Способ получения титаната свинца

Изобретение относится к области химии неорганических соединений, а именно к способу получения титаната свинца, который используется в производстве пьезокерамики, керамических конденсаторов, а также может использоваться в качестве наполнителя для радиопротекторных полимерных композиционных материалов.

Известен способ получения титаната свинца, замещенного железом [1], сущность которого заключается в следующем. На первом этапе проводят механическое смешение оксидов свинца (IV), титана и железа (III) на планетарной мельнице в течение 30 минут, далее добавляют порошок металлического титана и гомогенизируют еще 30 минут. Гомогенизированную смесь помещают в кварцевую кювету, которую размещают между положительным и отрицательным полюсами постоянного магнита (в случае проведения синтеза в магнитном поле величиной до 0,27 Тл), или между «положительной» и «отрицательной» медными пластинами (при синтезе в электрическом поле величиной до 220 кВ/м). После этого инициируют процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, по завершении которого полученный продукт охлаждают на воздухе.

Недостатками данного способа являются:

- сложность процесса получения;

- применение в синтезе сильного окислителя (диоксида свинца), что требует соблюдения и организации специальных требований безопасности при проведении работ;

- высокая пожароопасность процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, получение титаната свинца, замещенного железом.

Известен способ получения титаната свинца [2], в котором раствор нитрата титана при интенсивном перемешивании совмещают с водным раствором гидроксида аммония, после чего реагенты перемешивают в течение 60 минут. Образовавшийся осадок титаната аммония отфильтровывают и промывают 50% раствором гидроксида аммония, после этого готовят суспензию полученного титаната аммония в воде при температуре 70°С. В суспензию вводят нитрат свинца, реакционную массу нагревают до 80°С и перемешивают в течение 15 минут. После чего, не охлаждая, отфильтровывают, промывают теплым этиловым спиртом и подвергают термообработке при (600±10)°С в течение 120 минут.

Недостатками данного способа являются: многостадийность синтеза, использование 50% раствора гидроксида аммония и проведение термообработки при высоких температурах (600°С).

Наиболее близким является способ получения титаната свинца [3], осуществляемый следующим образом. Порошкообразный оксигидроксид титана (с содержанием 83,03% масс. диоксида титана) и азотнокислый свинец помещают в стеклянную емкость, заливают органическим растворителем и обрабатывают в течение 6 минут ультразвуком с частотой 22 кГц и удельной мощностью 100 Вт/см². Полученную суспензию отфильтровывают и осадок прокаливают при (700±10)°С в течение (90±5) минут.

Недостатком данного способа является применение легковоспламеняющихся органических растворителей, трудоемкость процесса подготовки исходных реагентов и проведение синтеза при высоких температурах (700±10)°С.

Сущностью настоящего изобретения является упрощение процесса подготовки исходных реагентов и снижение температуры процесса синтеза.

Указанный технический результат достигается тем, что в качестве исходного реагента используют диоксид титана, гомогенизацию реагентов осуществляют на ножевом измельчающем устройстве или на планетарной мельнице, а синтез целевого соединения проводят при температуре 450°С.

По данному изобретению получение титаната свинца осуществляют методом твердофазного синтеза. Исходные реагенты, азотнокислый свинец и диоксид титана смешивают в стехиометрическом соотношении. Полученную смесь гомогенизируют на ножевом измельчающем устройстве или планетарной мельнице, далее смесь помещают в муфельную печь и подвергают термической обработке в течение (60±3) минут при температуре (450±10)°С. Образовавшийся спек измельчают на ножевом измельчающем устройстве или планетарной мельнице.

Полученный порошкообразный титанат свинца был исследован методом рентгенофазового анализа, который показал, что продукт является кристаллическим монофазным стехиометрическим метатитанатом свинца PbTiO₃ с атомным отношением Pb/Ti=1,015.

Для лучшего понимания приводится следующий пример.

Пример 1

Нитрат свинца в количестве 41,4 г и диоксид титана в количестве 10 г помещают в ножевое измельчающее устройство и осуществляют гомогенизацию исходных веществ в течение 20 минут. Далее смесь прокаливают при температуре (450±10)°С в течение 60 минут. После остывания продукт измельчают на ножевом измельчающем устройстве. Выход титаната свинца составил 37,3 г (98,4% от теоретического в пересчете на исходный диоксид титана, 98,4% от теоретического в пересчете на исходный нитрат свинца).

Пример 2

Нитрат свинца в количестве 45 г и диоксид титана в количестве 10 г помещают в ножевое измельчающее устройство и осуществляют гомогенизацию исходных веществ в течение 20 минут. Далее смесь прокаливают при температуре (450±10)°С в течение 60 минут. После остывания продукт измельчают на ножевом измельчающем устройстве. Выход титаната свинца составил 41,1 г (108,4% от теоретического в пересчете на исходный диоксид титана, 100% от теоретического в пересчете на исходный нитрат свинца).

Пример 3

Нитрат свинца в количестве 65,0 г и диоксид титана в количестве 10 г помещают в ножевое измельчающее устройство и осуществляют гомогенизацию исходных веществ в течение 20 минут. Далее смесь прокаливают при температуре (450±10)°С в течение 60 минут. После остывания продукт измельчают на ножевом измельчающем устройстве. Выход титаната свинца составил 52,5 г (138,5% от теоретического в пересчете на исходный диоксид титана, 87,4% от теоретического в пересчете на исходный нитрат свинца).

Проведенный рентгено-фазовый анализ полученных продуктов показывает (см. фиг.), что при реализации примера 1 происходит полная конверсия исходных реагентов, а при использовании большего количества азотнокислого свинца (примеры 2 и 3) происходит образование побочных продуктов свинцового сурика и оксида свинца.

Литература

1. Пат. 2446105 С1, Российская Федерация, МПК С01G 23/00, C01D 13/00, С04В 35/468, С04В 35/47, С04В 35/472. Способ получения титанатов щелочноземельных металлов или свинца / М.В. Кузнецов, Ю.Г. Морозов, О.Б. Томилин. - №2010140916/05, заявл. 06.10.2010, опубл. 27.03.2012.

2. Пат. 2323882 С2, Российская Федерация, МПК C01G 23/00, C01F 11/00, C01G 21/00. Способ получения титаната двухвалентного металла / В.И. Иваненко, Э.П. Локшин, Е.Н. Якубович, С.В. Владимирова, В.Т. Калинников. - №2006117960/15, заявл. 24.05.2006, опубл. 10.05.2008.

3. Пат. 2273603 С1, Российская Федерация, МПК C01G 23/00, C01G 25/00. - Способ получения титаната или цирконата двухвалентного металла и твердого раствора на их основе/ О.Г. Громов, Э.П. Локшин, А.П. Кузьмин, В.Т. Калинников, Г.Б. Куншина. - №2004123276/15, заявл. 28.07.2004, опубл. 10.04.2006.