Die Erfindung betrifft ein industrielles Verfahren zur Herstellung agglomeratarmer
Eisenoxid-, vorzugsweise Fe2O3- und Ferrit-Pulver mit einer Teilchengröße im
Nanometerbereich, vorzugsweise unter 100 nm, danach hergestellte Pulver und
deren Verwendung.
Der Fachwelt ist allgemein bekannt, daß sich mit gleichmäßig feinkörnigen Pul
vern der o. g. chemischen Verbindungen interessante, technisch anwendbare Ei
genschaften erzielen lassen. Entsprechend vielfältig sind die Bemühungen, durch
Verfahren, die sich im technischen Maßstab durchführen lassen, möglichst feine
und dabei nicht allzu stark streuende Teilchengrößen dieser Stoffgruppe zu errei
chen. Dabei werden auch Verfahren zur Herstellung entsprechend feinteiliger
Pulver aus anderen anorganischen Verbindungen auf ihre Übertragbarkeit auf die
eingangs erwähnte Stoffgruppe untersucht.
Das wahrscheinlich wichtigste und in der Pigmentindustrie weitgehend kommer
ziell benutzte Verfahren zur Herstellung von Eisenoxid mit Teilchengrößen im
Nanometerbereich besteht in der thermischen Zersetzung von Eisencarbonyl und
gleichzeitige Oxidation des in situ erzeugten Eisenmetalls. Je nach Einstellung
der Reaktionsbedingungen wird rotes (DE 22 10 279 A1) oder gelbes Eisen
oxidpigment (DE 23 44 196 C2) gewonnen. Nachteilig an diesen Verfahren ist der
Aufwand auch an Energie zur Durchführung der verschiedenen Verfahrensstufen
sowie das anfallende giftige Abgas CO.
Solche Pigmente sind auch durch naßchemische Ausfällung erhältlich und zwar
sowohl gelbe (US 2.558.302; US 2.558.304) als auch rote Pigmente (DE 25 08 932 A1;
EP 0 704 501 A1). Hier ist für die Entsorgung oder Kreislaufführung der
Anionen (vornehmlich Sulfat- und Chlorid-Ionen) der eingesetzten Eisensalze
Sorge zu tragen.
Agglomerationen bei der Ausfällung von Eisenhydroxid zur Herstellung von
Fe2O3-Pulver hat man durch den Zusatz geringer Mengen oberflächenaktiver
Stoffe zur Lösung der Eisensalze vor der Ausfällung zu verhindern gesucht. Diese
oberflächenaktiven Stoffe sollen sich bei der anschließenden thermischen Zerset
zung des Eisenhydroxides rückstandsfrei zersetzen (DD 252 816 B1). Dabei wur
den elektronenmikroskopisch bestimmte Teilchendurchmesser von 0,4 µm oder
0,5 µm und spezifische Oberflächen von 4 m2/g bzw. 5 m2/g erreicht. Nachteilig ist
hierbei, daß nach der thermischen Zersetzung eine erneute mechanische Zerstö
rung von Agglomeraten durch Mahlen erfolgen muß, da die oberflächenaktiven
Stoffe bei der Zersetzung erfindungsgemäß zersetzt wurden und somit keine Wir
kung mehr entfalten können. Neben dem technischen Aufwand der erneuten
Feinmahlung besteht hier in nachteiliger Weise die Gefahr des Eintrages von
Fremdstoffen aus dem Abrieb des Mahlaggregates.
In diesem Zusammenhang sind auch weitere organische Dispergiermittel ggf. in
Verbindung mit einer Ultrafiltration der Lösungen bekannt geworden, wie bei
spielsweise Fettalkohole (DE 195 14 515 A1), Kunstharze (US 4.474.866) oder
Ausfällung innerhalb eines Submicrometer-Ionentauscherharzes (US 5.358.659).
Zum Teil sollen die gewonnenen ferromagnetischen Teilchen mit Abmessungen
im Nanometerbereich zur Bereitung "magnetischer Flüssigkeiten" in Suspension
verbleiben, was nicht der Aufgabe der vorliegenden Erfindung entspricht.
Diesem Ziel dient auch ein Verfahren, bei welchem die wässrige Suspension mit
einer Kombination eines Silans und eines polaren organischen Lösungsmittels
stabilisiert wird (WO 97/38 058). Da die Nanometerteilchen einen Silan-Überzug
aufweisen, ist diese Suspension nicht überall einsetzbar. Der Schwerpunkt der
Anwendung liegt im medizinischen Bereich sowie als Toner.
FeO, nicht jedoch Fe2O3, mit Teilchengrößen im Bereich von 1 nm . . . 3 nm (!) ist in
einem Fluidisierungsverfahren in Kombination mit Druckänderungen und an
schließender Lösungsmittelverdampfung herstellbar (WO 94/04 459 A1).
Bei einem Mischfällverfahren zur Herstellung von Ferriten sollen Hydrolysevor
gänge der weiteren zur Ferritbildung erforderlichen Metallverbindungen umgan
gen werden, indem diese in feinkörniger, unlöslicher Form der Eisensalzlösung
zugegeben werden, so daß sich das Eisenhydroxid als Schicht auf diesen fein
körnigen Metallverbindungen abscheidet und beide dann in bekannter Weise
thermisch in ein Oxidgemisch umgewandelt werden (DD 94 171 B1). Hier kann
die Teilchengröße selbstverständlich nicht feiner, sondern nur gröber sein als
diejenige der feinkörnigen Metallverbindung und liegt bei diesem Stand der
Technik bei 5 µm. Ein weiterer Nachteil dürfte die schwierige Einstellung des
stöchiometrischen Verhältnisses sein, wenn zu Beginn des Verfahrens eine Kom
ponente in fester und die andere in gelöster Form vorliegt.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird das Eisen(II)hydroxid in einer Sus
pension durch Einleiten sauerstoffhaltiger Gase zu Eisen(III)oxyhydrat umgewan
delt und dann suspendiert in einer inerten Flüssigkeit mittels eines ebenfalls iner
ten Gases, wie beispielsweise Stickstoff, sprühgetrocknet, wodurch man schon in
dieser Verfahrensphase die Bildung von Agglomeraten vermeiden will. Es folgen
jeweils in entsprechender Gasatmosphäre eine thermische Reduktion des Pulvers
zu Magnetit und dann eine Oxidation zu Eisen (III)oxid (EP 0 001 435 A1). Dieses
Pulver soll ein für die Herstellung von Magnetbändern sehr gutes Remanzverhal
ten haben. Seine Teilchengröße sowie das Fehlen von Agglomeraten werden
durch ein Benetzungsvolumen über 6 cm3/g bewertet (da es sich ausdrücklich um
nadelförmige Teilchen handelt, kann daraus ohne Kenntnis des Durchmesserver
hältnisses keine Aussage zur Korngröße abgeleitet werden; bei kugeligen Teil
chen entspräche sie etwa 20 nm). Nachteilig an diesem Verfahren sind insbeson
dere die mindestens vier Verfahrensstufen (Oxidation in der Lösung, Sprüh
trocknung, Reduktion, Oxidation) mit der erforderlichen Zufuhr von in ihrer Zu
sammsetzung unterschiedlichen Prozeßgasen, die überdies mit Ausnahme der
ersten Stufe in beträchtlichem Maße (beispielsweise bis 800°C) aufgeheizt sein
müssen. Dabei muß berücksichtigt werden, daß die Herstellung von γ-Fe2O3
zwangsläufig den verfahrenstechnischen Umweg über Fe3O4 (Magnetit) erfordert,
weil dieses γ-Struktur hat.
Im Zusammenhang mit der Herstellung anderer agglomeratarmer Oxide mit feiner
Teilchengröße zur Herstellung von Spezialkeramiken ist es bekannt, Sprüh-
Tröpfchen von stark verdünnten Precursorlösungen zugleich einer Trocknung und
einer Pyrolyse zu unterziehen.
Es ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Eisenoxid-Pigment bekannt, bei
welchem eine Eisensulfat-Lösung aufwärts in eine Kammer gesprüht und dort mit
heißen Verbrennungsgasen in Kontakt gebracht wird, welche die Lösung ver
dampfen, wodurch das Eisensulfat sofort, in der gleichen Prozeßstufe, zu Eisen
oxidpigment kalziniert wird (US 3.533.820). Das erhaltene Produkt hat nach einer
herkömmlichen Siebanalyse schwerpunktmäßig Korngrößen zwischen 270 mesh
und 400 mesh (etwa 53 µm bis etwa 38 µm), was keineswegs dem Nanometerbe
reich entspricht. Anschließendes Mahlen in einer Hammermühle liefert einen
überwiegenden Masseanteil von Teilchengrößen unter 1 µm, aber die Streuung
über diesem Maß ist für die vorgesehenen Anwendungen noch zu groß und es
muß befürchtet werden, daß die Hammermühle abgesehen vom Verfahrensauf
wand und von der erforderlichen Verfahrenssteuerung auch Strukturstörungen bei
den an sich geeigneten Teilchengrößen in dieser Größenverteilung hervorruft.
Schließlich ist die Herstellung von extrem feinem Fe2O3-Pulver (Teilchengröße 4
bis 5 nm!) durch Umsetzung wasserfreien Eisenchlorids in einem Mikrowellen
plasma bekannt (NanoStructured Materials, (1995), vol. 6, S. 941-944). Hier be
stehen Zweifel an der großtechnischen Nutzbarkeit des Verfahrens, da zum einen
solch feines Fe2O3-Pulver infolge der von der Waalschen Anziehung nicht mehr
agglomeratarm zu handhaben ist und da die Entsorgung der chlorhaltigen Abgase
Probleme bereitet. Diese trifft auch für prinzipiell ähnliche Verfahren zu, bei de
nen als Energiequelle jedoch ein Lichtbogenplasma (US 5.514.349) oder ein La
ser (US 5.70.126 A1) eingesetzt werden, wobei als Nachteile ein hoher Energie
verbrauch und eine schwierige Prozeßführung hinzukommen.
Zu teuer und recht zeitintensiv sind gleichfalls Verfahren bei den Precursoren
thermisch zersetzt werden (US 5.338.334 A1) bzw. ein triobochemisches Verfah
ren, bei welchem Eisenchlorid und Calciumhydroxid in einer Kugelmühle zu Fe2O3
mit einer Teilchengröße bis herab zu 10 nm hergestellt wird (NanoStructured
Materials, vol. 8 (1997), S. 739-747).
Ein rein physikalisches Verfahren besteht in der Zerkleinerung relativ großer Teil
chen aus einer großen Palette von Oxiden, darunter auch FeO sowie Fe2O3 zur
Verwendung als Pigment, in "nanoscale" Teilchen durch hochkonzentrierte Ener
giezufuhr mittels Laser, Lichtbogen, Flammen- oder Plasmasprühen und an
schließendes Auffangen in einer Kühlfalle zur Vermeidung von Agglomerationen
(WO 96/06 700 A2, insbesondere Ansprüche 1, 18 und 20). Ziel dieses Verfah
rens ist die Herstellung eines selbsthaltenden Verbindungsmaterials mit Korngrö
ßen um 1 µm mit bildsamen Metallen, wie Aluminium, Kupfer und Silber, als
Hauptbestandteilen (a. a. O. Anspruch 27), so daß diese Veröffentlichung für die
eingangs erwähnte Stoffgruppe keine Anregungen zu geben vermag.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im großtechnischen Maßstab, vor
zugsweise unter Verwertung mehrerer Komponenten natürlich vorkommender Er
ze, agglomeratarme Fe2O3- und Ferrit-Pulver mit einer Teilchengröße im Submi
krometerbereich (Nanometerbereich, vorzugsweise unter 100 nm) herzustellen
und dabei die geschilderten Mängel des Standes der Technik zu vermeiden. Zu
gleich gilt es, vorteilhafte Verwendungen für die auf diese Weise hergestellten
Pulver zu suchen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung
gelöst.
Entscheidend für die Lösung dieser Erfindungsaufgabe ist die neuartige Kombi
nation bestimmter Konzentrationsbedingungen der Lösung und/oder Suspension
bei der Fällung und der Sprühtrocknung mit Tröpfchengrößen im Bereich von 20
µm bis 60 µm mit einer anschließenden thermischen Kurzzeit-Behandlung, vor
zugsweise in einem Mikrowellenplasma, in einer sauerstoffreichen Atmosphäre,
vorzugsweise bei Atmosphärendruck. Die Trocknung und die Kurzzeitbehandlung
im trockenen Zustand können bei entsprechender Energiezufuhr in einer einzigen
Verfahrensphase erfolgen.
Die Vorteile der Erfindung sind:
- - die kostengünstige Herstellbarkeit von Ausgangsmaterialien für Fe2O3-Farb
pigmente und Feinstpulvern für Magnetbänder und -speicherplatten sowie für
hartmagnetische Ferritwerkstoffe mit gegenüber dem Stand der Technik wesent
lich verbesserten Eigenschaften;
- - Herstellbarkeit von anisotropem Strontium- und oder Bariumhexaferrit bereits im
Verlauf der Fe2O3-Synthese, wodurch mehrere mechanische und thermische Ar
beitsgänge entfallen können.
Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert:
Die beigefügten Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 ein beispielhaftes Flußschaubild der Erzaufbereitung einschließlich
der Reinigung der Eisensalz-Lösung in an sich bekannter Weise;
Fig. 2 ein Flußschaubild für die Ausführungsbeispiele 1 und 2 der erfin
dungsgemäßen Lösung;
Fig. 3 eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Fe2O3-Pulvers nach
Ausführungsbeispiel 1 in etwa 25.000facher Vergrößerung;
Beispiel 1
Herstellung von Fe2O3-Pulver als Pigment
Aus einem natürlich vorkommenden Erz, wie beispielsweise Ilmenit aus Mozam
bique, wird zunächst nach bekannten Aufbereitungsverfahren (Fig. 1), wie ma
gnetische Trennung und Aufschluß mittels Schwefelsäure, eine Eisensalzlösung,
hier eine Eisen(II)sulfatlösung, hergestellt, die durch Filtration im wesentlichen
von den Nichteisenbestandteilen, wie beispielsweise Titandioxid und Siliziumdi
oxid, befreit wird. Die erhaltene Lösung wird mittels weiterer Schwefelsäure auf
einen pH-Wert von 0,8 eingestellt und die Fe2+-Ionen mittels H2O2 zu Fe3+-Ionen
oxidiert. Dann wird unter ständigem Rühren eine Ammoniaklösung zugegeben,
bis die Ausfällung von Eisenhydroxid bei Erreichung eines pH-Wertes von 5,5 ab
geschlossen ist. Dieses Eisenhydroxid wird gewaschen, wobei die vollständige
Reinigung mittels einer Bariumchloridlösung geprüft wird und in einer stark ver
dünnten Suspension mit 10 Masse% ± 5 Masse% Fe(OH)3, was einem Eisenge
halt von 0,93 Mol ± 0,47 Mol pro Liter entspricht, in bekannter Weise in einem
Zentrifugal-Sprühtrockner getrocknet, wobei die mittlere Tröpfchengröße 30 µm
im Durchmesser und die Temperatur der eingeblasenen Trockenluft 450°C be
trägt. Das Produkt der Sprühtrocknung wird in ein Gasplasma mit einem Sauer
stoffgehalt von 40 Vol.% eingeblasen, wobei die Leistung des Gasplasmas 5 kW
beträgt und der Durchsatz bezogen auf fertiges Eisenoxidpulver 1,2 kg pro Stun
de. Die Aufheizzeit eines einzelnen Teilchens des Produktes auf eine Reaktions
endtemperatur von 900°C beträgt etwa 1,5 Sekunden, was der erfindungswe
sentlichen Kurzzeitreaktion entspricht. Am Ende der Kammer wird das fertige
Fe2O3-Pulver (Fig. 3) gesammelt. Die spezifische Oberfläche Fe2O3-Pulvers nach
Fig. 3 beträgt nach BET 170 m2/g. Dieser spezifischen Oberfläche entspricht ein
mittlerer Kugeldurchmesser von 7 nm. Elektronenmikroskopisch sind kleine Ag
glomerate von etwa 35 nm Durchmesser erkennbar. Das fertige Fe2O3-Pulver
eignet sich sehr gut als Pigment, dessen Farbton der RAL 8012 "rotbraun" ent
spricht.
Beispiel 2
Herstellung von Hartferritpulver
Die Zubereitung der Fe(OH)3-Suspension entspricht qualitativ Beispiel 1, wobei
zur Bildung eines Hexaferrites vor der Sprühtrocknung der Suspension noch
Strontium- und/oder Bariumcarbonat zugesetzt werden. Der Gesamt-
Feststoffgehalt der Suspension beträgt 15 Masse% ± 5 Masse%, wobei die An
zahl der Karbonatteilchen bei ansonsten stöchiometrischem Verhältnis etwa 30
bis 50% größer sein soll als diejenige der Eisenhydroxidteilchen. Der Eisengehalt
der Suspension beträgt somit 0,91 Mol ± 0,30 Mol pro Liter und im Falle eines
Gesamt-Feststoffgehaltes von 30 Masse% ± 5 Masse%, was als äußerster Maxi
malwert zur Realisierung der Erfindung angesehen werden muß, 1,83 Mol ± 0,30 Mol
pro Liter. Aus Tröpfchen von wiederum etwa 30 µm Durchmesser entstehen
im Sprühtrockner bei mit 400°C eingeleiteter Trocknungsluft Eindomänenteilchen
von 350 nm ± 50 nm Durchmesser, die wiederum einem sauerstoffreichen Plasma
mit 50 Vol.% Sauerstoff ausgesetzt werden, wobei dessen Leistung 5 kW beträgt
und der Durchsatz bezogen auf fertiges Ferritpulver 1,5 kg pro Stunde. Die Auf
heizzeit eines einzelnen Teilchens des Produktes auf eine Reaktionsendtempera
tur von 1220°C beträgt etwa 1,8 Sekunden, was der erfindungswesentlichen
Kurzzeitreaktion entspricht. Am Ende der Kammer wird das fertige Ferrit-Pulver
gesammelt. Es hat eine mittlere elektronenmikroskopisch gemessene Teilchen
größe von 260 nm. Die Koerzitivfeldstärke dieses hartmagnetischen Ferritpulvers
ist größer 3 kOe, die spezifische Sättigungsmagnetisierung liegt im Bereich von
70 bis 72 emU/g.