專利名稱:一種無機(jī)黃色顏料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及無機(jī)顏料,具體涉及無機(jī)黃色顏料及其制備方法。
背景技術(shù):
顏料是一種有色的細(xì)顆粒粉狀物質(zhì),一般不溶于水、油、溶劑和樹脂等介質(zhì)中,能分散于各種介質(zhì)中。從化學(xué)組成來分類,顏料可分為無機(jī)顏料與有機(jī)顏料兩大類。
有機(jī)顏料/染料廣泛應(yīng)用于油墨、涂料、塑料、橡膠、化妝品及紡織印染業(yè)。隨著在染料行業(yè)和紡織印染行業(yè)中,對人體有致癌作用的芳香胺用于合成的偶氮染料被禁止使用。各地環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格,在研究和開發(fā)新的有機(jī)顏料/染料時(shí),不應(yīng)只考慮其工藝和應(yīng)用性能,還應(yīng)同時(shí)考慮其對環(huán)境、生態(tài)及人類健康的影響,故而如何減少有機(jī)顏料/染料的毒性和對生態(tài)的影響尤為重要。許多有機(jī)顏料/染料不僅在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的 “三廢”,而且在在應(yīng)用中(如紡織印染)也會(huì)產(chǎn)生大量廢水,另外由于有機(jī)顏料/染料以被吸附,生物降解性很差,如果處理不當(dāng),不論是對生產(chǎn)的工作人員還是對生態(tài)環(huán)境,均有很大的危害性。因此作為有機(jī)顏料/染料污染大戶,一直是環(huán)保部門重點(diǎn)監(jiān)察對象。
近年在大力倡導(dǎo)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、落實(shí)環(huán)境保護(hù)措施的政策背景下,關(guān)注重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移至產(chǎn)品穩(wěn)定性好、質(zhì)量高、消耗低的無機(jī)顏料工業(yè)。而無機(jī)顏料中的混相顏料因其獨(dú)特的性能更是大放異彩。金屬氧化物混相顏料具有優(yōu)異的性能首先,結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,作為基體晶格的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如尖晶石、金紅石等即使在1100°c高溫下仍保持穩(wěn)定;其次,各種耐性十分出色,具有優(yōu)良的耐候性、耐酸堿性,能耐受各種溶劑,耐高溫,這是有機(jī)顏料和普通無機(jī)顏料所無法比擬的;另外,對人體無毒害,并有良好的環(huán)保性。金屬氧化物混相顏料具有極穩(wěn)定的基體和較高的制備溫度(> IlOO0C ),惰性相當(dāng)大;最后,分散性、遮蓋力和吸油量都比較好,是一種符合環(huán)境保護(hù)要求、具有高穩(wěn)定性、高附加值和廣泛應(yīng)用前景的新型無機(jī)顏料。
我們知道紅寶石藍(lán)寶石由高穩(wěn)定的氧化鋁基質(zhì)和少量呈色離子相配合。由于氧化鋁基質(zhì)極高的熱穩(wěn)定性,使其 能克服傳統(tǒng)有機(jī)顏料的缺點(diǎn),在熔體紡絲條件下不發(fā)生降解或顏色變化。且基質(zhì)中摻雜離子的含量低,摻雜離子被禁錮在氧化鋁晶格中,由于氧化鋁晶格極高的化學(xué)穩(wěn)定性,使其顏料即使長時(shí)間浸泡在飽和濃鹽酸中,顏料不會(huì)溶解,摻雜離子也幾乎不被溶出。因此,與傳統(tǒng)的無機(jī)顏料相比,這種顏料不會(huì)對人體和環(huán)境帶來危害。
黃色是四種基本色之一,黃色顏料包括有機(jī)顏料和無機(jī)顏料,但是傳統(tǒng)黃色顏料不兼具有耐酸、耐堿、高溫穩(wěn)定、無毒無害的特性。如鉻黃因含有鉛鉻具有較大的毒性,氧化鐵黃溶于酸,不能滿足各行各業(yè)對顏料的需求。所以迫切需要發(fā)展一種對環(huán)境友好無毒性的新型顏料。
稀土元素因其特殊的電子構(gòu)型,在顏料領(lǐng)域有著重要的用途。中國是稀土資源大國,儲(chǔ)量世界第一。目前稀土元素供需不平衡,釹、鐠、鏑、欽、鋱、鉺供不應(yīng)求,而鈰釔等高豐度輕稀土大量積壓,不利于稀土產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。近年來,鑭系元素因其低毒引起人們的廣泛關(guān)注,若參與著色,有望取代有毒的傳統(tǒng)無機(jī)顏料。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人經(jīng)過銳意研究發(fā)現(xiàn),通過將稀土元素鈰引入至作為氧化物基質(zhì)的 Al5Y3O12中,可以得到品質(zhì)優(yōu)異的黃色顏料,甚至在鈰的引入量(摻雜量)非常低的情況下, 就可以得到高色度黃色顏料,由此完成本發(fā)明。
本發(fā)明的目的在于提供一種無機(jī)黃色顏料,其具有¥(3_!£)CexAl5O12的結(jié)構(gòu),其中, O. 03 < X < O. 3。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種無機(jī)黃色顏料,其具有¥(3_!£)(^15012的結(jié)構(gòu),其中,O. 03 ^ X ^ O. 3,該黃色無機(jī)顏料的晶體結(jié)構(gòu)為石榴石結(jié)構(gòu)或螢石結(jié)構(gòu)。
本方面的另一目的是提供一種無機(jī)黃色顏料的制備方法,該無機(jī)黃色顏料具有 Y (3-x) CexAl5O12的結(jié)構(gòu),其中,O. 03 ^ O. 3,該方法包括按照釔、鈰和鋁的摩爾比例,將氯化鋁、氯化釔和氯化鈰的混合溶液用作為沉淀劑的尿素和分散劑處理,然后加熱回流,用水洗滌所得沉淀,干燥后在1000-1500°C的溫度下煅燒,得到無機(jī)黃色顏料。
在本發(fā)明提供的無機(jī)黃色顏料中,鈰的引入量很低,不過該無機(jī)黃色顏料的黃色度值卻高達(dá)45以上,色澤鮮艷,而且,該無機(jī)黃色顏料性能穩(wěn)定,耐高溫性優(yōu)異,抗腐蝕性優(yōu)異,耐酸性優(yōu)異。此外,所述無機(jī)黃色顏料由于金屬離子難以溶出,因 此對環(huán)境友好,是一種綠色環(huán)保的新型無毒無機(jī)黃色顏料,可用來替代含有毒重金屬如鉛、鉻、鎘等元素的傳統(tǒng)黃色顏料,從而有益于保護(hù)環(huán)境。
本發(fā)明提供的無機(jī)黃色顏料制備方法使用容易獲得且來源充足的原料,大大降低了生產(chǎn)成本,此外,該方法工藝簡單,易于操作。通過本發(fā)明的方法制造出來的無機(jī)黃色顏料顏色均勻,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,耐高溫,作為稀土離子的鈰離子不會(huì)被水、酸、堿溶出,無毒無害,對環(huán)境無污染。
圖1是Y3Al5O12、實(shí)施例1-4中所得無機(jī)黃色顏料的XRD圖。圖2是實(shí)施例2中所得無機(jī)黃色顏料的XPS圖。圖3是實(shí)施例4中所得無機(jī)黃色顏料的XPS圖。圖4是實(shí)施例1-4中所得無機(jī)黃色顏料的UV-vis漫反射光譜。 圖5是實(shí)施例4中所得無機(jī)黃色顏料的掃描電鏡圖。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明,本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將隨著這些說明變得更為清楚、明確。
一方面,本發(fā)明提供無機(jī)黃色顏料,其具有Y(3_x)CexAl5O12的結(jié)構(gòu),其中, O. 03 < X < O. 3。
在根據(jù)本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料中,其具有Y(3_x)CexAl5012的結(jié)構(gòu),其中, O. 05 ^ X ^ O. 3,優(yōu)選 O. 05 彡 X 彡 O. 2。
在根據(jù)本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料中,當(dāng)O. 03 < X < O. 3時(shí),顏色的顏色為黃色。如果X小于O. 03,則其顏色過淡,色度過低,無法作為顏料使用。反之,如果X大于O. 3,則顏色的色度不但沒有明顯增加,反而會(huì)略有降低。
本發(fā)明人通過研究發(fā)現(xiàn),本發(fā)明的機(jī)理可能如下。
Al5Y3O12基質(zhì)不溶于水,不溶強(qiáng)酸強(qiáng)堿,高熔點(diǎn),高硬度??捎肅3(A3B2)O12表示,屬于釔鋁石榴石結(jié)構(gòu),其中鋁離子有兩種格位,以A為代表的鋁位于氧原子構(gòu)成的四面體格位,以B為代表的鋁位于氧原子構(gòu)成的八面體格位,以C為代表的釔位于8個(gè)氧原子構(gòu)成的十二面體中心。
Ce3+可以取代十二面體格位的Y3+。Y3+的半徑為O. 1159nm, Ce3+的半徑為O. 1283nm, 相比較而言,Ce3+半徑大于Y3+的半徑,取代后導(dǎo)致晶格畸變。在456. OSnm附近產(chǎn)生Ce3+的 4f到5d的躍遷,在300nm附近產(chǎn)生一個(gè)寬化的峰,是Ce3+至Ce4+的荷移躍遷導(dǎo)致的。這是因?yàn)樵陟褵倪^程中,氧原子在一定程度上擴(kuò)散進(jìn)晶格,氧空位減少,Ce3+容易失去一個(gè)電子變成Ce4+,在此過程中,就有電子被剩余的氧空位俘獲。電子在這一陷阱中能夠吸收可見光,從低能態(tài)躍遷到高能態(tài),呈現(xiàn)顏色。
上述機(jī)理可以用于解釋本發(fā)明無機(jī)顏料的原理,不過這只是本發(fā)明的可能的解釋,本發(fā)明并不限于上述機(jī)理。
本發(fā)明人通過對根據(jù)本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料的X射線衍射進(jìn)行大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Ce的含量較低的時(shí)候,即X彡O.1時(shí),本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料Y(3_x)CexAl5012為單一的釔鋁石榴石相,當(dāng)Ce的含量高的時(shí)候,即當(dāng)X > O.1時(shí),本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料Y(3_x) CexAl5O12為釔鋁石榴石相和含鈰的螢石相的混合相。
另一方面,本發(fā)明提供一種無機(jī)黃色顏料的制備方法,該無機(jī)黃色顏料具有Υ(3_χ) CexAl5O12的結(jié)構(gòu),其中,O. 03 ^ X ^ O. 3,該方法包括按照釔、鈰和鋁的摩爾比例,將氯化鋁、氯化釔和氯化鈰的混合溶液用作為沉淀劑的尿素和分散劑處理,然后加熱回流,用水洗滌所得沉淀,干燥后在1000-1500°C的溫度下煅燒,得到無機(jī)黃色顏料。
在根據(jù)本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料的制備方法中,為了配制氯化釔溶液,可以將氧化釔加濃鹽酸溶解,加熱使多余氯化氫氣體揮發(fā)。優(yōu)選地,控制氯化釔溶液的PH為4,當(dāng)pH小于4時(shí),氯化釔溶液中可能含有未揮發(fā)完的氯化氫氣體,在制備顏料的過程中所需要加入的尿素的量就要大大過量,不好控制。
在根據(jù)本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料的制備方法中,為了配制氯化鈰溶液,可以將碳酸鈰加濃鹽酸溶解,加熱揮發(fā)。優(yōu)選地,控制氯化鈰溶液的PH為4,當(dāng)pH小于4時(shí),氯化鈰溶液中可能含有未揮發(fā)完的氯化氫氣體,在制備顏料的過程中所需要加入的尿素的量就要大大過量,不好控制。
在根據(jù)本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料的制備方法中,為了控制黃色顏料Y(3_x)CexAl5012的組成,可以控制釔和鈰的摩爾比,為此可以用EDTA溶液標(biāo)定氯化鈰溶液中的Ce3+的濃度。
在本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料的制備方法中,加入尿素的作用是隨著后續(xù)加熱時(shí)溫度升高,尿素分解生成沉淀劑NH4OH,沉淀劑在溶液中均勻分布,使沉淀均勻緩慢地生成。
在本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料的制備方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中,所用的分散劑為高分子分散劑,更優(yōu)選為聚乙烯吡咯烷酮、PE G等水溶性高分子化合物、或季銨鹽等表面活性劑等,還更優(yōu)選為聚乙烯吡咯烷酮。加入分散劑的作用是使氯化鋁和色素離子鹽酸鹽在溶液中均勻分散,從而在加熱時(shí)在沉淀劑的作用下均勻地生成沉淀,繼而得到凝膠沉淀。
在本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料的制備方法中,凝膠沉淀的煅燒溫度一般為1000-1500°C,優(yōu)選為1200-1500°C。如果煅燒溫度低于1000°C,則煅燒產(chǎn)物為無定形態(tài)。反之,如果煅燒溫度高于1500°C,產(chǎn)物顏色的色度沒有明顯變化。
在本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料的制備方法中,凝膠沉淀的煅燒時(shí)間沒有特別限制,不過優(yōu)選為Ih以上,更優(yōu)選1-5小時(shí),還更優(yōu)選為2-4小時(shí),還更優(yōu)選為3-4小時(shí)。
實(shí)施例
實(shí)施例1無機(jī)黃色顏料Y2.95Ce0. Jl5O12的制備
氯化釔溶液的制備將30g氧化釔加50ml濃鹽酸溶解,加熱使多余氯化氫氣體揮發(fā),溶液PH值約為4左右。
氯化鈰溶液的制備將20g碳酸鈰加50ml濃鹽酸溶解,加熱揮發(fā),溶液PH值約為 4左右。用EDTA溶液標(biāo)定Ce3+的濃度為O. 2804mol/L。
樣品制備把結(jié)晶氯化鋁12.07g用蒸餾水IOOml溶解,加入已配制好的氯化釔溶液22. 34ml和氯化鈰溶液1. 78ml混合,再溶入尿素18g做沉淀劑,溶入聚乙烯吡咯烷酮 O. 5g做分散劑,然后把上述液體加熱回流,經(jīng)反應(yīng)3h得到沉淀,抽濾,蒸餾水洗滌,烘干。最后在120(TC下煅燒3h,得到無機(jī)黃色顏料粉末。
實(shí)施例2無機(jī)黃色顏料Y2.9Ce0. !A l5O12的制備
氯化釔溶液的制備將氧化釔30g加濃鹽酸50ml溶解,加熱使多余氯化氫氣體揮發(fā),溶液PH值約為4左右。
氯化鈰溶液的制備將碳酸鈰20g加濃鹽酸50ml溶解,加熱揮發(fā),溶液PH值約為 4左右。用EDTA溶液標(biāo)定Ce3+的濃度為O. 2804mol/L。
樣品制備把結(jié)晶氯化鋁12.07g用蒸餾水IOOml溶解,加入已配制好的氯化釔溶液21. 96ml和氯化鈰溶液3. 56ml混合,再溶入尿素18g做沉淀劑,溶入聚乙烯吡咯烷酮 O. 5g做分散劑,然后把上述液體加熱回流,經(jīng)反應(yīng)3h得到沉淀,抽濾,蒸餾水洗滌,烘干。最后在120(TC下煅燒3h,得到無機(jī)黃色顏料粉末。
實(shí)施例3無機(jī)黃色顏料Y2.8Ce0.2A15012的制備
氯化釔溶液的制備將氧化釔30g加濃鹽酸50ml溶解,加熱使多余氯化氫氣體揮發(fā),溶液PH值約為4左右。
氯化鈰溶液的制備將碳酸鈰20g加濃鹽酸50ml溶解,加熱揮發(fā),溶液PH值約為 4左右。用EDTA溶液標(biāo)定Ce3+的濃度為O. 2804mol/L。
樣品制備把結(jié)晶氯化鋁12.07g用蒸餾水IOOml溶解,加入已配制好的氯化釔溶液21. 22ml和氯化鈰溶液7. 14ml混合,再溶入尿素18g做沉淀劑,溶入聚乙烯吡咯烷酮 O. 5g做分散劑,然后把上述液體加熱回流,經(jīng)反應(yīng)3h得到沉淀,抽濾,蒸餾水洗滌,烘干。最后在120(TC下煅燒3h,得到無機(jī)黃色顏料粉末。
實(shí)施例4無機(jī)黃色顏料Y2.7Ce0.3A15012的制備
氯化釔溶液的制備將氧化釔30g加濃鹽酸50ml溶解,加熱使多余氯化氫氣體揮發(fā),溶液PH值約為4左右。
氯化鈰溶液的制備將碳酸鈰20g加濃鹽酸50ml溶解,加熱揮發(fā),溶液PH值約為 4左右。用EDTA溶液標(biāo)定Ce3+的濃度為O. 2804mol/L。
樣品制備把結(jié)晶氯化鋁12. 07g用蒸餾水IOOml溶解,加入已配制好的氯化釔溶液20. 46ml和氯化鈰溶液10. 68ml混合,再溶入尿素18g做沉淀劑,溶入聚乙烯吡咯烷酮O. 5g做分散劑,然后把上述液體加熱回流,經(jīng)反應(yīng)3h得到沉淀,抽濾,蒸餾水洗滌,烘干。最后在120(TC下煅燒3h,得到無機(jī)黃色顏料粉末。
試駘例
X-射線衍射測試
對Y3Al5O12以及實(shí)施例1-4中制備的無機(jī)黃色顏料進(jìn)行X-射線衍射測試,結(jié)果如圖1所示。
由圖1可知,XRD結(jié)果表明當(dāng)Ce的含量較低的時(shí)候,本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料為單一的釔鋁石榴石相,當(dāng)Ce的含量高的時(shí)候,本發(fā)明的無機(jī)黃色顏料為釔鋁石榴石相和含鈰的螢石相的混合相。
射線光電子能譜分析測試
對實(shí)施例2和4中所得的無機(jī)黃色顏料進(jìn)行XPS測試,結(jié)果分別如圖2和3中所/Jn ο
由圖2和3,經(jīng)計(jì)算Ce3YCe4+的比例分別如下
實(shí)施例2Ce3+/Ce4+ =1. 65 I
實(shí)施例4Ce3+/Ce4+= O. 79 I
UV-vis漫反射測試
對實(shí)施例1-4中所得無機(jī)黃色顏料進(jìn)行UV-vis漫反射測試,結(jié)果如圖4中所示, 其中a表示實(shí)施例1, b表示實(shí)施例2,c表示實(shí)施例3, d表示實(shí)施例4。
由圖4可知,在456. 08nm附近有一個(gè)顯著的吸收峰,對應(yīng)于Ce3+的4f到5d的躍遷,吸收藍(lán)色,反射黃色。且隨著Ce3+摻雜含量的提高,吸收峰強(qiáng)度有所增強(qiáng),黃色有所加深。在300nm附近是Ce3+至Ce4+的荷移躍遷峰。在煅燒過程中,氧原子在一定程度上擴(kuò)散進(jìn)晶格,氧空位減少。進(jìn)一步地,Ce3+容易失去一個(gè)電子變成Ce4+,形成F+色心。在此過程中,有電子被氧空位俘獲。電子在這一陷阱中能夠吸收可見光,從低能態(tài)躍遷到高能態(tài),呈現(xiàn)顏色。
掃描電鏡掃描測試
對實(shí)施例4中制備的無機(jī)黃色顏料進(jìn)行掃描電鏡掃描測試,結(jié)果如圖5所示。
由圖5可以看出,對于無機(jī)黃色顏料樣品而言,沒有明顯的硬團(tuán)聚現(xiàn)象,顆粒的直徑約為IOOnm。
色度測試
對Y3Al5O12以及實(shí)施例1-4中制備的無機(jī)黃色顏料進(jìn)行色度測量,結(jié)果如下表I所示
表I色度測量結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種無機(jī)黃色顏料,其具有Y(3-x)CexAl5012的結(jié)構(gòu),其中,O. 03 < X < O. 3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無機(jī)黃色顏料,其特征在于,該無機(jī)黃色顏料具有Y(3-x)CexAl5O12的結(jié)構(gòu),其中,O. 05彡X彡O. 3,優(yōu)選O. 05彡χ彡O. 2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無機(jī)黃色顏料,其特征在于,當(dāng)X< O.1時(shí),所述無機(jī)黃色顏料為石榴石結(jié)構(gòu),當(dāng)X > O.1時(shí),所述無機(jī)黃色顏料為石榴石結(jié)構(gòu)和含鈰螢石結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的無機(jī)黃色顏料的制備方法,該方法包括按照釔、鈰和鋁的摩爾比例,將氯化鋁、氯化釔和氯化鈰的混合溶液用作為沉淀劑的尿素和分散劑處理,然后加熱回流,用水洗滌所得沉淀,干燥后在1000-1500°C的溫度下煅燒,得到無機(jī)黃色顏料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無機(jī)黃色顏料的制備方法,其特征在于,為了配制氯化釔溶液,將氧化釔加濃鹽酸溶解,加熱使多余氯化氫氣體揮發(fā),優(yōu)選地,控制氯化釔溶液的PH為4。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的無機(jī)黃色顏料的制備方法,其特征在于,為了配制氯化鈰溶液,將碳酸鈰加濃鹽酸溶解,加熱使多余氯化氫氣體揮發(fā),優(yōu)選地,控制氯化鈰溶液的pH為4。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6任一項(xiàng)所述的無機(jī)黃色顏料的制備方法,其特征在于,所述分散劑為高分子分散劑,更優(yōu)選為聚乙烯吡咯烷酮、PEG等水溶性高分子化合物、或季銨鹽等表面活性劑等,還更優(yōu)選為聚乙烯吡咯烷酮。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7任一項(xiàng)所述的無機(jī)黃色顏料的制備方法,其特征在于,沉淀的煅燒溫度為1200-1500°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無機(jī)黃色顏料,其具有Y(3-x)CexAl5O12的結(jié)構(gòu),其中,0.03≤x≤0.3。本發(fā)明提供的無機(jī)黃色顏料中,色度值高,色澤鮮艷,而且,該無機(jī)黃色顏料性能穩(wěn)定,耐高溫性優(yōu)異,抗腐蝕性優(yōu)異,耐酸性優(yōu)異。此外,所述無機(jī)黃色顏料由于金屬離子難以溶出,因此對環(huán)境友好,是一種綠色環(huán)保的新型無毒無機(jī)黃色顏料,可用來替代含有毒重金屬如鉛、鉻、鎘等元素的傳統(tǒng)黃色顏料,從而有益于保護(hù)環(huán)境。
文檔編號(hào)C09C3/06GK103013185SQ20111028695
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者岳世娟, 江函捷, 劉翠格, 魏永巨, 徐怡莊, 吳瑾光 申請人:北京大學(xué), 河北師范大學(xué)