CN115925248A - 一种铁锰黑颜料的制备方法 - Google Patents

一种铁锰黑颜料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁锰黑颜料的制备方法,所述铁锰黑颜料为氧化铁和氧化锰的复合结构,制备方法是将硝酸铁和硝酸锰溶于水后加入一定比例的还原剂,置烘箱低温烘干,待水分快蒸发完全时转移到设定好点火温度的电炉中,发生燃烧反应,得到黑色前驱体粉末,再置电炉650‑750℃煅烧,得到超细的黑色颜料。本发明工艺简单、原料来源丰富,对设备要求较低,比较适用于大生产,其所得黑色颜料黑度高,粒径分布均匀,平均粒径较小,大大提高了铁锰黑的质量。

Description

一种铁锰黑颜料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷用黑颜料的制备方法,尤其是一种铁锰黑颜料的制备方法。
背景技术
黑色作为陶瓷颜料的主流色料,在颜料市场中的销量中处于领先地位。传统的黑色主要以氧化钴、氧化铁为着色剂在高温烧成中形成钴铁尖晶石结构,这种颜料在高温使用环境下呈色稳定,被广泛使用于高端陶瓷产品的表面装饰中。但由于氧化钴原料的价格涨幅较大,人们对于无钴黑的研究也越来越多。其价格低廉,但着色能力稍弱,主要以氧化铁和氧化锰作为原料,其色相偏红、黑度较差,故铁锰黑颜料的应用范围受限。
铁锰黑颜料的制备一般采用固相反应合成法,需要经过1000℃以上高温煅烧,铁锰离子均为变价金属离子,在煅烧过程中对窑炉中的气氛极为敏感,导致呈色不均匀,所得的黑色粉体粒径分布较宽(2μm-15μm),分散性较差,应用于高端坯体着色及釉水着色其包覆性能、着色能力较差。
燃烧法是合成纳米材料的一种制备方法。其主要过程包括:作为氧化剂的可溶性盐与有机燃料混合,受热后可自行分解,并放出大量的热,可燃性气体达到燃点可自行燃烧。燃烧温度很高,目标产物可以在短时间内进行合成,并由于产生大量气体,阻碍了晶粒的长大,得到疏松的前驱体粉末。采用此方法可有效避免煅烧过程中的气氛影响,所得产物为疏松的黑度较纯的粉体。目前,国内外用此方法合成铁锰黑颜料的报道还未见到。中国专利CN 108946818 B报道了一种黑色无机陶瓷颜料的制备方法,它的结构为YMn1-xFexO3固溶体结构,由于添加了硝酸钇提高了成本,并且包膜剂制备过程复杂,不进行包膜剂处理的颜料,在热稳定性、颜料表面光滑性等方面都不理想,同时最优化的煅烧温度较高。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种热稳定性好、表面光滑、分散均匀、呈色好的一种铁锰黑颜料的制备方法,具体技术方案为:
一种铁锰黑颜料的制备方法,具体包括以下步骤:
1)按比例称取硝酸铁和硝酸锰,加入水进行混合溶解,添加还原剂,搅拌至完全溶解得混合溶液;
2)将步骤1)得到的所述混合溶液放置到烘箱内进行烘干,待混合溶液含水量为5%-10%时,进行燃烧反应,得到前驱体粉末;
3)将步骤2)得到的所述的前驱体粉末进行煅烧,得到黑色煅烧料;
4)将步骤3)得到的所述黑色煅烧料与等质量的无水乙醇进行混合球磨,得到浆料,将浆料在烘箱内烘干,得到铁锰黑颜料。
优选的,步骤1)中所述的混合溶液中铁元素与锰元素的摩尔比(37-43):20,硝酸铁与硝酸锰中的硝酸盐的摩尔总量与还原剂的摩尔总量比为(4-6):5。
优选的,所述铁锰黑颜料为氧化铁和氧化锰的复合结构。
优选的,步骤1)中所述的还原剂为尿素。
优选的,步骤2)中所述燃烧反应的温度为250-400℃,燃烧反应时间为20分钟。
优选的,步骤3)中所述的前驱体粉末的煅烧温度为650-750℃,保温时间为150分钟。
优选的,步骤1)中所述的铁的硝酸盐为硝酸铁的结晶水合物,锰源为质量分数为50%硝酸锰的水溶液。
优选的,所得铁锰黑颜料黑度高,平均粒径为1-2微米。
优选的,步骤1)中加入总质量1~2倍的水进行混合溶解。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果:
本发明提供的一种铁锰黑颜料的制备方法的制备成本低、操作步骤简单、黑度高、粒径分布均匀,平均粒径为1-2微米,在650-750℃的煅烧温度下得到氧化铁和氧化锰的复合结构。
该方法采用燃烧法进行制备铁锰黑颜料,起到了节能的作用,并且有效地避免了传统高温煅烧过程气氛对颜料的影响,烧成温度降低,得到粒度分布均匀,平均粒径在1-2微米,黑度高的黑色颜料,其工艺简单,对设备要求不高,可以实现工业化生产,品质的提高扩大了铁锰黑颜料的使用范围。
在硝酸铁和硝酸锰溶液中添加还原剂,促使其在250-400℃发生燃烧反应,其反应放出的热量促使氧化锰和氧化铁形成氧化物复合结构。
硝酸锰和硝酸铁的摩尔比控制在一定范围内,使氧化铁和氧化锰复合形成色相好的黑色颜料。
燃烧得到的前驱体粉末在650-750℃温度下煅烧,避免了烧成过程中的气氛影响,降低了烧成温度,降低了能耗,有效避免了高温烧成过程中的晶粒长大,使烧成后粉体疏松,粒径分布均匀。
通过对煅烧后的粉末以无水乙醇为介质进行球磨细化,可以在后期热处理过程中避免粉体团聚。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
1)称取九水硝酸铁59.6g,质量分数为50%硝酸锰28.6g,加88.2g100℃去离子水进行溶解,用玻璃棒不停搅拌,直至完全溶解。称取10.9g尿素加入到混合溶液中,用玻璃棒继续搅拌直至尿素完全溶解。
2)将混合溶液转移到200mL坩埚中,置烘箱80℃烘干至混合溶液中含水率为5%。
3)将电炉设置好点火温度为250℃,保温时间为20min,温度达到250℃将装有混合溶液的坩埚放进电炉中,发生燃烧反应,得到疏松的前驱体粉末。
4)将前驱体粉末置电炉中650℃温度下煅烧,保温时间为150min,得到黑色的煅烧颜料。
5)将黑色的煅烧料与无水乙醇按1:1比例进行混合球磨,球磨时间为1h,再置烘箱80℃低温烘干3h,得到干燥疏松的黑色铁锰黑颜料。
6)得到的黑色铁锰黑颜料粒径分布均匀,平均粒径为1.58微米。
实施例2
1)称取九水硝酸铁68g,质量分数为50%硝酸锰28.6g,加144.9g100℃去离子水进行溶解,用玻璃棒不停搅拌,直至完全溶解。称取14.9g尿素加入到混合溶液中,用玻璃棒继续搅拌直至尿素完全溶解。
2)将混合溶液转移到200mL坩埚中,置烘箱90℃烘干至混合溶液中含水率为7.5%。
3)将电炉设置好点火温度为350℃,保温时间为20min,温度达到350℃将装有混合溶液的坩埚放进电炉中,发生燃烧反应,得到疏松的前驱体粉末。
4)将前驱体粉末置电炉中750℃温度下煅烧,保温时间为150min,得到黑色的煅烧颜料。
5)将黑色的煅烧料与无水乙醇按1:1比例进行混合球磨,球磨时间为1h,再置烘箱80℃低温烘干3h,得到干燥疏松的黑色铁锰黑颜料。
6)得到的黑色铁锰黑颜料粒径分布均匀,平均粒径为1.67微米。
实施例3
1)称取硝酸铁72.7g,质量分数为50%硝酸锰28.6g,加202.6g100℃去离子水进行溶解,用玻璃棒不停搅拌,直至完全溶解。称取18.7g尿素加入到混合溶液中,用玻璃棒继续搅拌直至尿素完全溶解。
2)将混合溶液转移到300mL坩埚中,置烘箱100℃烘干至混合溶液中含水率为10%。
3)将电炉设置好点火温度为400℃,保温时间为20min,温度达到400℃将装有混合溶液的坩埚放进电炉中,发生燃烧反应,得到疏松的前驱体粉末。
4)将前驱体粉末置电炉中750℃温度下煅烧,保温时间为150min,得到黑色的煅烧颜料。
5)将黑色的煅烧料与无水乙醇按1:1比例进行混合球磨,球磨时间为1h,再置烘箱80℃低温烘干3h,得到干燥疏松的黑色铁锰黑颜料。
6)得到的黑色铁锰黑颜料粒径分布均匀,平均粒径为1.32微米。
工艺简单、原料来源丰富,对设备要求较低,比较适用于大生产,其所得黑色颜料黑度高,粒径分布均匀,平均粒径较小,大大提高了铁锰黑的质量。
对比例1
1)称取硝酸铁72.7g,质量分数为50%硝酸锰28.6g,加202.6g100℃去离子水进行溶解,用玻璃棒不停搅拌,直至完全溶解。称取18.7g尿素加入到混合溶液中,用玻璃棒继续搅拌直至尿素完全溶解。
2)将混合溶液转移到300mL坩埚中,置烘箱100℃烘干至混合溶液中含水率为10%。
3)将电炉设置好点火温度为400℃,保温时间为20min,温度达到400℃将装有混合溶液的坩埚放进电炉中,发生燃烧反应,得到疏松的前驱体粉末。
4)将前驱体粉末置电炉中600℃温度下煅烧,保温时间为150min,得到的煅烧颜料呈色不均匀,黑色偏红相。
5)将煅烧料与无水乙醇按1:1比例进行混合球磨,球磨时间为1h,再置烘箱80℃低温烘干3h,得到干燥疏松颜料,但色相偏红相,黑度不够,有未参与合成的氧化铁。
对比例2
1)称取硝酸铁72.7g,质量分数为50%硝酸锰28.6g,加202.6g100℃去离子水进行溶解,用玻璃棒不停搅拌,直至完全溶解。称取18.7g尿素加入到混合溶液中,用玻璃棒继续搅拌直至尿素完全溶解。
2)将混合溶液转移到300mL坩埚中,置烘箱100℃烘干至混合溶液中含水率为10%。
3)将电炉设置好点火温度为400℃,保温时间为20min,温度达到400℃将装有混合溶液的坩埚放进电炉中,发生燃烧反应,得到疏松的前驱体粉末。
4)将前驱体粉末置电炉中800℃温度下煅烧,保温时间为150min,得到的干燥且略微烧结的煅烧料,且色料呈青灰色调,黑度差。
5)将煅烧料与无水乙醇按1:1比例进行混合球磨,球磨时间为1h,再置烘箱80℃低温烘干3h,得到干燥疏松的黑灰色铁锰黑颜料。
6)得到的铁锰黑颜料粒径分布不均匀,平均粒径为10.08微米。
对比例3
1)称取硝酸铁85g,质量分数为50%硝酸锰28.6g,加202.6g100℃去离子水进行溶解,用玻璃棒不停搅拌,直至完全溶解。称取18.7g尿素加入到混合溶液中,用玻璃棒继续搅拌直至尿素完全溶解。
2)将混合溶液转移到300mL坩埚中,置烘箱100℃烘干至混合溶液中含水率为10%。
3)将电炉设置好点火温度为400℃,保温时间为20min,温度达到400℃将装有混合溶液的坩埚放进电炉中,发生燃烧反应,得到疏松的前驱体粉末。
4)将前驱体粉末置电炉中750℃温度下煅烧,保温时间为150min,得到的色相为棕红色煅烧料,且呈色不均匀。
5)将煅烧料与无水乙醇按1:1比例进行混合球磨,球磨时间为1h,再置烘箱80℃低温烘干3h,得到棕红色颜料。
6)得到的颜料呈色不符合使用要求。
对比例4
1)称取硝酸铁72.7g,质量分数为50%硝酸锰28.6g,加202.6g100℃去离子水进行溶解,用玻璃棒不停搅拌,直至完全溶解。称取28.5g尿素加入到混合溶液中,用玻璃棒继续搅拌直至尿素完全溶解。
2)将混合溶液转移到300mL坩埚中,置烘箱100℃烘干至混合溶液中含水率为10%。
3)将电炉设置好点火温度为400℃,保温时间为20min,温度达到400℃将装有混合溶液的坩埚放进电炉中,发生燃烧反应,得到疏松的前驱体粉末,黑色中夹杂着未完全反应的碳渣。
4)将前驱体粉末置电炉中750℃温度下煅烧,保温时间为150min,得到的黑色不均匀的煅烧料,碳渣残留未完全反应掉。
5)将煅烧料与无水乙醇按1:1比例进行混合球磨,球磨时间为1h,再置烘箱80℃低温烘干3h,得到黑色颜料,其色相偏灰,黑度不纯。
6)得到的颜料呈色不符合使用要求。

Claims (9)

1.一种铁锰黑颜料的制备方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
1)按比例称取硝酸铁和硝酸锰,加入水进行混合溶解,添加还原剂,搅拌至完全溶解得混合溶液;
2)将步骤1)得到的所述混合溶液放置到烘箱内进行烘干,待混合溶液含水量为5%-10%时,进行燃烧反应,得到前驱体粉末;
3)将步骤2)得到的所述的前驱体粉末进行煅烧,得到黑色煅烧料;
4)将步骤3)得到的所述黑色煅烧料与等质量的无水乙醇进行混合球磨,得到浆料,将浆料在烘箱内烘干,得到铁锰黑颜料。
2.根据权利要求1所述的一种铁锰黑颜料的制备方法,其特征在于,
步骤1)中所述的混合溶液中铁元素与锰元素的摩尔比(37-43):20,硝酸铁与硝酸锰中的硝酸盐的摩尔总量与还原剂的摩尔总量比为(4-6):5。
3.根据权利要求1所述的一种铁锰黑颜料的制备方法,其特征在于,
所述铁锰黑颜料为氧化铁和氧化锰的复合结构。
4.根据权利要求1所述的一种铁锰黑颜料的制备方法,其特征在于,
步骤1)中所述的还原剂为尿素。
5.根据权利要求1所述的一种铁锰黑颜料的制备方法,其特征在于,
步骤2)中所述燃烧反应的温度为250-400℃,燃烧反应时间为20分钟。
6.根据权利要求1所述的一种铁锰黑颜料的制备方法,其特征在于,
步骤3)中所述的前驱体粉末的煅烧温度为650-750℃,保温时间为150分钟。
7.根据权利要求1所述的一种铁锰黑颜料的制备方法,其特征在于,
步骤1)中所述的硝酸铁为硝酸铁的结晶水合物,硝酸锰为质量分数为50%硝酸锰的水溶液。
8.根据权利要求1所述的一种铁锰黑颜料的制备方法,其特征在于,
所得铁锰黑颜料黑度高,平均粒径为1-2微米。
9.根据权利要求1所述的一种铁锰黑颜料的制备方法,其特征在于,
步骤1)中加入总质量1~2倍的水进行混合溶解。
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