低温燃烧合成（LCS）制备镨铈红陶瓷颜料及其呈色机理的研究

摘要

以Ce(NO3)3·6H2O，Pr6O11为主要原料，利用低温燃烧合成(简称LCS)技术在250℃左右引燃，成功地合成了一系列从粉红到红色直至棕红的具有纳米晶粒的Pr-CeO2红色稀土陶瓷颜料。用传统烧结法与LCS制备法作了对比研究，并对LCS制备法所合成的Pr-CeO2红颜料进行了水热处理，研究了其对晶粒生长发育及呈色性能的影响。 实验表明：低温燃烧合成技术具有合成速度快(整个过程仅需数分钟即可完成)、反应着火温度低(＜300℃)、能耗大大降低以及合成出的Pr-CeO2红颜料粉体晶粒细小(达到纳米级)等突出优点。与固相烧结法相比，LCS法合成出的Pr-CeO2红颜料的红度值a*稍低。其原因主要是固相烧结法将物料在高温下长时间保温，使颜料颗粒的结晶良好，利于呈色。对其进行水热处理后，红度值a*有所提高。说明水热处理使晶体结构更趋完善，有利于其呈色。对该稀土颜料在600℃，800℃，1000℃，1200℃分别进行热处理，热处理后其红色明显加深；在1200℃下，对该颜料分别进行0.25h，0.5h，1h，2h，3h，4h保温，发现保温2h的红度值a*最佳。对低温燃烧法合成出的颜料进行热处理，不同时间保温结果以2小时为最好；不同温度下保温以1200℃为宜。 采用DSC，XRD，SEM，TEM，XPS，EDS，CIE色差计等现代测试方法对产物晶体结构、晶体形貌和晶粒尺寸、Pr的掺杂量进行了研究，并对前驱物着火温度、Pr的价态及呈色机理进行了探讨。不同的Pr掺杂量对前驱物的着火温度、产物的晶粒尺寸、色度值、主波长均有不同程度的影响。 结果表明，该红色稀土颜料为萤石型结构。未发现其它新相生成，说明Pr掺杂进入CeO2晶格，并形成固溶体。合成出的颜料具有纳米晶粒，其晶粒尺寸在9nm～41nm之间。该红色颜料中Pr主要是以Pr3+的形式存在于Pr-CeO2固溶体中，未发现Pr4+。其呈色机理是因为Pr的掺杂，Pr3+置换了CeO2晶体中的Ce4+，并同时产生氧离子空位，使晶格发生畸变，自由电子陷落在氧离子空位中而形成缺陷，即形成氧离子空位的杂质色心，导致其吸收波长为600nm左右的光，从而呈现出红色色调。不同的Pr掺杂量对前驱物的着火温度影响不大，影响着火温度的主要因素是氧化剂的分解温度；在一定范围内产物的晶粒尺寸随Pr掺杂量的增加而降低；色度值中的红度值a*在X=0.05时出现最大值，以后随Pr掺杂量增加而降低，但当X＞0.35时a*变化就不明显了；掺杂入Pr颜料的主波长在589～595nm之间变化，呈现出红色色调。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

前言

一文献综述

1.1陶瓷颜料

1.1.1陶瓷颜料的发展

1.1.2陶瓷颜料及其分类

1.1.3陶瓷颜料的呈色

1.2稀土在陶瓷颜料中的应用

1.2.1稀土元素概述

1.2.2稀土陶瓷颜料

1.3燃烧合成技术

1.3.1燃烧合成技术基本原理

1.3.2国内外发展概况

1.3.3低温燃烧合成技术

1.4本课题的研究内容、目的和任务

二实验与结果

2.1实验仪器与药品

2.1.1实验仪器

2.1.2实验药品

2.2低温燃烧合成

2.2.1工艺流程

2.2.2改变Pr掺杂量合成镨铈红陶瓷颜料

2.3热处理

2.3.1不同温度下的热处理

2.3.2不同时间下的热处理

2.3.3水热处理

2.4固相法合成

2.5测试与表征

三分析与讨论

3.1镨铈红颜料的低温燃烧合成技术的研究

3.1.1燃烧剂的选择

3.1.2燃烧剂与反应物配比的确定

3.1.3前驱物着火温度的确定

3.1.4体系反应热力学

3.2镨铈红陶瓷颜料结构、呈色性能及呈色机理的研究

3.2.1产物结构及晶粒尺寸

3.2.2呈色性能的研究

3.2.3呈色机理的研究

3.3对环境的友好性

3.3.1低毒性

3.3.2无放射性

3.3.3节约能耗与时间

四结论

参考文献

附录1：反应焓的计算

附录2：绝热温度的计算

附录3：晶粒尺寸的计算

致谢

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