Способ получения кордиеритовых керамических пигментов
Владельцы патента RU 2332366:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Изобретение относится к области получения термостойких керамических пигментов для окрашивания керамических масс и глазурей, а также для получения подглазурных и надглазурных керамических красок. Способ заключается в том, что шихту, содержащую смесь талька, каолина и технического глинозема, обеспечивающую стехиометрический состав кордиерита, смешивают с раствором хромофора концентрацией 4.0-15.6 г-ион/100 г раствора в соответствии с объемным соотношением «порошок минерала:раствор хромофора» 1:1-1:4 и подвергают кипячению в течение 30-60 минут. Затем осадок отделяют от раствора, сушат и обжигают при температуре 1100-1200°С. Кипячение шихты обеспечивает более равномерное распределение окрашивающей соли по объему смеси минеральных порошков перед синтезом, что облегчает процесс встраивания красящих ионов в кристаллическую структуру кордиерита во время обжига и позволяет повысить яркость пигментов. Полученные пигменты имеют ярко-синюю, бежевую, песочную, зеленую, красно-коричневую окраску. Технический результат изобретения - получение кордиеритовых пигментов, устойчивых к агрессивному воздействию расплавленной глазури, высоких температур. 4 табл.
Область использования предлагаемого изобретения - керамическое производство, получение термостойких керамических пигментов.
Известны марганецсодержащие керамические пигменты кордиеритового состава, синтезированные путем последовательного эквимолекулярного замещения MgO в составе кордиерита на MnO (Черепанина Л.И., Пырков В.П., Глебычева А.И., Визир Л.А., Денисов А.Н. Марганецсодержащие пигменты кордиеритового типа. /Стекло и керамика. 1985.- №6. - С.22-23). В качестве исходных материалов использовали оксиды MgO, Al2O3, MnO2, SiO2. Температура обжига пигментов 1300-1320°С. В окраске пигментов преобладают пастельные тона от розовато-бежевого до бежевого с коричневым оттенком. Недостатком данного способа можно считать высокую температуру синтеза и нестабильность окраски при различной концентрации MnO2 в шихте.
Согласно другому способу получения неорганических пигментов [Авторское свидетельство СССР №1353787, кл. С09С 1/02, 1987] природный диоксид подвергают кипячению в 25-50%-ном растворе соли окрашивающего металла при 90-120°С в течение 15-60 мин. После этого суспензию фильтруют, осадок переносят в керамическую емкость и сушат при 120-180°С до постоянной массы. Недостатком приведенного способа получения пигментов является то, что окрашивание происходит в поверхностном слое зерен минерала, поэтому полученные пигменты при обжиге, в основном, теряют окраску. По этой причине данные пигменты рекомендованы как неорганические.
Прототипом предлагаемого изобретения является способ получения минеральных керамических пигментов [RU 2255911, кл. С03С 1/04, опубл. 10.07.2005], включающий обработку шихты растворами солей металлов 3-d подгруппы с концентрацией иона-хромофора 4.0-15.6 г-ион/100 г раствора в соответствии с объемными соотношениями порошок минерала:раствор хромофора 1:1-1:4, отделение осадка, сушку, обжиг при температуре 950-1100°С. Недостатком прототипа является то, что обработке подвергается шихта, в состав которой входит минерал из группы диопсид, волластонит, тремолит и цеолит, а также раствор хромофора. Данный способ можно усовершенствовать, если подвергать обработке шихту, содержащую исходные сырьевые материалы для синтеза кристаллической структуры пигмента, а также хромофор.
Задачей предлагаемого изобретения является получение кордиеритовых керамических пигментов с применением стадии кипячения шихты (смеси талька, каолина, глинозема, обеспечивающей стехиометрический состав кордиерита) в растворе окрашивающих солей, для повышения яркости пигментов. Преимущество данного способа заключается в том, что кипячение шихты обеспечивает более равномерное распределение окрашивающей соли по объему смеси минеральных порошков перед синтезом, что облегчает процесс встраивания красящих ионов в кристаллическую структуру кордиерита во время обжига и позволяет повысить яркость пигментов. В таблице 1 представлен химический состав используемого сырья.
Смесь талька, каолина и глинозема измельчают до остатка на сите №0063 не более 2%. Растворы солей хромофоров готовят из расчета, чтобы концентрация ионов-хромофоров соответствовала предельной растворимости, что составляет от 4.0 до 15.6 г-ион/100 г раствора в зависимости от вида соли. Содержание ионов-хромофоров в растворах солей показано в таблице 2.
Порошок шихты заливают раствором соли в объемном соотношении 1:4 затем кипятят в течение 30-60 мин. После этого суспензию фильтруют, осадок сушат при 120-180°С до постоянной массы. Обжиг проводят при температурах 1100-1200°С.
В соотношении порошка шихты и раствора хромофора повышение объемной доли раствора больше 4 неэффективно, поскольку не улучшает окраску и ведет к перерасходу сырьевых материалов; понижение объемной доли раствора хромофора меньше 1 не обеспечивает должной концентрации красящего иона в смеси.
Уменьшение длительности кипячения менее 30 минут не обеспечивает достаточно полного распределения ионов-хромофоров по объему минеральной шихты, кипячение более 60 минут нецелесообразно.
Температура обжига пигментов ниже 1100°С не обеспечивает формирования кордиеритовой структуры пигментов. При температуре 1200°С кристаллическая структура кордиерита формируется полностью и дальнейшее повышение температуры нецелесообразно. Полученные пигменты опробовали в качестве подглазурных красок для декорирования майоликовых изделий.
Пример
Для приготовления раствора берут 26.58 г соли FeSO4·7H2O на 100 мл воды (исходя из предельной растворимости соли). Концентрация Fe2+ в полученном растворе составляет 4.23 г-ион/100 г раствора. В коническую колбу загружают шихту, содержащую тальк Онотского месторождения 39.5 мас.%, каолин Просяновского месторождения 47.1 мас.%, глинозем технический 13.4 мас.% и приготовленный раствор в объемном соотношении 1:4 (твердое вещество:жидкость). Производят кипячение в течение 1 часа. Жидкость отфильтровывают, осадок высушивают и обжигают при температуре 1200°С. Полученный спек измельчают до прохождения через сито №0063 (10000 отв./см2). Пигмент наносят на обожженное изделие, которое затем глазуруют и повторно обжигают при температуре 1050°С. Полученный пигмент обладает следующими свойствами: цвет - ярко-кирпичный, доминирующая длина волны 615 нм, чистота тона 63%. Цветовые характеристики пигментов представлены в таблице 4. Примеры получения пигментов предлагаемым способом приведены в таблице 3.
Полученные пигменты имеют ярко-синюю, бежевую, песочную, зеленую, красно-коричневую окраску. Они устойчивы к действию высоких температур и расплавленной глазури и могут использоваться для получения подглазурных, надглазурных красок, окрашивания керамических масс и глазурей.
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОРДИЕРИТОВЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ
| Таблица 1 | ||||||||
| Сырье | Содержание компонентов, мас.% | Δmпрк, % | ||||||
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | СаО | MgO | TiO2 | R2O | ||
| Онотский тальк | 61.27 | 0.61 | 0.41 | 0.50 | 32.23 | - | - | 4.98 |
| Просяновский каолин | 46.73 | 37.43 | 0.72 | 0.71 | 0.65 | 0.47 | 0.18 | 13.12 |
| Глинозем технический, Гoo | 0.02 | 98.73 | 0.03 | - | - | 0.01 | 0.4 | 0.8 |
| Таблица 2 | ||||
| Fe2+ | Со2+ | Cr3+ | Mn2+ | Cu2+ |
| 4.0-4.2 | 4.0-10.0 | 4.0-9.2 | 4.0-8.8 | 4.0-15.6 |
| Таблица 3 | |||
| Шихта, мас.% | Вид красящего иона | Содержание ионов-хромофоров в растворах солей, г-ион/100 г раствора | Тобж, °С |
| Со2+ | 9.0 | 1200 | |
| Тальк - 39.5 | Cr3+ | 5.0 | 1200 |
| Каолин - 47.1 | Mn2+ | 8.0 | 1100 |
| Al2O3 - 13.4 | Cu2+ | 13.0 | 1100 |
| Fe2+ | 4.0 | 1100 |
| Таблица 4 | |||||
| Пигмент | Координаты цветности | Длина волны, нм, λ | Чистота тона, Р,% | Цвет пигментов | |
| X | Y | ||||
| Тобж=1100°С | |||||
| КП1 - Mn | 0.37 | 0.34 | 600 | 13 | кофейный |
| КП2 - Cu | 0.43 | 0.35 | 596 | 36 | песочный |
| КП3-Fe | 0.55 | 0.35 | 615 | 63 | ярко-кирпичный |
| Тобж=1200°С | |||||
| КП4 - Cr | 0.34 | 0.48 | 557 | 62 | травянисто-зеленый |
| КП5 - Со | 0.19 | 0.20 | 478 | 35 | ярко-синий |
Способ получения керамических пигментов, включающий обработку минеральной шихты растворами солей металлов 3d подгруппы с концентрацией иона-хромофора 4,0-15,6 г-ион/100 г раствора в соответствии с объемными соотношениями «порошок минерала: раствор хромофора» 1:1-1:4, отделение осадка, сушку, обжиг, отличающийся тем, что для изготовления пигмента кордиеритового состава в качестве шихты используют смесь талька, каолина и технического глинозема, обеспечивающую стехиометрический состав кордиерита, обработку шихты растворами солей металлов осуществляют кипячением в течение 30-60 мин, осадок обжигают при 1100-1200°С.
