干燥处理（100℃干燥），得到高纯纳米级钛酸钡粉体材料。
对比实施例1
利用传统水热反应釜制备钛酸钡的方法，具体操作步骤如下：
1、向不设有惰性气体储罐的传统水热反应釜（内部为镍材质）中添加钛酸钡反应原料，反应原料为八水氢氧化钡、水合二氧化钛和氢氧化铵按照摩尔比为10:10:1配成的混合液，反应釜不连接缓冲罐、废液槽、空气过滤器、真空泵；
2、控制反应釜10以600rpm速度搅拌并将反应釜10内的混合液升温至150℃，连续搅拌反应3h，随着反应的进行，反应釜内会生成少量氢氧化铵与氢氧化钡混合的碱性气体，反应结束后将反应釜10内混合液降温至80℃，反应釜内得到呈白色膏状钛酸钡浆料溶液和热碱性气体；
3、打开反应釜底部放料阀门将热碱性气体和钛酸钡浆料进行洗涤干燥处理（100℃干燥），得到钛酸钡粉体材料。
通过采用表面积多点法（BET）对实施例1及对比实施例1制得的钛酸钡粉体进行比表面积（SSA）测试，每批样品重复测试不低于3次，测试结果取其平均值；
运用场发射扫描电子显微镜（SEM）对实施例1及对比实施例1制得的钛酸钡粉体进行表面形貌及其颗粒大小测试，每批样品重复测试不低于5个，每张电镜图中颗粒不少于100个，颗粒形貌大小统计结果取其平均值；
运用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP）和化学滴定分析法对实施例1及对比实施例1制得的钛酸钡粉体进行纯度含量测试，每批样品重复测试不低于2个，测试纯度值结果取其平均值；
运用X射线荧光光谱仪（XRF）对实施例1及对比实施例1制得的钛酸钡粉体进行钡钛摩尔比大小测试，每批样品重复测试不低于10个，测试结果取其平均值；
运用X射线光谱仪（XRD）对实施例1及对比实施例1制得的钛酸钡粉体进行结晶度和碳酸钡含量测试，每批样品重复测试不低于2个，测试结果取其平均值；
运用激光粒度仪（PSA）对实施例1及对比实施例1制得的钛酸钡粉体进行粒度分布大小测试，每批样品重复测试不低于5个，离散度计算以(D90<\/sub>-D10<\/sub>)\/D50<\/sub>计测试结果取其平均值。
具体对比结果见表1
通过对实施例钛酸钡粉体测试结果进行对比分析可知，表1和图2、3、4、5显示结果一致，可以明显说明本实用新型实施例制得的钛酸钡粉体材料含有杂质碳酸钡和二氧化硅含量低，产品纯度更高，颗粒微观形貌整体粒度更为均匀，颗粒更小，分散性更好，堆积密度高，结晶性能更优，钡钛摩尔比更为稳定。
相比传统水热法制备钛酸钡粉体，本实用新型容易制得单组分高纯纳米粉体材料，工艺设备简单，易于实现化学反应，污染少，纳米晶粒反应速度快，且有效处理了废气、废液等，保护了环境，节约了成本，本实用新型制得的钛酸钡纳米粉体材料可满足高容量高性能MLCC、PTC等电子元器件制造工艺的原料粉体材料特殊要求。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920302450.4
申请日:2019-03-11
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:34(安徽)
授权编号:CN209922920U
授权时间:20200110
主分类号:C01G23/00
专利分类号:C01G23/00;B82Y30/00
范畴分类:申请人:安徽中创电子信息材料有限公司;安徽钛谷纳米材料有限公司;蚌埠中恒新材料科技有限责任公司
第一申请人:安徽中创电子信息材料有限公司
申请人地址:233316 安徽省蚌埠市淮上区沫河口工业园开源大道28号
发明人:严回;韩晖;王利;彭辉;邸道远;丁磊;吴盖;胡石磊;金彦章;杨猛;秦云峰;李松;王永和
第一发明人:严回
当前权利人:安徽中创电子信息材料有限公司;安徽钛谷纳米材料有限公司;蚌埠中恒新材料科技有限责任公司
代理人:杨晋弘
代理机构:34113
代理机构编号:安徽省蚌埠博源专利商标事务所 34113
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计