| 环保型钴蓝/黏土矿物杂化颜料的制备及应用研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 张安杰 | |
| Thesis Advisor | 王爱勤 ; 刘鹏 |
| 2018-11-26 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 环境材料与生态化学研究发展中心 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 杂化颜料 尖晶石 CoAl2O4 黏土矿物 成色机理 Hybrid pigment Spinel Clay minerals Formation mechanism |
| Abstract | 钴蓝（或称为铝酸钴，CoAl2O4）作为一种典型的环保尖晶石型无机颜料，由于具有优异的耐热、耐酸碱性能，可应用于涂料、陶瓷和塑料等行业。但受限于钴原料价格和传统制备技术缺陷，高性能钴蓝价格昂贵，因此限制了其在相关领域的广泛应用。因此，亟需发展低成本、高色度、粒径可控的钴蓝颜料制备技术，以期降低钴蓝颜料生产成本，提高其颜色性能和分散性能。近年来，基体型无机/无机杂化材料引起了科研工作者的广泛关注。黏土矿物来源丰富，价格便宜，是构筑无机/无机杂化材料的理想基体。因此，本论文基于黏土矿物的结构特性，通过现有物理化学技术在其表面担载钴蓝纳米粒子，制备结构和性能可控的钴蓝/黏土矿物杂化颜料。通过系统考察不同制备方法、不同黏土矿物对钴蓝/黏土矿物杂化颜料颜色性能的影响规律，揭示了钴蓝/黏土矿物杂化颜料的呈色机理，并将钴蓝/黏土矿物杂化颜料应用到不同树脂体系和ABS塑料中，考察了其在涂料和塑料中的应用性能。取得的主要结果如下： 1、基于固相法生产工艺简单，污染少等优点，以高岭石、Co3O4和α-Al2O3为原料，采用固相法制备了钴蓝/高岭石杂化颜料。研究结果显示，在杂化颜料制备过程中，引入高岭石有利于提高Co3O4和Al2O3的分散程度，降低钴蓝高温晶化过程的传质阻力，有效提升了钴蓝颜料的颜色性能（L*=43.7，a*=−7.9，b*=−59.3），降低了形成尖晶石型钴蓝的转变温度（1100°C），缩短了反应时间。将制得钴蓝/高岭石杂化颜料应用于环氧防腐涂料，利用其片状形貌和优异化学稳定性，明显提升了环氧防腐涂料的耐酸、耐碱和耐腐蚀性能。 2、为了克服固相法煅烧温度高，反应不充分、粒径分布宽等缺点，以高岭石、可溶性钴盐和铝盐为原料，采用共沉淀法制备了钴蓝/高岭石杂化颜料。研究表明采用共沉淀法可进一步改善钴铝氢氧化物在高岭石表面分散性能，降低了钴蓝高温晶化过程的传质阻力，有效提升了钴蓝颜色性能（L*=41.7，a*=−3.0，b*=−62.9），降低钴蓝晶相转变温度至1000°C。此外，基于杂化颜料的粗糙表面，采用十六烷基三乙氧基硅烷对杂化颜料进行表面修饰，成功构筑了超疏水钴蓝/高岭石杂化颜料，所制备的杂化颜料对水具有较高接触角(164.3o)和较低滚动角(1o)。将制得超疏水钴蓝/高岭石杂化颜料应用于耐热树脂中，提升了耐热涂料的热阻性能，同时赋予其自清洁性能。 3、以高岭石、可溶性钴盐和铝盐为原料，采用微波水热制备了高蓝值钴蓝/高岭石杂化颜料。研究结果显示，微波水热有利于加速前驱体合成与晶化速度，提高纳米晶体的结晶度和钴蓝尖晶石结构四面体中的Co2+含量，降低纳米粉体的煅烧温度，所得杂化颜料的b*值可达-70.5。此外，将制得杂化颜料应用于ABS塑料中，其拉伸强度、抗冲击强度和弯曲强度分别提升了27%、48.7%和50%。 4、以高岭石、可溶性钴盐和铝盐为原料，联合氨基酸诱导作用和共沉淀技术制备了钴蓝/高岭石杂化颜料。氨基酸作为两性物质，分子中的氨基和羧基会诱导Co2+与其发生配位，从而对杂化颜料进行结构调控。在弱碱性条件下（pH=8）制备的钴蓝杂化颜料颜色性能最优（L*=41.3，a*=0.0，b*=-62.0）。此外，在加热过程中氨基酸发生分解，瞬间释放大量的热可有效降低钴蓝颜料的晶相转变温度低至800°C。 5、由于Co2+和Mg2+具有相似的离子半径，Mg2+可部分替代Co2+进入钴蓝四面体位置形成Mg掺杂的钴蓝颜料。以海泡石为天然镁源，采用共沉淀法制备了Mg掺杂钴蓝/海泡石杂化颜料。研究表明海泡石作为一种天然富镁含水硅酸盐黏土矿物，可提供Mg2+部分替代尖钴蓝尖晶石晶格中Co2+，形成Mg掺杂钴蓝杂化颜料。来源于海泡石镁掺杂不仅可以改善钴蓝颜色性能（L*=55.8,a*=-2.3,b*=-55.0），同时也能降低钴蓝颜料生产成本。将其应用于有机硅热阻涂料可明显提升涂料的耐热性能。 6、不同黏土矿物具有不同的形貌和组成，引入黏土矿物制备钴蓝杂化颜料，一方面可以降低颜料生产成本和尖晶石结构形成温度，另一方面黏土矿物组分直接影响颜料颜色性能，尤其是氧化铝。为此，几种典型的富铝硅酸盐黏土矿物，采用共沉淀法制备了钴蓝/黏土矿物杂化颜料，包括埃洛石、蒙脱石、高岭石、红柱石、地开石及莫来石。通过关联黏土矿物组成和钴蓝颜料颜色性能之间的关系，明晰了钴蓝/黏土矿物杂化颜料的呈色机理。由于钴、铝氢氧化物溶度积常数的差异，在共沉淀反应过程中，部分Al(OH)3发生溶解形成AlO2-，使得杂化颜料中的钴铝比小于2，黏土矿物作为补偿铝源调控反应体系的钴铝比，同时与钴蓝形成固溶体。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/26304 |
| Collection | 环境材料与生态化学研究发展中心 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 张安杰. 环保型钴蓝/黏土矿物杂化颜料的制备及应用研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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