成果報告書詳細
管理番号20110000000988
タイトル平成22年度成果報告書 有害化学物質代替等技術開発 代替物質の開発 人体・環境に優しい新しい3原色無機顔料の開発
公開日2012/1/13
報告書年度2010 - 2010
委託先名国立大学法人大阪大学大学院工学研究科
プロジェクト番号P10014
部署名環境部
和文要約無機顔料は絵の具、セラミックス、プラスチック、塗料、ガラスなどの様々な用途で用いられている。化学工業において、毒性のない材料を使用することは、健康被害や環境破壊を防ぐ観点から極めて重要になっている。とりわけ、黄色無機顔料は特に需要の高い材料である。代表的な黄色無機顔料はカドミウム黄(CdS)や黄鉛(PbCrO4)であるが、これらの顔料は健康や環境に害を及ぼすカドミウム、鉛、6価クロムなどの有害元素を含んでいるため、その使用が制限されている。優環境型の黄色顔料としては、プラセオジム黄(ZrSiO4:Pr)やバナジン酸ビスマス(BiVO4)が知られているが、黄色の着色力が不十分であるという課題を有している。そこで本研究では、無害な元素のみからなり、鮮やかな色彩を呈する新規な環境調和型の黄色無機顔料の開発を目指した。
 まず、ゾルゲル法によりCe0.35Si0.35-xBi0.30AlxO2-(0.30+x)/2 (0≦x≦0.24)顔料を合成した。以前当研究室で開発したCe0.36Si0.31Bi0.33O1.835顔料は、800°Cで立方晶蛍石型構造が分解することにより色あせるという問題点があったが、これにAlを添加したCe0.35Si0.24Bi0.32Al0.09O1.795は900°Cでも蛍石型構造を保持し、さらにこれを850°Cで焼成した顔料において鮮やかな黄色が得られた。その色度座標はL*=74.5、a*=+11.6、b*=+75.1であり、黄色度を表すb*値は市販のプラセオジム黄顔料(b*=+70.3)をしのぐことが明らかとなった。
 また、水熱法によりBi1-xLaxVO4顔料を合成した。得られた各Bi1-xLaxVO4顔料は鮮やかな黄色を呈し、Bi0.90La0.10VO4において鮮やかな黄色の呈色が見られた。その色度座標はL*=92.8、a*=–14.6、 b*=+86.6であり、黄色度を表すb*値は市販のバナジン酸ビスマス顔料(b*=+74.4)を超えることが明らかとなった。
 当研究室で開発したCeO2-ZrO2-Bi2O3系複合酸化物黄色顔料のなかで最も黄色度の高いCe0.45Zr0.36Bi0.19O1.905試料について粉末X線回折測定を行い、その結果をリートベルト法により精密解析した。Ce0.45Zr0.36Bi0.19O1.905顔料は立方晶蛍石型構造(空間群Fm-3m)の単相であり、鮮やかな黄色を呈するには固溶体の生成が重要であることがわかった。
さらに、当研究室で開発したCe0.44Zr0.35Bi0.21O1.895顔料を有田焼の黄色上絵具(有鉛)へ応用した。Ce0.43Zr0.37Bi0.20O1.90顔料を用いることにより、伝統色の一つである有鉛の「中黄」の色合いを無鉛で忠実に再現できることがわかった。
英文要約Inorganic pigments have been applied in various products such as paints, ceramics, plastics, enamels, and glasses. Application of nontoxic materials in the chemical industry has become a significant area of interest, with the aim of reducing health hazards and environmental damage. In particular, inorganic yellow pigments are much in demand due to their utilities in many applications. Cadmium yellow (CdS) and chromium yellow (PbCrO4) used to be popular inorganic yellow pigments. However, the use of these pigments has been restricted because they contain hazardous elements such as cadmium (Cd), lead (Pb) and chromium (Cr), which are harmful not only to our health but also to the environment. Although praseodymium yellow (ZrSiO4:Pr) and bismuth vanadate (BiVO4) has been known as the environment-friendly inorganic yellow pigments, their coloring powers are not enough in comparison with those of the conventional toxic pigments. In this study, therefore, we synthesized and characterized novel environment-friendly inorganic yellow pigments composed of nontoxic materials with the potential to give brilliant color.
First, Ce0.35Si0.35-xBi0.30AlxO2-(0.30+x)/2 (0 ≦ x ≦ 0.24) pigments were synthesized by a sol-gel method. Although the cubic fluorite structure of the Ce0.36Si0.31Bi0.33O1.835 pigment decomposed at 800°C and the yellow color faded away, the Ce0.35Si0.24Bi0.32Al0.09O1.795 pigment maintained the fluorite structure even after calcination at 900°C. Furthermore, the most brilliant yellow hue was obtained for the Ce0.35Si0.24Bi0.32Al0.09O1.795 pigment calcined at 850°C. The L*a*b* color coordinate values of this sample are L*=74.5, a*=+11.6, and b*=+75.1, respectively, where the b* value corresponding to the yellow component is greater than that exhibited by a commercial praseodymium yellow pigment (b*=+70.3).
Then, Bi1-xLaxVO4 pigments were synthesized by a hydrothermal method. The Bi1-xLaxVO4 pigments show brilliant yellow colors, and the most vivid yellow hue was obtained for Bi0.90La0.10VO4, at which the L*a*b* color coordinate values are L*=92.8, a*=–14.6, and b*=+86.6, respectively, where the b* value is greater than that of a commercial bismuth vanadate pigment (b*=+74.4).
The structural feature of a Ce0.45Zr0.36Bi0.19O1.905 pigment, developed in our laboratory, was analyzed by means of a powder X-ray diffraction (XRD) technique. Rietveld analysis of the XRD pattern showed that the Ce0.45Zr0.36Bi0.19O1.905 pigment adopts the fluorite structure with cubic symmetry (Fm-3m) in a single phase form, indicating that formation of a solid solution is significant to create the brilliant yellow hue.
Finally, a Ce0.44Zr0.35Bi0.21O1.895 pigment developed in our laboratory was applied to the over-glaze decoration of Arita ware. The medium yellow (chuuki), which is a traditional color of the Arita ware but contain lead and antimony, could be replicated faithfully by the present
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