硅酸锆包裹改性炭黑色料的影响因素研究摘要：通过溶胶-凝胶法合成了硅酸锆包裹氧化改性炭黑(ZrSiO4/C)色料，采用XRD、色度仪和TEM等分析手段对色料进行表征。研究了改性C的球磨方式、溶剂种类和成型压力等工艺因素对ZrSiO4合成及ZrSiO4/C色料色度的影响规律。结果表明：着色剂C粉的形貌对包裹色料的色度影响明显，手磨过筛后的C粉呈颗粒状，分布均匀，制得的色料黑度较高，而经过振动球磨后的C呈絮状，不宜进行包裹；水溶剂会导致异质聚合Si-O-Zr键断裂，形成同质聚合，不利于包裹体ZrSiO4的低温合成，从而影响色料的呈色；过高的成型压力阻碍了ZrSiO4合成过程中的SiF4气相传质，影响了ZrSiO4的正常生长，不利于炭黑包裹和色料的发色。关键词：硅酸锆包裹炭黑色料；球磨方式；溶剂种类；成型压力；溶胶-凝胶法黑色陶瓷色料是装饰材料中很重要的一种色料，常采用铬、铁、锰、镍、铜、钴等金属氧化物形成同晶混合型尖晶石，并且纯正的黑色色料必须使用一定量的价格昂贵的氧化钴，因此考虑到重金属对人体健康的伤害以及成本的要求，迫切需要研究开发新型黑色陶瓷色料。炭黑是一种重要的黑色色料，具有很强的着色能力和耐候性。然而，炭黑颜料高温稳定性差，一般在800℃以上就完全被氧化分解。具有核-壳结构的包裹型炭黑材料成为无毒黑色陶瓷色料发展的方向。硅酸锆(ZrSiO)具有高熔点(2500℃)、高折射率(1.93~2.01)、化学性能稳定，并有较强的抗高温釉熔体的特性和较大的内部空间而成为首选的包裹相。包裹炭黑色料的呈色效果及稳定性依赖于ZrSiO晶体的形成及其对着色剂的包裹程度，其中着色剂C的形貌和ZrSiO基体的合成有着至关重要的影响。本文成功制备了呈色性能优良的包裹型ZrSiO/C陶瓷颜料，并通过XRD、色度仪、TEM等测试手段研究了C的球磨方式、溶剂种类和成型压力等对ZrSiO合成及ZrSiO/C色料色度的影响规律。1、实验(1)改性炭黑的制备过程：将10.00g炭黑原料与100ml浓硝酸溶液(68%)充分搅拌后，100℃恒温回流3h。然后，再将混合物反复用水分离洗涤至中性，干燥得到硝酸氧化改性炭黑。通过手工研磨过250目筛或振动球磨的方式对C粉进行形貌和粒度控制，再将C粉与溶剂混合后磁力搅拌3h，形成稳定的C粉悬浮液。(2)硅酸锆溶胶的制备：配制正硅酸乙酯(TEOS)和氟化锂(LiF)摩尔比为1∶0.3的混合液，均匀搅拌后，再根据硅锆摩尔比为1.2称取四氯化锆(ZrCl)置于混合液中，按1.5mol/L的ZrSiO溶胶浓度控制乙醇溶剂加入量，充分搅拌后经110℃油浴回流24h，得到ZrSiO溶胶。(3)硅酸锆包裹炭黑色料的制备：按C量占理论合成ZrSiO基体10wt.%的比例将稳定的炭粉悬浮液加入经回流后的ZrSiO溶胶中并不断搅拌3h，然后快速蒸发溶剂进行干燥，加压成片后，经1000℃/4h的密封热处理，再敞开氧化900℃保温1h以除去未包裹的C，得到ZrSiO/C色料。2、结果与讨论2.1、炭粉不同球磨方式对色料色度的影响ZrSiO/C包裹色料的包裹模型就如同一个“足球”，由ZrSiO粒子组成外层的“足球皮”，炭黑粒子就位于足球的核心。炭黑极易氧化，包裹体硅酸锆晶体结构相对稳定，且又是一种强乳浊剂。因此，炭黑的呈色除了取决于ZrSiO是否形成一个致密的包裹层，还取决于色剂C的粒度、形貌是否适宜包裹以及包裹层的厚度。而振动球磨的C粉颗粒集聚程度较大，二次颗料的粒径能达微米级，而大部分一次颗粒呈絮状，形貌极不规则。按照包裹模型，作为着色剂的炭黑的微观结构应该接近于球形，具有最大的比表面积，更易被包裹。手磨过筛后的C粉呈颗粒状，分布均匀，更容易被硅酸锆颗粒组成的封闭球状空间所包裹，制得的色料明度较低。而经过振动球磨后的C呈絮状，明显不易进行包裹，并且振动球磨的C一次颗粒粒径在几纳米到几十纳米范围内，粒径细小，极易团聚，因此，振动球磨后的C粉反而不适宜作为包裹色料着色剂。2.2、C粉悬浮液中溶剂对ZrSiO的合成和ZrSiO/C色料色度的影响市售炭黑表面的极性官能团、非极性官能团的含量都很低，因此炭黑很难稳定地分散在极性或非极性溶剂中。经过硝酸改性后的炭黑表面酸性含氧官能团增多，增加了炭黑表面亲水基团，有利于炭黑在水中的分散；炭黑含氧基团在水中离解，如COOH基团离解成-COO-，从而使双电...