Способ получения волластонитовых керамических пигментов на основе двухкальциевого силиката

Способ получения волластонитовых керамических пигментов на основе двухкальциевого силиката

Реферат

Изобретение относится к области производства пигментов для фарфоровых, полуфарфоровых и майоликовых изделий. Известен способ получения керамических пигментов с использованием золь-гель технологии, который позволил синтезировать пигменты при пониженных, по сравнению с общепринятыми, температурах [Monros G., Carda J., Tena М., Escribano P., Alarcon J. Unconventional methods of obtaining ceramic pigments from gels. // Tile and Brick Int. - 1990 - 6, №4. - p.39-40. Англ.]. Керамические пигменты отличаются высокой гомогенностью. Керамический пигмент цирконванадиевый синий, кроме снижения температуры окрашивания с 850 до 750°C, характеризуется уменьшенным отражением. Недостатком рассмотренного способа получения данных пигментов является необходимость использования чистых химических веществ, что усложняет процесс производства и делает его дорогим.

В работе [Diambarov St., Nicolov R., Deredjan A., Ivanova J., Dimitriev J., Kashieva E. Pigmentos ceramicos a base de silicate de cobalto obtenidos por el metodo sol - gel // Tecn. Ceram. - 1994. - №227. - c.677-681. Исп.] керамические пигменты на основе силиката кобальта получали золь-гель способом. Установлено, что золь-гель способ позволяет значительно снизить температуру синтеза пигментов, однако недостатком данного способа получения рассматриваемых пигментов также является использование химически чистых продуктов.

Прототипом предполагаемого изобретения является способ получения керамических пигментов, заключающийся в обработке смеси тонкомолотого природного волластонита 95-75 мас.% и 5-25 мас.% хромофора концентрированной соляной кислотой [Патент №2215715 РФ. МПК C04B 41/86, C09D 1/00. Способ получения керамических пигментов на основе волластонита / Седельникова М.Б., Погребенков В.М., Неволин В.М. // Заявлено 11.06.2002. Опубл. 10.11.03 Бюл. №31]. Образовавшийся гель высушивают и обжигают при температуре 1050-1100°C. Способ позволяет снизить температуру обжига пигментов на 100-150°C и повысить их яркость.

Недостатком данного способа является использование дорогостоящего материала - чистого высокосортного природного волластонита и большого количества хромофоров 5-25 мас.%, что приводит к удорожанию пигментов.

Задачей предполагаемого изобретения является повышение яркости волластонитовых пигментов при более низком содержании хромофоров, снижение затрат на производство, что достигается путем быстрого охлаждения (закалки) обжигаемых пигментов, а также использования промышленного отхода - двухкальциевого силиката (нефелинового шлама).

Поставленная задача достигается тем, что смешивают исходные материалы с солями ионов-хромофоров, обрабатывают концентрированной соляной кислотой для перевода дисперсной системы в гелеобразное состояние, перемешивают, высушивают и обжигают при температуре 1050-1100°С, с выдержкой 1 ч. В качестве исходных сырьевых материалов используют смесь двухкальциевого силиката с оксидом кремния, а после выдержки пигменты охлаждают в воде при комнатной температуре в течение 0.5 часа.

Нефелиновый шлам - продукт переработки природных нефелиновых руд при получении глинозема. Основным минералом нефелинового шлама является двухкальциевый силикат 2CaO·SiO₂. Синтез волластонитовых пигментов осуществляли согласно реакции:

2CaO ⋅ SiO 2 + SiO 2 → 2 ( CaO ⋅ SiO 2 )                   /1/

Смесь двухкальциевого силиката (нефелинового шлама) в количестве 63.0-70.4 мас.% с оксидом кремния 22.0-24.6 мас.% и хромофорами (солями переходных элементов 3-d подгруппы) в количестве 5-15 мас.% в пересчете на оксид, обрабатывают концентрированной соляной кислотой. При взаимодействии с HCl двухкальциевый силикат переходит в гелеобразное состояние, так как образуется хлористый кальций и кремнегель:

Ca 2 SiO 3 + 4HCl → 2CaCl 2 + H 4 SiO 4              /2/

В этот момент путем интенсивного перемешивания добиваются высокой степени гомогенизации и усреднения компонентов смеси. Высушенную смесь обжигают при температурах 1050-1100°C для прохождения реакции /1/ с выдержкой 1 час. Сразу после выдержки пигменты охлаждают в воде при комнатной температуре в течение 0.5 часа.

Температуры ниже 1050°C не достаточно для образования интенсивной окраски пигмента, а повышение температуры обжига выше 1100°С способствует потемнению окраски и образованию плотного, трудноразмалываемого спека. Выдержка при максимальной температуре 1 час способствует окончательному завершению процессов фазообразования кристаллической структуры волластонита, образования цветонесущей фазы. Быстрое охлаждение (закалка) в воде при комнатной температуре необходимо для фиксации высокотемпературного состояния материала, при котором большее количество ионов-хромофоров остается в кристаллической структуре пигмента.

Преимуществом данного способа является получение пигментов с более яркой окраской при пониженном содержании хромофоров за счет более интенсивного внедрения красящих ионов в решетку волластонита, снижение затрат на производство пигментов за счет использования отхода производства и сокращения времени, затрачиваемого на обжиг пигментов.

Пример

Компоненты шихты, мас.%: двухкальциевый силикат (нефелиновый шлам), измельченный до остатка на сите №0063 не более 2 мас.%, - 66.7, оксид кремния - 23.3, оксид кобальта (в виде раствора соли Co(NO₃)₂·6H₂O) - 10 (в пересчете на оксид) смешивают, увлажняют водой и добавляют концентрированную соляную кислоту из расчета 6.2 г HCl на 10 г шихты при интенсивном перемешивании. Образовавшийся гель высушивают, затем обжигают при температуре 1050-1100°C с выдержкой 1 час. Сразу после выдержки пигменты охлаждают в воде при комнатной температуре в течение 0.5 часа.

После охлаждения пигмент измельчают до остатка на сите №0063 не более 0.2 мас.%, наносят на обожженные изделия, которые глазуруют и повторно обжигают при температуре 850°С. Пигмент обладает следующими свойствами: цвет пигмента - синий, доминирующая длина волны 477 нм, чистота тона - 30%.

Полученные по данному способу пигменты в зависимости от введенного хромофора имеют синюю, зеленую и оливковую окраску. Они устойчивы в интервале температур 650-850°С и могут использоваться для получения надглазурных красок, легкоплавких глазурей.

В таблице 1 приведен химический состав нефелинового шлама.

В таблице 2 приведен компонентный состав пигментов.

В таблице 3 представлены цветовые характеристики пигментов.

Таблица 1
Вид нефелинового шлама	Содержание оксидов, мас.%
SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	K2O	Δmпрк
Нефелиновый шлам Ачинского глиноземного комбината	29,12	3,67	4,55	53,20	1,45	2,16	0,90	4,96

Таблица 2
№ пигмента	Содержание основных компонентов, мас.%
Ca2SiO4	SiO2	CoO	Cr2O3
HB 1	70,4	24,6	5,0	-
HB 2	66,7	23,3	10,0	-
HB 3	63,0	22,0	15,0	-
HB 4	70,4	24,6	-	5,0
HB 5	66,7	23,3	-	10,0
HB 6	63,0	22,0	-	15,0

Таблица 3
№ пигмента	Координаты цветности	Цвет	Длина волны, λ, нм	Чистота тона, Р, %
x	y	z
HB 1	0,21	0,20	0,59	серовато-синий	475	26
HB 2	0,21	0,21	0,58	синий	477	30
HB 3	0,20	0,21	0,59	синий	478	33
HB 4	0,33	0,37	0,30	травянисто-зеленый	548	19
HB 5	0,33	0,40	0,27	зеленый	555	32
HB 6	0,36	0,44	0,20	темно-оливковый	562	54

Способ получения волластонитовых керамических пигментов на основе двухкальциевого силиката, включающий смешивание исходных компонентов с солями ионов-хромофоров, обработку концентрированной соляной кислотой для перевода дисперсной системы в гелеобразное состояние, перемешивание, высушивание и обжиг при температуре 1050-1100°C с выдержкой 1 ч, отличающийся тем, что в качестве исходных материалов используют смесь двухкальциевого силиката с оксидом кремния, а после выдержки пигменты охлаждают в воде при комнатной температуре в течение 0,5 ч.