Способ получения керамических пигментов шпинельного типа

Изобретение относится к технологии производства керамических пигментов шпинельного типа. Технический результат изобретения заключается в расширении цветовой палитры пигментов и уменьшении из размеров до микронного. Способ получения керамических пигментов шпинельного типа осуществляют путем тщательного перемешивания шихты, содержащей, мас. %: гидроксид алюминия Al(OH)₃ 40.0-60.0, порошкообразный алюминий Al 5.0-7.0, оксид цинка ZnO 0-20.0, краситель 5.0-45.0. Шихту подогревают до температуры 500°C. Термосинтез осуществляют в режиме локально инициированного послойного горения. В качестве красителя используют взятые отдельно или в сочетании оксиды переходных металлов хрома, кобальта, никеля, железа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к технологии производства керамических пигментов шпинельного типа и может быть использовано для декорирования фарфорофаянсовых и стеклянных изделий, в производстве художественных красок, для окрашивания автомобильных и других эмалей, алюмофосфатных связок, пластмасс и строительных материалов.

Известен способ получения керамических пигментов методом совместного осаждения ионов многозарядных металлов в виде гидроксидов с последующим отделением их от раствора, промыванием полученных осадков, их сушкой, прокаливанием и измельчением (Пищ И.В., Радион Е.В. Использование метода осаждения при синтезе керамических пигментов // Стекло и керамика, 2006, №6. - С. 17-19). Недостатком данного способа является длительный процесс получения пигментов с использованием трудоемких «мокрых» операций синтеза, наличие промывных вод, загрязняющих окружающую среду.

Существует способ получения термостойких неорганических пигментов (RU 2114886, 1998). Он заключается в использовании в качестве исходных компонентов смесей гидратированных соединений или гидратированных отходов производства и техногенного сырья с общим содержанием воды до 50% и включает стадию измельчения и смешения исходных компонентов путем механической активации в активаторе при энергонапряженности аппарата 5-100 Вт/г с последующим обжигом полученной смеси в печи при 800-1200°C в течение 2-5 часов, после чего продукт подвергают размолу до стандартной дисперсности. Недостатком данного способа является длительный обжиг при высоких температурах, что требует больших энергетических затрат.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения керамического пигмента цвета ультрамарина [RU 2305075, 2007]. Он заключается в приготовлении смеси из оксида алюминия, оксида кобальта, оксида цинка и алюминия, помещении ее в сетку из нержавеющей стали, подогреве шихты до 500°C и термосинтезе пигмента в режиме послойного горения в условиях естественной фильтрации. Недостатком данного способа является то, что пигменты, полученные по этому способу, имеют только сине-голубую окраску. Кроме того, после измельчения продукта в шаровой мельнице в течение 30 минут пигменты имеют размер зерен 4-9 мкм. Для получения пигментов меньшей дисперсности требуется более длительный помол продукта.

Целью настоящего изобретения является получение керамических пигментов с микронным размером частиц в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и расширение цветовой палитры.

Поставленная цель достигается тем, что готовят шихту, содержащую гидроксид алюминия, порошкообразный алюминий, оксид цинка, краситель, в качестве которого используют отдельно или в сочетании оксиды переходных металлов (хрома Cr₂O₃, кобальта Co₂O₃, Co₃O₄, никеля Ni₂O₃, NiO, железа Fe₂O₃ и др.) при следующем соотношении компонентов, мас. %:

гидроксид алюминия Al(OH)3	40.0-60.0
порошкообразный алюминий Al	5.0-7.0
оксид цинка ZnO	0-20.0
оксид переходного металла	5.0-45.0

Для получения голубого, бирюзового и зеленовато-бежевого пигментов в шихту в качестве окислителя дополнительно вводят нитрат магния. При его разложении выделяется кислород, создающий окислительные условия синтеза и препятствующий выделению вкраплений металла, образующихся в процессе алюмотермических реакций.

Синтез пигментов осуществляют следующим образом.

Порошкообразные компоненты шихты тщательно перемешивают согласно экспериментально подобранной рецептуре, полученную смесь засыпают в стакан из нержавеющей стали. Для обеспечения стационарного послойного горения шихту подогревают до 300-500°C и выдерживают в течение 0.5-1.0 часа. Поджиг шихты осуществляют от электроспирали или от поджигающей таблетки Ni+Al (50 ат. % Al), помещенных с торца образца. После использования поджигающая таблетка легко удаляется, не загрязняя продукта. Так как шихта имеет насыпную плотность, то синтез протекает в режиме послойного горения в условиях естественной фильтрации.

Использование в составе шихты в качестве алюмокислородного компонента гидроксида алюминия Al(OH)₃ способствует получению пигментов с размером частиц ~1 мкм. Известно, что при прокаливании Al(OH)₃ (гиббсит и байерит) при температуре 400÷500°C происходит образование активного оксида алюминия и резкое возрастание удельной поверхности с 2÷5 до 300÷500 м²/г (Радченко Е.Д., Нефедов Б.К., Алиев P.P. Промышленные катализаторы гидрогенизационных процессов нефтепереработки. - М.: Химия, 1987. - 224 с.). При 250°C, 290°C и при 500°C протекают соответственно следующие реакции:

Al(OH)₃ (байерит)→η-Al₂O₃;

Al(OH)₃ (гиббсит)→γ-AlOOH (бемит);

γ-AlOOH (бемит)→γ-Al₂O₃.

Масс-спектроскопические исследования газов (масс-спектрометр Prolab VG), выделившихся в процессе синтеза пигментов, показали, что наряду с H₂O и OH^- выделяется атомарный водород Н при нагреве шихты до 500°C.

Выделение водорода может происходить в результате реакции взаимодействия паров воды, образующихся при разложении гидроксидов, с поверхностью алюминия, обнажившейся при нарушении целостности оксидной пленки в процессе нагрева.

2Аl+3H₂O=Al₂O₃+3Н₂↑.

Выдержка в течение 0.5-1.0 часа необходима для удаления водорода из смеси реагентов и исключения восстановления металла (кобальта, никеля) в процессе СВ-синтеза.

Количество тепла, выделившееся в результате окисления алюминия за счет алюмотермических реакций и реакции прямого окисления алюминия, разогревает смесь до температур свыше 1000°C, при которых начинается процесс синтеза шпинелей:

4Al+3О₂=2Al₂O₃+3350 кДж;

МеО+2А1+O₂=Al₂O₃+Ме;

2Me₂O₃+8Al+3O₂=4Ме+4Al₂O₃, где Me - металл;

MeO+Al₂O₃=MeAl₂O₄,

где Me - металл (Co²⁺, Cr²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Ni²⁺, Zn²⁺ и др.).

Получение пигментов шпинельного типа в мелкодисперсном состоянии в процессе CB-синтеза основано на твердопламенном горении в узкой зоне реакции взаимодействия реагентов, в состав которых входит гидроксид алюминия Al(OH)₃. В результате подогрева шихты кристаллическая структура гидроксида быстро разрушается с выделением газообразных продуктов реакции и образованием мелкодисперсного и активного оксида алюминия (термическое диспергирование). При СВС процессе высокая скорость распространения фронта волны горения препятствуют спеканию частиц Al₂O₃, а в результате действия высоких температур формируется мелкодисперсная структура шпинели (рис. 1). Синтезируемые пигменты не требуют измельчения, имеют размер частиц ~1-2 мкм, требуется только процесс дезагрегации.

Использование гидроксида алюминия Al(OH)₃ меньше 40.0 мас. % нежелательно, так как происходит спекание пигмента, а свыше 60.0 мас. % нецелесообразно вследствие перехода системы в неустойчивый режим горения или прекращения горения. При использовании порошкообразного алюминия Al меньше 5.0 мас. % смесь не воспламеняется, а больше 7.0 мас. % - спекается или оплавляется. При малых содержаниях оксида цинка пигменты имеют более темные тона, при больших - светлые.

При малом содержании красителя пигменты получаются бледных тонов. Увеличение его сверх оптимального количества (45.0 мас. %) нецелесообразно, так как интенсивность окраски не меняется, происходит снижение качества пигментов за счет восстановления металла или ухудшения его цветовых характеристик.

В процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза пигментов пшинельного типа максимальные температуры, измеренные с помощью вольфрам-рениевых термопар, помещенных в центр образцов, достигают 1300÷1500°C. Синтез пигментов после подогрева осуществляют за 5÷10 минут, что зависит от исходного состава и размера образцов.

Пример 1 осуществления способа

Исходные порошкообразные компоненты: 55.0 г гидроксида алюминия Al(OH)₃, 31.5 г оксида кобальта Co₃O₄, 1.6 г оксида цинка ZnO, 6.2 г нитрата магния Mg(NO₃)₂·6H₂O, 5.7 г алюминия Аl тщательно перемешивают и насыпают в сетку из нержавеющей стали, свернутой в виде цилиндра, помещают в установку для синтеза. Шихту подогревают до 500°C, выдерживают 0.5 часа и воспламеняют при помощи никель-алюминиевой таблетки, расположенной сверху шихты и воспламеняющейся от электрозапала. Полученный пигмент имеет ярко синий цвет.

Пример 2 осуществления способа

Исходные порошкообразные компоненты: 41.8 г гидроксида алюминия Al(OH)₃, 29.1 г оксида никеля Ni₂O₃, 9.1 г оксида цинка ZnO, 13.7 г оксида хрома (III) Cr₂O₃, 6.3 г алюминия Al тщательно перемешивают и насыпают в сетку из нержавеющей стали, свернутой в виде цилиндра, помещают в установку для синтеза. Шихту подогревают до 500°С, выдерживают 0.5 часа и воспламеняют при помощи никель-алюминиевой таблетки, расположенной сверху шихты и воспламеняющейся от электрозапала. Полученный пигмент имеет зеленый цвет.

Пример 3 осуществления способа

Исходные порошкообразные компоненты: 41.6 г гидроксида алюминия Al(OH)₃, 9.5 г оксида цинка ZnO, 14.8 г оксида железа Fe₂O₃, 14.4 г оксида кобальта Co₂O₃, 13.4 г оксида хрома Cr₂O₃, 6.3 г алюминия Al тщательно перемешивают, насыпают в цилиндр из стальной сетки, помещают в установку для синтеза. Пигмент подогревают до 500°С, поджиг осуществляют от электроспирали, помещенной с торца образца. Цвет пигмента защитно-зеленый.

Другие примеры осуществления способа аналогичны примерам 1-3 и представлены в таблице 1, где указан цвет пигмента в зависимости от используемого красителя.

Шихта горит ярким свечением, наблюдается плоский фронт горения. Наблюдать процесс можно в защитных очках через смотровое окно.

Таким образом, предложенный способ позволяет получать керамические пигменты широкой цветовой палитры в мелкодисперсном состоянии (размер частиц ~1 мкм) за счет термического диспергирования при использовании в составе шихты гидроксида алюминия Al(OH)₃ и синтеза пигмента, осуществляемого в скоростном режиме послойного горения.

1. Способ получения керамических пигментов шпинельного типа, включающий перемешивание шихты, содержащей алюмокислородный компонент, порошкообразный алюминий, оксид цинка и краситель, в качестве которого используют оксид переходного металла, ее подогрев до температуры 500°С, термосинтез в режиме локально инициированного послойного горения, отличающийся тем, что в качестве алюмокислородного компонента используют гидроксид алюминия, а в качестве оксида переходного металла - отдельно или в сочетании оксиды хрома, кобальта, никеля, железа при следующем соотношении компонентов, мас. %:

гидроксид алюминия Аl(ОН)3	40.0-60.0
порошкообразный алюминий Аl	5.0-7.0
оксид цинка ZnO	0-20.0
краситель (оксиды переходных металлов)	5.0-45.0

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения голубого, бирюзового и зеленовато-бежевого пигментов в шихту в качестве окислителя дополнительно вводят нитрат магния.