DD293568A5 - METHOD FOR PRODUCING POWDER-FORMED COBALT ALUMINATE - Google Patents

Abstract

Kobaltaluminat findet vielfaeltige Anwendung als blaues Farbpigment in der Porzellan-, Glas- und Farbenindustrie. Auch als Farbkomponente in Leuchtstoffen, z. B. fuer blaue Leuchtstoffe der Fernsehfarbbildroehre wird Kobaltaluminat eingesetzt. Das Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem mit geringem Regelungsaufwand und geringer Prozeszstufenzahl ein feinteiliges, pulverfoermiges Kobaltaluminat mit vollstaendiger Spinellstruktur, hoher Lichtreflexion im Bereich von 450 nm und niedriger Lichtreflexion um 600 nm erzeugt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Faellverfahren zu schaffen, mit dem aus in Loesung befindlicher Kobalt- und Aluminiumverbindung ohne Verwendung von Alkali- bzw. Sodaloesung ein reiner Niederschlag mit homogener Verteilung der beiden Fallkomponenten gewonnen werden kann, der nach Filtrieren, Trocknen und Kalzinieren ein feinteiliges, pulverfoermiges Kobaltaluminat mit Spinellstruktur und hoher Lichtreflexion im blauen Farbbereich liefert. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaesz dadurch geloest, dasz ein waeszriges Loesungsgemisch aus Kobaltsalz, Aluminiumsalz und Oxalsaeure in den Molverhaeltnissen Co:Al0,38:1 bis 0,44:1 und Co:C2O21:0,2 bis 1:0,8 hergestellt wird und dieses mit Ammoniak so vermischt wird, dasz waehrend der Bildung des Niederschlages ein p H-Wert von 7 bis 9 eingehalten wird. Der Niederschlag wird abgetrennt, gewaschen, getrocknet und bei Temperaturen zwischen 1 000 und 1 400C kalziniert.Cobalt aluminate is widely used as a blue color pigment in the porcelain, glass and paint industry. Also as a color component in phosphors, eg. B. for blue phosphors of the television color picture tube cobalt aluminate is used. The object of the invention is to provide a process in which a finely divided pulverulent cobalt aluminate with complete spinel structure, high light reflection in the range of 450 nm and low light reflection around 600 nm is produced with low control effort and low process number. The invention has for its object to provide a Faellverfahren, with the in-solution cobalt and aluminum compound without the use of alkali or Sodaloesung a pure precipitate can be obtained with a homogeneous distribution of the two case components, after filtration, drying and calcination a finely divided, pulverulent cobalt aluminate with spinel structure and high light reflection in the blue color range. This object is achieved according to the invention by preparing a continuous solution of cobalt salt, aluminum salt and oxalic acid in the molar ratios Co: Al0.38: 1 to 0.44: 1 and Co: C2O21: 0.2 to 1: 0.8, and this is mixed with ammonia so that during the formation of the precipitate, a p H value of 7 to 9 is maintained. The precipitate is separated, washed, dried and calcined at temperatures between 1 000 and 1 400C.

Description

Anwendungsgeblot der ErfindungApplication blot of the invention

Kobaltall mlnat findot vielfältige Anwendung als blaues Farbpigment in der Porzellan-, Glas- und Farbenindustrie. Auch als Farbkomponente in Leuchtstoffen, z.B. für blaue Leuchtstoffe der Fernsehfarbbildröhre wird Kobaltaluminat eingesetzt. Sehr feinteiligei pulverförmiges Kobaltaluminat mit Spinellstruktur und hohem Lichtreilexionsvermögen im Bereich von 450 nm weist dabei für einige Anwendungsfälle besonders vorteilhafte Eigenschaften auf, für andere Anwendungen wie Farbfernsehleuchtstoffe ist solches Aluminat unabdi.igbar.Kobaltall mlnat is widely used as a blue color pigment in the porcelain, glass and paint industry. Also as a color component in phosphors, e.g. for blue phosphors of the television color picture tube cobalt aluminate is used. Very feinteiligei powdered cobalt aluminate with spinel structure and high Lichtreilexionsvermögen in the range of 450 nm has for some applications, particularly advantageous properties, for other applications such as color television such aluminate is unabdi.igbar.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Kobaltaluminat ist auf zwei prinzipiellen Wegen darstellbar:Cobalt aluminate can be represented in two principal ways:

- durch Mischen der beiden Komponenten CoO und AI]Oj, Glühen des Gemisches bei 1000 bis 1400⁰C und anschließendes Feinmahlen des Reaktionskuchens;- By mixing the two components CoO and Al] Oj, annealing of the mixture at 1000 to 1400 ⁰ C and then finely grinding the reaction cake;

- durch Herstellung einer Co- und ΑΙ-enthaltenden Lösung, Sprühtrocknung dieser Lösung oder gemeinsame Fällung schwerlöslicher Verbindungen aus dieser Lösung und anschließende Glühbehandlung des Sprühgranulates bzw. des von der Lösung getrennton Niederschlages bei Temperaturen zwischen 1000 und 1400⁰C.- By preparation of a Co- and ΑΙ-containing solution, spray drying of this solution or co-precipitation of sparingly soluble compounds from this solution and subsequent annealing of the spray granules or separated from the solution precipitate at temperatures between 1000 and 1400 ⁰ C.

Der erste Weg wird industriell in breitem Maße angewendet. Das resultierende Kobaltaluminat ist vielseitig einsetzbar als Farbpigment z. B. in Porzellanfarben, Glasuren, Emails und Anstrichfarben. Es weist jedoch auch verfahrensbedingte Mängel auf. Die vollständige Spinellbildungsreaktion der mechanisch gemischten Pulver erfordert lange Reaktionszeiten und/oder hohe Reaktionstemperaturen. Dies führt infolge von Sintervorgängen im Material zur Ausbildung harter und grober Reaktionsprodukte, welche durch eine nachfolgende Mahlbehandlung wieder pulverisiert werden müssen. Der Mahlprozeß ist jedoch stets verbunden mit dem Eintrag von Verunreinigungen, welche die Lichtreflexion im blauen Farbberoich ungünstig beeinflussen können. Zudem ist es beim Stand der Technik außerordentlich schwierig, feinteilige Pulver mit Korngrößen um oder unter 1 \im auf diesem Wege herzustellen. Aus den genannten Gründen kann die Herstellung von Kobaltaluminat aus einer gemeinsamen Lösung für die Erzielung phasenreiner, !einteiliger Pulver mit hohem Reflexionsvermögen im blauen Farbbereich vorteilhaft sein. Dabei kann die Lösung direkt in eine heiße Kammer eingesprüht werden. Je nach der Temperatur in der Kammer findet lediglich eine Trocknung des Materials oder bereits eine Zersetzung der Salze und Bildung von Kobaltaluminat statt. Da die gesamte Lösung in der ersten Phase eingetrocknet wird, enthält das resultierende Pulver auch sämtliche nichtverdampfbaren Inhaltsstoffe einschließlich der Verunreinigungen. Dieses Verfahren erfordert daher möglichst reine Ausgangsstoffe. Gleichzeitig wächst mit der Feinteiligkeit der Pulver der Aufwand für die Abscheidung der Produkte aus dem Gasstrom. Die Pulvermorphologie wird bei der Sprühtrocknung weitgehend durch die Auslegung des Sprühers festgelegt. Bei Verwendung hochviskoser Lösungen der Alkoxiverbindungen des Kobalts und Aluminiums kann direkt die Zersetzung der Lösungen ohne vorherige Sprühtrocknung durchgeführt werden. Hierbei resultieren sehr homogene Produkte, deren Spinellbildungsreaktion bis auf Temperaturen von 650°C abgesenkt werden konnte. Wegen des hohen Preises der Alkoxiverbindungen haben sich jedoch solche Varianten der Kobaltaluminatherstellung niclit etablieren können. Ein gebräuchliches Verfahren zur Herstellung von homogenen Gemischen aus mehreren Stoffen ist die Kofällung aus einer homogenen Lösung. Die Kofällung setzt dabei voraus, daß die Komponenten unter den Prozeßbedingungen schwerlösliche Produkte liefern. Hier ergeben sich jedoch mit Kobaltverbindungen wegen der starken Neigung der Koualtionen zur Komplexbildung mit vielen gebräuchlichen Fällmitteln wie z. B. Ammoniak Schwierigkeiten. In einem bekannt gewordenen Verfahren (DE-OS 2840870) werden diese Schwierigkeiten umgangen, indem zunächst aus einer Kobaltsalzlösung mittels Alkalien oder Soda Co-Hydroxid oder Kobaltkarbonat ausgefällt wird. In die so gebildete Suspension, die einen pH-Wert von 8 aufweisen soll, wird boi Temperaturen zwischen 50 und 9O⁰C gleichzeitig eine Aluminiumsalzlösung und eine Alkali- oder Hydroxidlösung so zugegebs·:, daß während der Bildung des Aluminiumniederschlages ein pH-Wert von 6,9 bis 7 eingehalten wird. Nach Filtrieren, Trocknen und Kalzinieren des Niederschlages bei 1000⁰C wird ein transparentes kobaltblaues Farbpigment erhalten.The first way is widely used industrially. The resulting cobalt aluminate is versatile as a color pigment z. As in porcelain paints, glazes, enamels and paints. However, it also has procedural shortcomings. The complete spinel formation reaction of the mechanically mixed powders requires long reaction times and / or high reaction temperatures. As a result of sintering processes in the material, this leads to the formation of hard and coarse reaction products which have to be pulverized again by a subsequent grinding treatment. However, the grinding process is always associated with the entry of impurities which can adversely affect the light reflection in the blue Farbberoich. In addition, it is extremely difficult in the prior art to produce finely divided powders with particle sizes of less than or equal to 1 μm in this way. For these reasons, the production of cobalt aluminate from a common solution can be advantageous for obtaining phase-pure, one-part powders with high reflectivity in the blue color range. The solution can be sprayed directly into a hot chamber. Depending on the temperature in the chamber, only a drying of the material or even a decomposition of the salts and formation of cobalt aluminate takes place. Since the entire solution is dried in the first phase, the resulting powder also contains all non-volatile ingredients including the impurities. This method therefore requires as pure as possible starting materials. At the same time, with the fineness of the powders, the expense of depositing the products from the gas stream increases. The powder morphology is largely determined during spray drying by the design of the sprayer. When using highly viscous solutions of the alkoxy compounds of cobalt and aluminum, the decomposition of the solutions can be carried out directly without prior spray drying. This results in very homogeneous products whose spinel formation reaction could be lowered to temperatures of 650 ° C. Because of the high price of the alkoxy compounds, however, such variants of cobalt aluminate production have not been able to establish themselves. A common method for the preparation of homogeneous mixtures of several substances is the coprecipitation of a homogeneous solution. Co-precipitation requires that the components provide poorly soluble products under the process conditions. Cobalt compounds, however, give rise to complex formation with many conventional precipitating agents, such as those due to the strong tendency of the conjugate ions. B. ammonia difficulties. In a method which has become known (DE-OS 2840870), these difficulties are avoided by first precipitating co-hydroxide or cobalt carbonate from a cobalt salt solution by means of alkalis or soda. In the suspension thus formed, which should have a pH of 8, Boi temperatures between 50 and 9O ⁰ C at the same time an aluminum salt solution and an alkali or hydroxide solution is added so that during the formation of the aluminum precipitate, a pH of 6.9 to 7 is complied with. After filtration, drying and calcination of the precipitate at 1000 ⁰ C, a transparent cobalt blue color pigment is obtained.

Das Verfahren erfordert aber durch die zwei Fällschritte mit unterschiedlichen Fällungsparametern eine recht komplizierte Regelung. Eine optimale homogene Verteilung von Co und Al ist nicht erreichbar, wodurch die vollständige Spinellbildung erschwert wird. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist, daß mit Alkali- bzw. Sodalösungen gearbeitet wird. Hierbei ist zu erwarten, daß ein Teil der Alkaliionen bei der Fällung mitgerissen werden, die beim anschließenden Waschprozeß oder bei der Glühung nicht oder nur sehr schwer zu entfernen sind. Diese wirken sich negativ auf die optischen Eigenschaften des Pulvers aus.However, the process requires a rather complicated control by the two precipitation steps with different precipitation parameters. An optimal homogeneous distribution of Co and Al is not achievable, making complete spinel formation difficult. Another disadvantage of the method is that it works with alkali or soda solutions. It is to be expected that a portion of the alkali ions will be entrained in the precipitation, which are difficult or impossible to remove during the subsequent washing process or during the annealing. These have a negative effect on the optical properties of the powder.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem mit geringem Regelungsaufwand und geringer Prozeßstufenzahl ein feinteiliges, pulverförmiges Kobaltaluminat mit vollständiger Spinellstruktur, hoher Lichtreflexion im Bereich von 450nm und niedriger Lichtreflexion um 600nm erzeugt wird.The object of the invention is to provide a process in which a finely divided, powdery cobalt aluminate with complete spinel structure, high light reflection in the range of 450 nm and low light reflection around 600 nm is produced with low control effort and low process stage number.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fällverfahren zu schaffen, mit dom aus in Lösung befindlicher Kobalt- und Aluminiumverbindung ohne Verwendung von Alkali- bzw. Sodalösung ein reiner Niederschlag mit homogener Verteilung der beiden Fallkomponenten gewonnen werden kann, der nach Filtrieren, Trocknen und Kalzinieren ein feinteiliges, pulverförmiges Kobaltaluminat mit Spinellstruktur und hoher Lichtreflexion im blauen Farbbereich liefert. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein wäßriges Lösungsgemisch aus Kobaltsalz, Aluminiumsalz und Oxalsäure in den Molverhältnissen Co:AI = 0,38:1 bis 0,44:1 und COiC₂O₂ = 1:0,2 bis 1:0,8 hergestellt wird und dieses mit Ammoniak so vermischt wird, daß während der Bildung des Niederschlages ein pH-Wert von 7 bis 9 eingehalten wird. Der Niederschlag wird abgetrennt, gewaschen, getrocknet und bei Temperaturen zwischen 1000⁰C und 1400⁰C kalziniert. Die Ausgangslösung ist zeitlich beständig, ohne daß es zu einer Ausfällung des schwerlc Jichen Kobaltoxalates kommt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt nach Abtrennen des rötlichen Niederschlages» ein völlig farbloses Filtrat vor, was auf eine vollständige Fällung des Kobalts hindeutet. Dies ist insofern bemerkenswert, als bekanntlich Kobalt in Gegenwart von Ammoniumionen zur Bildung leicht löslicher Co-Il-Komplexe und zudem noch durch Reaktion mit Luftsauerstoff zur Bildung sehr stabiler und gut löslicher Co-III-Komplexe neigt. Offensichtlich führt gerade die gemeinsame Fällung von Aluminiumhydroxid und basischen Kobaltoxalaten zu einer festen Adsorption des Kobalts im Niederschlag, wodurch eine Komplexbildung und Oxidation unterdrückt wird. Der Einsatz unterstöchiometrischer Mengen an Oxalsäure zur Fällung des Kobalts führt gleichzeitig zu einer Erhöhung der Lichtreflexion des Pulvers im blauen Farbbereich nach dem Verglühen zum Aluminat. Das Maximum der Lichtreflexion liegt bei Verwendung eines Molverhältnisses von Co:Oxalsäure = 0,5.The invention has for its object to provide a precipitation method, with dom of in-solution cobalt and aluminum compound without using alkali or soda solution, a pure precipitate can be obtained with homogeneous distribution of the two case components, after filtration, drying and calcination a finely divided, powdered cobalt aluminate with spinel structure and high light reflection in the blue color range provides. This object is inventively achieved in that an aqueous solution mixture of cobalt salt, aluminum salt and oxalic acid in the molar ratios Co: AI = 0.38: 1 to 0.44: 1 and COiC ₂ O ₂ = 1: 0.2 to 1: 0 , 8 and this is mixed with ammonia so that during the formation of the precipitate, a pH of 7 to 9 is maintained. The precipitate is separated, washed, dried and calcined at temperatures between 1000 ⁰ C and 1400 ⁰ C. The starting solution is stable over time without precipitation of the heavy cobaltous potassium oxalate. After the removal of the reddish precipitate, according to the process of the invention, a completely colorless filtrate is present, which indicates a complete precipitation of the cobalt. This is remarkable insofar as it is known that cobalt in the presence of ammonium ions tends to form easily soluble Co-II complexes and moreover by reaction with atmospheric oxygen to form very stable and readily soluble Co-III complexes. Obviously, the coprecipitation of aluminum hydroxide and basic cobalt oxalates leads to a solid adsorption of cobalt in the precipitate, which suppresses complex formation and oxidation. The use of substoichiometric amounts of oxalic acid to precipitate the cobalt simultaneously leads to an increase in the light reflection of the powder in the blue color range after the calcination to the aluminate. The maximum of the light reflection is when using a molar ratio of Co: oxalic acid = 0.5.

Soll ein feinteiliges und waiches Farbpigmentpulver hergestellt werden, ist insbesondere auch der Trockungsprozeß zu beachten. Durch einfaches Trocknen an Luft des mit Wasser gewaschenen Niederschlages tritt eine Verhärtung der Pulverteilchen bzw. des Filterkuchens auf. Vorteilhaft ist hier der Ersatz des Wassers in den Kapillaren des Niederschlages durch organische Lösungsmittel niedrigerer Oberflächenspannung z. B. durch Alkohol oder Aceton.Gleiche Ergebnisse werden durch die Anwendung der Gefriertrocknung erreicht. Der trockene Niederschlag wird abschließend geglüht. Die Spinellphase bildet sich schon ab etwa 1000⁰C bei Glühzeiten von 2 Stunden.If a finely divided and waiches color pigment powder are prepared, in particular, the drying process is observed. By simply drying in air of the water-washed precipitate, a hardening of the powder particles or of the filter cake occurs. Advantageous here is the replacement of the water in the capillaries of the precipitate by organic solvents lower surface tension z. By alcohol or acetone. Similar results are achieved by the use of freeze-drying. The dry precipitate is finally calcined. The spinel phase is formed from about 1000 ⁰ C at annealing times of 2 hours.

Ausführungsbeispielembodiment

1 kg Co(NOj)₂ 6H₂O und 3,1 kg AI(NO₃I₃ · 9H₂O und 0,21 kg H₂C₂O₄ · 3H₂O worden in 30 Liter destilliertem Wasser bei Raumtemperatur gelöst. Die Lösung wird abgekühlt auf 10"C und gemeinsam mit konzentrierter Ammoniaklösung (25%g) langsam in ein gekühltes Reaktionsgefäß gegeben.1 kg of Co (NOj) ₂ 6H ₂ O and 3.1 kg of Al (NO ₃ I ₃ .9H ₂ O and 0.21 kg of H ₂ C ₂ O ₄ .3H ₂ O were dissolved in 30 liters of distilled water at room temperature. The solution is cooled to 10 "C and added slowly, together with concentrated ammonia solution (25% g), to a cooled reaction vessel.

Die Lösung im Reaktionsgefäß wird kräftig gerührt, der pH-Wert wird mit einor Glaselektrode kontrolliert. Die Ammoniakzugabe wird so dosiert, daß der pH-Wert in den Grenzen zwischen 7,8 und 8,2 schwankt. Nach 90 Minuten ist der Fällvorgang beendet. Der Verbrauch an Ammoniaklösung liegt bei 1,45 Liter. Der pH-Wert nach Ende der Fällung beträgt 8,0. Aus dem Reaktionsgsfäß wird die Fällsuspension nun auf ein Vakuumfilter gepumpt und dort filtriert. Mit 3 Portionen destillierten Wassers zu je 1 Liter wird der Filterkuchen nachgewaschen und in Aluminiumschalen im Gefn'ertrockenschrank bis auf -2O⁰C eingefroren und dann im Vakuum bei einer oberen Guttemperatur von +2O⁰C getrocknet. Das trockene Produkt wird abschließend bei 1200°C in Sinterkorund-Kalzinierschalen 2 Stunden, geglüht. Es werden 615g Kobaltaluminat mit Spinellphase, einer spezifischen Oberfläche von 25 mVg und einer Lichtreflexion bei einer Wellenlänge von 470nm von 76% erhalten.The solution in the reaction vessel is stirred vigorously, the pH is controlled with a glass electrode. The ammonia addition is metered so that the pH varies within the limits between 7.8 and 8.2. After 90 minutes the felling process is finished. The consumption of ammonia solution is 1.45 liters. The pH after the precipitation is 8.0. From the Reaktionsgsfäß the precipitation suspension is now pumped onto a vacuum filter and filtered there. With 3 portions of distilled water to 1 liter of the filter cake is rinsed and frozen in aluminum trays in Gefn'ertrockenschrank to -2O ⁰ C and then dried in vacuo at an upper temperature of + 2O ⁰ C. The dry product is finally annealed at 1200 ° C in sintered corundum calcination shells for 2 hours. 615 g of cobalt aluminate with spinel phase, a specific surface area of 25 mVg and a light reflection at a wavelength of 470 nm of 76% are obtained.

Claims (1)

Verfahren zur Herstellung von feinteiligem Kobaltaluminatpulver von Spinellstruktur und mit hoher Lichtreflexion im blauen Farbbereich durch Kofällung von in Lösung befindlicher Kobalt- und Aluminiumverbindungen mit anschließendem Filtrieren, Trocknen und Kalzinieren, dadurchgekennzeichnet, daß ein wäßriges Lösungsgemisch aus Kobaltsalz, Aluminiumsalz und Oxalsäure in den Molverhältnissen Co:AI = 0,38:1 bis 0,44:1 bisCo:C₂O₂= 1:0,2 bis 1:0,8 hergestellt wird und dieses mit Ammoniak so vermischt wird, daß während der Bildung des Niederschlages ein pH-Wert von 7 bis 9 eingehalten wird.Process for the preparation of finely divided cobalt aluminate powder of spinel structure and having high light reflection in the blue color range by co-precipitation of cobalt and aluminum compounds in solution followed by filtration, drying and calcining, characterized in that an aqueous solution mixture of cobalt salt, aluminum salt and oxalic acid in the molar ratios Co: Al = 0.38: 1 to 0.44: 1 to Co: C ₂ O ₂ = 1: 0.2 to 1: 0.8 is prepared and this is mixed with ammonia so that during the formation of the precipitate, a pH Value of 7 to 9 is respected.