水热法合成纳米钴蓝色料的工艺研究及性能表征

论文摘要

本文采用水热法合成纳米尖晶石型钴蓝色料,系统研究了反应温度、保温时间、填充度、pH值、钴铝比、起始原料种类以及离子浓度等对合成色料物相组成、显微结构和呈色效果的影响,得出最佳工艺参数;在此基础上添加有机物,研究有机物的种类、加入量以及冷却制度对合成色料的影响;最后分别掺杂ZnCl2和CrCl3,探讨不同掺杂量对固溶体型Co-Zn-Al和Co-Cr-Al色料的影响。采用XRD、TEM、FT-IR、分光光度计、色度仪等测试手段对样品进行表征,分析色料的呈色变化及机理。研究结果表明,以CoCl2·6H2O和AlCl3为原料,在Co2+∶Al3+=1∶2、Co2+浓度为0.15 mol/L、Al3+浓度为0.3mol/L、pH=13、70%填充度、245℃保温20h的条件下,用水热法可制备出纯度较高的粒径多为70nm左右八面体形纳米CoAl2O4,其晶形完整、外观呈色较好,其中Al（OH）3的残余量不超过5.7%。在上述工艺条件下,以CoSO4·7H2O和Al2（SO4）3·18H2O为原料,其浓度均为0.05mol/L时,才能制得纯相的CoAl2O4;以Co（NO3）2·6H2O和Al（NO3）3·9H2O为原料时,样品的颜色始终为绿色。从各项性能上综合考虑,起始原料以CoCl2·6H2O和AlCl3最佳。不同有机物的添加实验表明,有机物的种类和含量对合成CoAl2O4的形貌、颜色、粒径大小都有很大影响。保持CoCl2·6H2O和AlCl3为原料的合成工艺参数不变,当加入体积分数为12%的三乙醇胺时,可制得粒径多为100nm左右的球形CoAl2O4;当加入体积分数为12%的丙三醇时,可制得粒径多为5070nm的类四边形或八面体形CoAl2O4;而且加入这两种有机物所得CoAl2O4的色度值优于未加入有机物的样品。但就这两者相比,加入三乙醇胺者呈色更好。冷却制度对合成CoAl2O4的形貌和粒径大小都有很大影响,采用每30min降温9℃直至温度降至80℃、再自然冷却至室温的冷却制度,可明显改变样品的大小和形貌,且呈色有一定影响。制备固溶体型钴蓝色料时,在Co1-xZnxAl2O4系统中,加氯化锌能降低水热合成温度,当x=0.05时,230℃下保温20h便能制得粒径多为50nm左右、晶形较为完整、呈色较好的尖晶石型Co0.95Zn0.05Al2O4;在CoAl2-xCrxO4系统中,当x=0.1时,在245℃下保温20h能制得晶形发育不完全、呈色较好的尖晶石型CoAl1.9Cr0.1O4,随着氯化铬掺杂量的增加,产物从蓝色逐步转化为绿色,并且颜色逐渐变深。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 2 文献综述
• 2.1 陶瓷色料及其发展
• 2.2 陶瓷色料颜色评价的物理学原理
• 2.2.1 颜色的产生
• 2.2.2 颜色的物理学原理
• 2.2.3 陶瓷色料的评价
• 2.3 陶瓷色料物相组成和结构分析的主要方法
• 2.3.1 X 射线衍射物相分析（XRD）
• 2.3.2 透射电镜分析（TEM）
• 2.3.3 失重差热综合分析（TG-DTA）
• 2.3.4 傅里叶红外光谱分析（FT-IR）
• 2.4 钴蓝色料概述
• 2.5 钴蓝色料的结构和呈色机理
• 2.5.1 钴蓝色料的结构
• 2.5.2 呈色机理
• 2.6 钴蓝色料的发展趋势
• 2.7 本研究领域的国内外现状及发展趋势
• 2.8 水热法简介
• 2.8.1 水热法定义
• 2.8.2 水热法的研究历史
• 2.8.3 水热法的优点
• 2.8.4 影响水热反应的因素
• 2.8.4.1 反应温度对晶体生长的影响
• 2.8.4.2 溶液（或溶剂）填充度、浓度和pH 值对晶体生长的影响
• 2.8.4.3 杂质对晶体生长的影响
• 2.9 本课题的意义及主要研究内容
• 3 实验部分
• 3.1 实验原料及设备
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验设备
• 3.1.2.1 水热反应釜
• 3.1.2.2 其它设备
• 3.2 实验内容与方法
• 3.2.1 实验设计思路
• 3.2.2 实验工艺流程
• 2O₄ 合成工艺流程'>3.2.2.1 CoAl₂O₄合成工艺流程
• 3.2.2.2 添加有机物的实验工艺流程
• 3.2.2.3 水热过程反应方程式
• 2O₄ 最佳合成工艺参数研究'>3.2.3 尖晶石型CoAl₂O₄最佳合成工艺参数研究
• 3.2.3.1 确定最佳反应温度的实验
• 3.2.3.2 确定最佳保温时间的实验
• 3.2.3.3 确定最佳填充度的实验
• 3.2.3.4 确定最佳pH 值的实验
• 3.2.3.5 确定最佳钴铝比的实验
• 3.2.3.6 确定最佳反应物浓度的实验
• 3.2.3.7 确定最佳起始原料的实验
• 4·7H₂O、Al₂（SO₄）₃·18H₂O 浓度的实验'>3.2.3.8 确定最佳CoSO₄·7H₂O、Al₂（SO₄）₃·18H₂O 浓度的实验
• 2O₄ 合成的影响'>3.2.4 有机物对CoAl₂O₄合成的影响
• 3.2.4.1 有机物不同种类的实验
• 3.2.4.2 确定最佳有机物加入量的实验
• 3.2.4.3 确定保温时间对合成产物形貌影响的实验
• 2O₄ 合成影响的实验'>3.2.4.4 确定冷却制度对CoAl₂O₄合成影响的实验
• 3.2.5 固溶体型钴蓝色料的制备
• 1-xZn_xAl₂O₄ 系统研究'>3.2.5.1 CO_1-xZn_xAl₂O₄系统研究
• 2-xCr_xO₄ 系统研究'>3.2.5.2 CoAl_2-xCr_xO₄系统研究
• 3.3 性能表征
• 3.3.1 XRD 分析
• 3.3.2 TG-DTA 分析
• 3.3.3 TEM 分析
• 3.3.4 FT-IR 分析
• 3.3.5 分光反射率分析
• 3.3.6 色度测试
• 4 结果与讨论
• 2O₄ 合成的影响'>4.1 工艺参数对CoAl₂O₄合成的影响
• 2O₄ 合成的影响'>4.1.1 反应温度对CoAl₂O₄合成的影响
• 2O₄ 合成的影响'>4.1.2 保温时间对CoAl₂O₄合成的影响
• 2O₄ 合成的影响'>4.1.3 填充度对CoAl₂O₄合成的影响
• 2O₄ 合成的影响'>4.1.4 pH 值对CoAl₂O₄合成的影响
• 2O₄ 合成的影响'>4.1.5 钴铝比对CoAl₂O₄合成的影响
• 2O₄ 合成的影响'>4.1.6 反应物浓度对CoAl₂O₄合成的影响
• 2O₄ 合成的影响'>4.1.7 不同起始原料对CoAl₂O₄合成的影响
• 4·7H₂O、Al₂（SO₄）₃·18H₂O 浓度对CoAl₂O₄ 合成的影响'>4.1.8 CoSO₄·7H₂O、Al₂（SO₄）₃·18H₂O 浓度对CoAl₂O₄合成的影响
• 2O₄ 合成的影响'>4.2 有机物对CoAl₂O₄合成的影响
• 2O₄ 合成的影响'>4.2.1 有机物种类对CoAl₂O₄合成的影响
• 2O₄ 合成的影响'>4.2.2 有机物的加入量对CoAl₂O₄合成的影响
• 4.2.3 保温时间对合成产物形貌的影响
• 2O₄ 合成的影响'>4.2.4 冷却制度对CoAl₂O₄合成的影响
• 4.3 固溶体型钴蓝色料的制备
• 1-xZn_xAl₂O₄ 系统的研究'>4.3.1 Co_1-xZn_xAl₂O₄系统的研究
• 1-xZn_xAl₂O₄ 合成的影响'>4.3.1.1 不同锌的取代量对Co_1-xZn_xAl₂O₄合成的影响
• 0.95Zb_0.05Al₂O₄ 色料的影响'>4.3.1.2 不同反应温度对Co_0.95Zb_0.05Al₂O₄色料的影响
• 2-xCr_xO₄ 系统的研究'>4.3.2 CoAl_2-xCr_xO₄系统的研究
• 5 结论
• 6 问题与不足
• 致谢
• 参考文献
• 附件