DE2434096A1 - Verfahren zur herstellung nadelfoermiger, eisenhaltiger ferromagnetischer metallpigmente - Google Patents
Verfahren zur herstellung nadelfoermiger, eisenhaltiger ferromagnetischer metallpigmenteInfo
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Description
Unser Zeichen: O. Z. JO 667 Sob/L
6700 Ludwigshafen, 15· 7
Verfahren zur Herstellung nadeiförmiger, eisenhaltiger ferro-
magnetischer Metallpigmente
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung nadeiförmiger,
eisenhaltiger ferromagnetischer Metallpigmente mit verringerter Schaltfeldstärkenverteilung und größerer Steilheit
der Remanenzkurve.
Ferromagnetische Metallpulver und Metalldünnschichten sind wegen ihrer hohen Sättigungsmagnetisierung und der erreichten
hohen Koerzitivkraft von besonderem Interesse für die Herstellung von magnetischen Aufzeichnungsträgern. Dies steht im Zusammenhang
damit, daß sieh auf diese Weise das Energieprodukt und die Informationsdichte erheblich steigern lassen, was unter
anderem bedeutet, daß man mit solchem Aufzeichnungsmedium gegegenüber dem jetzigen Standard schmälere Signalbreiten und bessere
Signalamplituden erreichen kann. Metalldünnschichten weisen gegenüber den Pigmenten noch den zusätzlichen Vorteil auf,
daß man ohne den sonst notwendigen Bindemittelanteil den Idealen Füllfaktor von 1,0 erhalten kann. Bei den zuletzt genannten
Metallschichten bedarf es aber einmal eines hohen Fertigungsaufwandes und zum anderen wird insbesondere der Einsatz als
bandförmiges Aufzeichnungsmedium durch die Bandmechanik problematisch. Bei optimalen Schichtdicken um 1 /um und weniger muß
die Oberfläche der Schicht wegen des Kopf/Band-Kontaktes sehr glatt sein, wobei bereits geringster Abrieb oder auch nur Staub
zerstörend wirken können.
Bei der Verwendung von Metallpulvern als Magnetpigmente können
zwar die mechanischen Eigenschaften des Aufzeichnungsmediums durch geeignete Auswahl der Bindemittelsysteme in weiten Gren-
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O.Z. 30 667
zen beeinflußt werden, jedoch sind hinsichtlich Form, Größe und Dispergierbarkeit der Metallpigmente besondere Anforderungen zu
erfüllen.
Da hohe Koerzitivkraft und hohe Remanenz bei Magnetpigmenten für magnetische Speicherschichten Voraussetzung sind, müssen
die entsprechenden Metallpigmente magnetisches Einbereichsverhalten zeigen, außerdem sollte die vorhandene bzw. durch die
magnetische Ausrichtung im Band zusätzlich erzielbare Anisotropie durch äußere Einwirkungen, wie z.B. Temperatur oder mechanische
Belastung, nur wenig zu beeinträchtigen sein, d.h. die kleinen Teilchen sollten formanisotrop, im bevorzugten Fall
nadeiförmig sein, und sie sollten im allgemeinen in der Größe zwischen 102 und 1θ4 S liegen.
Diese Art formanisotroper ferromagnetischer Metallteilchen wird bekanntermaßen durch Metallabscheidung an einer Quecksilberkathode
(J. Electrochem. Soc, Vol. 10 S, S. 115 S, 1961) hergestellt.
Die bei diesem Verfahren erforderlichen technischen Vorkehrungen sind beträchtlich und entsprechend kostspielig.
Auch die Reduktion von z.B. Eisensalzen mit Hydriden (J. Appl. Phys., Vol. 32, S. .184 S, 1961) oder die Vakuumverdampfung der
Metalle mit anschließender Abscheidung als Whiskers"(J. Appl. Phys., Vol. 34, S. 2905, 1963) ist bekannt, aber nicht von technischem
Belang. Es ist weiter bekannt, Metallpulver der beschriebenen Art durch Reduktion feinverteilter nadeiförmiger
Metallverbindungen, wie z.B. von Oxiden, mit Wasserstoff oder einem anderen gasförmigen Reduktionsmittel herzustellen. Damit
die Reduktion mit einer für die Praxis geeigneten Geschwindigkeit stattfindet, muß man sie bei Temperaturen von über 3500C
durchführen. Dies bringt jedoch die Schwierigkeit mit sich, daß die gebildeten Metallteilchen sintern. Dadurch entspricht jedoch
die Teilchenform nicht mehr derjenigen, wie sie für die magnetischen Eigenschaften erforderlich ist. Zur Verminderung
der Reduktionstemperatur wurde bereits vorgeschlagen, durch Aufbringen von Silber oder Silberverbindungen auf die Oberfläche
von feinverteiltem Eisenoxid die Reduktion zu katalysieren (DT-OS 2 014 500).
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Die katalytische Beschleunigung der Reduktion von bevorzugt nadelförmigen
Ausgangsverbindungen durch Edelmetalle ergibt jedoch im allgemeinen weit kleinere Nadeln als das Ausgangsprodukt
mit einem außerdem geringen Längen-/Dickenverhältnis. Das hat zur Folge, daß das Endprodukt ein ziemlich großes Teilchengrößenspektrum
und verbunden damit eine breite Verteilung der Formanisotropie aufweist. Aus der Literatur ist aber bekannt,
daß die Teilchengrößenabhängigkeit von Koerzitivkraft und Remanenz bei magnetischen Stoffen in der Größenordnung der Einbereichteilchen
sehr stark ist (Kneller, Ferromagnetismus,
Springer-Verlag 19Ö2, S. 437 ff.)· Kommen hierzu noch die Einflüsse,
welche durch einen Anteil superparamagnetischer Teilchen auftreten, die als Bruchstücke bei der oben genannten Verfahrensweise
entstehen können, dann sind solche magnetischen Pigmente in hohem Maße, z.B. wegen ihrer schlechten Höhenaussteuerbarkeit,
ungeeignet für den Einsatz bei der Herstellung magnetischer Aufzeichnungsträger. Bei solchen heterogenen Mischungen
ist die magnetische Feldstärke, welche zum Ummagnetisieren
der Teilchen nötig ist, sehr unterschiedlich,und auch die Verteilung der remanenten Magnetisierung als Funktion des angelegten
äußeren Feldes ergibt eine wenig steile Remanenzkurve.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von nadeiförmigen, eisenhaltigen ferromagnetisehen Metallpigmenten
bereitzustellen, das sich dadurch auszeichnet, daß die durch Reduktion erhaltenen Metallpigmente eine enge Schaltfelds
tärkenverte i lung und eine hohe Steilheit der Remanenzkurve aufweisen.
Es wurde nun gefunden, daß man nadeiförmige, ferromagnetische, vorwiegend Eisen enthaltende Magnetpigmente durch Reduktion
nadeiförmiger Metalloxide unter vorwiegender Beibehaltung der Nadelform herstellen kann, wenn man vor der Reduktion auf die
nadelförmigen Metalloxide äquivalente Mengen eines Erdalkalikations
und einer ein- bis dreibasigen aliphatischen Carbonsäure mit bis zu 6 C-Atomen aufbringt.
Carbonsäuren im Sinne der Erfindung sind gesättigte oder auch ungesättigte aliphatische Carbonsäuren mit bis zu 6. C-Atomen
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und bis zu 3 Säureresten, wobei ein oder mehrere Wasserstoffatome
der aliphatischen Kette durch Hydroxy- oder Aminoreste substituiert sein können. Besonders geeignet sind Oxydi- und
Oxytricarbonsäuren, wie Weinsäure oder Zitronensäure.
Metalloxide gemäß der Erfindung sind die nadeiförmigen Eisenoxide aus der Gruppe Λ-FeOOH, Fe, 0^-, 0C-Fe2(X5 und 2^-Fe2O, sowie
diese Eisenoxide dotiert mit Kobalt und/oder Nickel. Diese Oxide lassen sich auch dann zur Herstellung ferromagnetischer
Metallpigmente verwenden, wenn sie andere Elemente enthalten, vorausgesetzt, daß die Nadelform durch den Einbau anderer Fremdelemente
nicht gestört wird. Besonders vorteilhafte ferromagnetische Metallpigmente enthalten neben Eisen bis zu 25 Atomprozent
Kobalt.
Das gleichzeitig mit der Carbonsäure auf das Metalloxid aufgebrachte
Erdalkalikation wird aus der Gruppe Calcium, Barium, Strontium ausgewählt.
Die Behandlung der nadeiförmigen Oxidteilchen geschieht vorteilhaft
durch Dispergieren zusammen mit einer löslichen Erdalkali-Verbindung und der Carbonsäure in einem für die auf das Metalloxid
aufzubringenden Substanzen geeigneten Lösungsmittel, welches sich anschließend leicht entfernen läßt. Mit Vorteil verwendet
man Wasser oder Alkohole. In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zuerst ein Erdalkalisalz
der Carbonsäure gebildet, das dann in Lösung durch anschließendes Abdampfen des Lösungsmittel auf das Oxid aufgebracht wird,
Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wird das derart behandelte
nadeiförmige Oxid in an sich bekannter Weise zum Metall reduziert, indem man ein gasförmiges Reduktionsmittel, bevorzugt
Wasserstoff, bei Temperaturen bis 40O0C, vorzugsweise zwischen
230 bis 35O0C, über das oxidische Material leitet. Nach
dem Stand der Technik waren bei unbehandelten Metalloxiden zur Vermeidung des Zusammensinterns der gebildeten Metallteilchen
bei Reduktionstemperaturen unterhalb von 40O0C keine befriedigende
Reduktionsgeschwindigkeit und kein ausreichender Reduktionsgrad zu erzielen. Die Oberflächendotierung mit Edelmetallen
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brachte zwar bei höheren Reaktionsgeschwindigkeiten eine höhere Koerzitivkraft, jedoch entsprechen die sonstigen magnetischen
Werte und Pigmenteigenschaften nicht den hohen Anforderungen, die an Magnetpigmente für magnetische Aufzeichnungsmedien gestellt
werden.
Die magnetischen Werte des Pulvers wurden mit einem Schwingmagnetometer
bei einem magnetischen Feld von 800 kA/m gemessen.
Neben hoher Koerzitivkraft Hc und hoher Remanenz ist die sogenannte
Remanenzkoerzitivkraft HR eine wichtige Beurteilungsgröße. Bei der Gleichfeldentmagnetisierung sind bei der Feldstärke
HR bezüglich des Volumens die Hälfte der Teilchen ummagnetisiert.
Damit stellt sie eine für Aufzeichnungsvorgänge charakteristische Größe dar, welche insbesondere den Arbeitspunkt bei der magnetischen Aufzeichnung bestimmt. Je unheitlicher
die Remanenzkoerzitivkraft der jeweils einzelnen magnetischen Teilchen in der Aufzeichnungsschicht ist, desto breiter
ist die Verteilung der magnetischen Felder, welche ein begrenztes Volumen der Aufzeichnungsschicht ummagnetisieren können.
Dies wirkt sich besonders dann aus, wenn wegen hoher Aufzeichnungsdichten bzw. geringen Wellenlängen der Grenzbereich zwischen
entgegengesetzt magnetisierten Bereichen möglichst schmal
sein sollte. Für die Charakterisierung der Verteilung der Schaltfeldstärken der einzelnen Teilchen bestimmt man aus der Gleichfeldentmagnetisierungskurve
einen Wert hj- für die Gesamtbreite der Remanenzkurve und hp,- für die Steilheit der Remanenzkurve.
Die Werte werden bestimmt nach
H95~H5 5 hr
25
Der Zahlenindex beim Buchstaben H besagt, wieviel der Teilchen in Prozenten jeweils ummagnetisiert sind.
Typische Werte für hji^ sind 1,5/0,6 bei Gamma-Eisen(lll)oxid-
und Chromdioxidpulvern und 1,0/0,3 bei den damit erhaltenen
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Magnetbändern. Magnetische Metallpigmente nach dem Stand der Technik und damit hergestellte Magnetbänder zeigen höhere Werte,
die bei 1,8 bis 2,0/0,6 liegen und damit auf eine breitere Verteilung
der Schaltfeidstärken hinweisen. Erwartungsgemäß haben
magnetische Metalldünnschichten eine besonders enge Verteilung, wie Meßwerte um 0,5/0,1 zeigen.
Behandelt man nun erfindungsgemäß die nadeiförmigen Metalloxide mit 0,2 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 2 bis 8 Gewichtsprozent,
bezogen auf das eingesetzte Metalloxid, des Erdalkalikations, wie der Carbonsäure, so zeigen die nach der Reduktion
erhaltenen Metallpigmente besonders niedrige
Nach der Reduktion, die bereits bei Temperaturen unterhalb j500°C
nahezu vollständig ist, stellt man fest, daß die Nadelform der Ausgangsoxide nur unwesentlich verändert ist. Beispielhaft für
das erfindungsgemäße Verfahren seien Nadeln aus Eisen mit einer Länge von 0,1 bis 0,6 /um bei einem Längen-/Dickenverhältnis von
10 bis 25 : 1 genannt.
Die Werte für h/J^t- von gemäß der Erfindung hergestellten Metallpigmenten
sind 1,6/0,5 und reichen bis zu 1,35/0,45. Mit solchen
magnetischen Metallpulvern werden trotz des Herstellungsverfahrens durch Reduktion von Oxidpulvern einheitlich gut ausgebildete
nadeiförmige Teilchen erhalten, die neben den vorteilhaften magnetischen Eigenschaften formanisotroper ferromagnetischer
kleiner Teilchen die für die Anwendung bei magnetischen Aufzeichnungsträgern für hohe Aufzeichnungsdichten bzw. Frequenzen erforderliche
enge Schaltfeldstärkenverteilung aufweisen.
Als besonders vorteilhaft hat sich das erfindungsgemäße Verfahren
bei den mit Kobalt oder Nickel dotierten Eisenoxiden gezeigt. Bekanntermaßen verlieren .gerade solche nadeiförmigen
Oxide bei der Reduktion zum Metall die äußere Form. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt dieser Nachteil nicht mehr
auf. Wegen der besonders günstigen Magnetisierungswerte von Eisen-Kobalt-Teilehen ist dies ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung.
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Anhand folgender Versuche sei das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft dargestellt und durch Vergleichsversuche der technische
Portschritt aufgezeigt. Nadelform und magnetische Werte sind zur besseren Übersicht in einer Tabelle zusammengefaßt.
Die nach der Reduktion erhaltenen Metallteilchen sind pyrophor und mußten vor ihrer weiteren Verwendung nach bekannten Verfahren
stabilisiert werden.
100 g ot-FeO.OH mit einer Nadellänge von 0,5 /um und einem Längen-Dickenverhältnis
von 50 : 1 werden in 2 1 Methanol dispergiert. Dazu bringt man 2,9 g Bariumacetat, gelöst in 30 ecm Wasser.
Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels wird das Oxidpulver bei 1000C unter Vakuum getrocknet. Die Reduktion mit Wasserstoff
ergibt bei 5000C nach 8 Stunden ein nadeiförmiges Eisenpulver.
Es wird wie in Beispiel 1 verfahren, jedoch werden 5*7 g Bariumacetat,
in 60 ecm Wasser gelöst, zugegeben.
100 g (X-PeOOH des Beispiels 1 werden in 2 1 Methanol dispergiert
und mit 3*6 g Bariumhydroxid-octahydrat, gelöst in 300 ecm Wasser,
versetzt. Dazu bringt man 2,9 g Oxalsäure, gelöst in 100 ecm
Wasser. Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels wird das Oxidpulver bei 1000C unter Vakuum getrocknet. Die Reduktion mit
Wasserstoff ergibt bei 2750C nach 8 Stunden ein nadeiförmiges
Eisenpulver.
Es wird wie in Beispiel 3 verfahren, jedoch werden 3*4 g Weinsäure,
gelöst in 20 ecm Wasser, zugegeben.
Es wird wie in Beispiel 3 verfahren, jedoch werden 4,5 g Zitronensäure,
gelöst in 20 ecm Äthanol, zugegeben.
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- 8 ■■ O.ζ. 30 6βγ
Es wird wie in Beispiel 3 verfahren, jedoch werden 5*2 g Maleinsäure,
gelöst in 20 ecm Äthanol, zugegeben.
100 g (X-FeOOH des Beispiels 1 werden in 1,5 1 Wasser, worin 6 g Kobaltehlorid-hexahydrat gelöst sind, dispergiert. Durch Zugabe
von verdünnter Ammoniaklösung bis zum pH = 10 wird Kobalthydroxid
auf der Oberfläche des oC-FeOOH niedergeschlagen und
das Pigment getrocknet. 100 g des 1,5 % Co enthaltenden 0(-FeOOIi
werden in 2 1 Methanol dispergiert und mit 3,6 g Bariumhydroxidoctahydrat,
gelöst in 300 cm Wasser, versetzt. Dazu bringt man
2,9 g Oxalsäure, gelöst in 100 ecm Wasser. Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels wird das Oxidpulver bei 1000C unter Vakuum
getrocknet. Die Reduktion ergibt bei 3000C nach 8 Stunden ein
nadeiförmiges kobalthaltiges Eisenpigment.
100 g <*/-FeOOH des Beispiels 1 werden in 2000 ecm Methanol
dispergiert. Nach dem Abdampfen des Methanols wird das getrocknete Pulver während 8 Stunden bei 275°C mit 200 1 Wasserstoff pro Stunde reduziert.
100 g 0(/-FeOOH des Beispiels 1 werden in 2000 ecm Äthanol,
in dem 0,38 g Silbernitrat gelöst sind, dispergiert. Nach dem Abdampfen des Alkohols wird das Pulver getrocknet. Die Reduktion findet bei 2500C mit 200 1 Wasserstoff je Stunde statt
und ist nach 8 Stunden beendet.
Es wird wie in Vergleichsversuch 2 verfahren, jedoch enthält
das Äthanol 0,40 g Palladiumacetylacetonat gelöst.
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oo oo co
Vers.-Nr. | Red.- | Nadellänge | Längen-Dicken- | : 1 | 1 | Magnetwerte bei 800 kA/m | Vm/R | 1,46/0,50 |
Te mp. | /Um | Verhältnis | • 1 | 1 | 124 | 1,49/0,50 | ||
Beispiel 1 | 30O0C | 0,2 - 0,5 | 15 - 20 | : 1 | 1 | 100 | 155 | 1,50/0,50 |
Beispiel 2 | 3000C | 0,2 - 0,5 | 15 - 20 | • 1 | 102 | 120 | 1,51/0,49 | |
Beispiel 3 | 275°C | 0,2 - 0,5 | 15 - 20 | 1 | 99 | 120 | 1,52/0,51 | |
Beispiel 4 | 2750C | 0,2 - 0,5 | 15 - 20 | X | 101 | 121 | 1,54/0,51 | |
Beispiel 5 | 3000C | 0,2 - 0,5 | 15 - 20 · | 100 | 119 | 1,53/0,50 | ||
Beispiel 6 | 3000C | 0,2 - 0,5 | 15 - 20 | 101 | 129 | 1,85/0,62 | ||
Beispiel 7 | 5000C | 0,2 - 0,5 | 15 : 1 | 106 | 122 | 1,65/0,55 | ||
Vergl. 1 | 275°C | 0,1 - 0,2 | 5 - 8 : | 90 | 121 | 1,65/0,55 | ||
Vergl. 2 | 2500C | 0,07-0,15 | 5 - 8 : | 98 | 119 | |||
Vergl. 3 | 2500C | 0,05-0,15 | 5 - 8 : | 97 |
GO 4>· O CD CO
Claims (6)
- Patentansprüche[IJl Verfahren zur Herstellung von nadeiförmigen, ferromagnetischen eisenhaltigen Metallpigmenten durch Reduktion nadeiförmiger Metalloxide unter vorwiegender Beibehaltung der Nadelform, dadurch gekennzeichnet, daß man vor der Reduktion auf die nadeiförmigen Metalloxide äquivalente Mengen eines Erdalkalikations und einer ein- bis dreibasigen aliphatischen Carbonsäure mit bis zu 6 C-Atomen aufbringt.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid nadeiförmiges 3T-Eisen(lll)oxid bzw. o(-Eisenoxidhydrat ist.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid ein Kobalt oder Nickel enthaltendes nadeiförmiges Eisenoxid ist.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdalkalikation Barium ist.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aliphatische Carbonsäure eine Oxydicarbonsäure ist.
- 6. Nadeiförmige, ferromagnetische eisenhaltige Metallpigmente, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert für hc/tw kleiner als 1,60/0,54 ist.BASF Aktiengesellschaft509886/0963
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