由硼砂和硫酸氧钛合成新型硼酸钛
来源: http://www.cqglhg.com   发布时间: 2019-08-14 14:46   721 次浏览   大小:  16px  14px  12px


  硼酸钛在高负荷下具有良好的极压抗磨性、热氧化稳定性、不腐蚀、无臭无毒等优点,被誉为新型高效多功能无毒的硼型节能润滑油添加剂。近几年,过渡金属硼酸盐的合成引起人们的广泛关注,如硼酸铬、硼酸锰、硼酸铁、硼酸钴、硼酸镍、硼酸铜、硼酸

  硼酸钛在高负荷下具有良好的极压抗磨性、热氧化稳定性、不腐蚀、无臭无毒等优点,被誉为新型高效多功能无毒的硼型节能润滑油添加剂。近几年,过渡金属硼酸盐的合成引起人们的广泛关注,如硼酸铬、硼酸锰、硼酸铁、硼酸钴、硼酸镍、硼酸铜、硼酸锌都具有较成熟的合成工艺,但对硼酸钛的合成报道很少。目前合成的硼酸钛只有TiBO3[1]、Ti5B12O26[2],掺杂有B元素的金红石化合物TiB0.024O2[2]也具有B—O—Ti结构,另外Z.S.Hu等[3]合成了颗粒尺寸为10~70 nm的硼酸钛,但未报道其结构式。笔者采用一种温和的湿化学方法,以硫酸氧钛和硼砂为原料,合成一种新型的非晶态硼酸钛粉体,通过IR和Raman光谱确定了其结构。这种材料可作为润滑油减压抗磨添加剂使用。


  1 实验部分
  1.1 试剂及设备
  试剂:硫酸氧钛(TiOSO4·2H2O,化学纯),硼砂(Na2B4O7·10H2O,分析纯)。设备:JSM-6360LV型扫描电子显微镜;D/MAX-2400型X射线衍射仪;Nicolet-20DXB型红外光谱仪;TGA/SDTA851e型热重分析仪;Optima 2000DV型电感耦合等离子发射光谱;DL-2型紫外-可见Raman光谱仪。
  1.2 硼酸钛的合成
  在室温下,反应物料以一定的Ti、B物质的量比,向0.9 mol/L硫酸氧钛溶液中加入一定浓度的硼砂溶液,搅拌反应一定时间,溶液pH为6.5。反应结束后抽滤,用去离子水洗涤产物至溶液中不含有SO42-(用质量分数为5%的BaCl2溶液检测滤液中没有SO42-)为止。室温下干燥,得白色粉末。
  1.3 分析测定
  采用化学分析测定硼酸钛中硼含量;采用电感耦合等离子发射光谱测定硼酸钛中钛含量;采用热重分析仪测定硼酸钛中结晶水含量及其热稳定性;采用红外光谱和紫外-可见拉曼光谱确定硼酸钛分子官能团;采用扫描电镜表征硼酸钛粉体形貌及颗粒尺寸;采用X射线衍射分析确定硼酸钛晶态。

重庆硼砂
  1.4 硼酸钛分子式的确定
  由于原料硫酸氧钛极易水解生成TiO(OH)2,所以产物中会掺杂少量TiO(OH)2。采用差减法计算硼酸钛的纯度,并确定其分子式。步骤如下:通过化学分析、ICP、TG-DTG分析产物中B2O3、TiO2、结晶水的含量,采用IR和Raman光谱确定硼酸根结构,初步得出含n(n=1,2,3…)个结晶水的硼酸钛分子。首先由产物中B2O3含量计算出硼酸钛中TiO2含量,利用差减法计算出生成TiO(OH)2的TiO2含量,从而可计算出产物中TiO(OH)2含量。假设硼酸钛中结晶水个数n为1,2,3,4,5,6,7,8,9……依次验证n值,直至TiO(OH)2含量和硼酸钛含量之和为100%,从而得出硼酸钛纯度,同时得出硼酸钛中B2O3、TiO2、H2O物质的量比,最终确定硼酸钛分子式。
  2 结果与讨论
  2.1 重庆硼砂硼酸钛的合成
  2.1.1 反应时间和反应物浓度对硼酸钛合成的影响产物中B2O3含量可作为初步评定硼酸钛纯度的标准,B2O3含量越高说明硼酸钛纯度越高,反之则越低。在Ti与B物质的量比为1∶3、硼砂浓度为0.2 mol/L、硫酸氧钛浓度为0.9 mol/L条件下,考察了反应时间对硼酸钛合成反应的影响,结果见图1。由图1可知:反应时间小于15 min时反应不完全;反应时间为15~20 min时产物中B2O3含量达到最高值;反应时间大于20 min后产物中B2O3含量明显下降。产生这种现象的主要原因是由于反应时间的延长更有利于硫酸氧钛水解反应的进行,部分硫酸氧钛水解生成TiO(OH)2与硼酸钛共同沉淀出来,降低了产物中硼酸钛的含量。
  在Ti与B物质的量比为1∶3、反应时间为18min、硫酸氧钛浓度为0.9 mol/L条件下,考察硼砂浓度对硼酸钛合成反应的影响,见图2。硫酸氧钛极易水解,而硼砂溶液呈弱碱性更加促使其水解。从图2看出,当硼砂浓度小于1.0 mol/L时,由于硫酸氧钛水解速率小于其与硼砂反应速率,故产物中硼含量随硼砂浓度增加而逐渐增多;当硼砂浓度为1.0 mol/L时,产物中B2O3含量达到最高值(质量分数为13.63%);随着硼砂浓度继续增加,产物中B2O3含量又降低,这是因为硫酸氧钛水解速率大于其与硼砂反应速率,有更多TiO(OH)2沉淀出来,导致产物中硼酸钛含量降低。因此,适宜硼砂浓度为1.0 mol/L。