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Feinteilige Magnetitpigmente mit hoher Oxidationsbe-
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ständigkeit und Verfahren zu ihrer Herstellung Ferrimagnetische Magnetit-Pigmente
im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Fe304 und Mischphasen von Fe304 mit #-Fe2O3
und/oder Ferriten des Typs MeFe2O4 der allgemeinen Zusammensetzung Fex2+Fey3+Mez2+O4,
wobei folgende Beziehungen gelten sollen: 0,1x x 1; O#z#0,5; x + z s 1; 2x + 3y
+ 2 z #8; 8/3 L (x+y+z) # 3.
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Me steht für ein oder mehrere Kationen aus der Gruppe Zn, Mn, Co,
Ni, Ca, Mg, Ba, Cu, Cd. Vorzugsweise soll x zwischen 0,5 und 1 betragen.
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Die Verwendung ferrimagnetischer Magnetit-Pigmente als Magnetaufzeichnungsträgermaterialien
ist wiederholt vorgeschlagen worden. Wenn diese ferrimagnetischen Magnetit-Pigmente
auch vereinzelt zur magnetischen Signalaufzeichnung eingesetzt wurden, so ist eine
kommerzielle Nutzung in großem Maßstab bisher nicht erfolgt, da alle bisher bekannten
Magnetit-Pigmente, die sich zur Verwendung z.B. in Magnetbändern eignen, als wesentlichen
Nachteil eine Instabilität gegenüber Luft bzw. Sauerstoff aufweisen. Diese Instabilität
kann so groß werden, daß ganze Produktionschargen abbrennen. Besonders empfindlich
sind die bei der Herstellung von Magnetbändern eingesetzten nadelförmigen ferrimagnetischen
Magnetit-Pigmente mit spezifischen Oberflächen :t 12 m2/g gemessen nach der BET-Methode.
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Die Empfindlichkeit gegenüber Luftoxidation der Magnetitoxid-Pigmente
ist umso größer, je feinteiliger die Pigmente sind, bzw. je größer ihre spezifische
Oberfläche ist. Andererseits sind die Rauscheigenschaften daraus hergestellter Magnetbänder
umso günstiger, je feinteiliger die eingesetzten Pigmente sind Feinteilige magnetische
Magnetit-Pigmente, wie diese z.B. in DOS 2 510 799 beschrieben werden, oxidieren
sich an Luft bereits bei Temperaturen von 40 - 1000C. Derartige Temperaturen werden
aber nach der Herstellung, bei der Lagerung und bei üblichen Transportbedingungen
in Eisenbahnwaggons oder Lastkraftwagen bei sommerlichen Witterungsbedingungen ohne
weiteres erreicht, so daß eine Verwendung derartiger Magnetpigmente in der Praxis
unmöglich wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, feinteilige,nadelförmige,ferrimagnetische
Magnetit-Pigmente herzustellen, die bei Erwärmung gegenüber Luftoxidation beständig
sind, und daher gefahrlos gelagert, transportiert und in Lacke eingearbeitet werden
können.
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Uberraschenderweise wurde nun gefunden, daß durch Behandlung der Magnetpigmente
mit organischen Verbindungen, die Stickstoff-funktionelle Gruppen enthalten, neue
Magnetitpigmente mit hoher Stabilität gegenüber Luftoxidation erhalten werden.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll unter "Stabilität gegen Luftoxidation"
die durch die folgende Meßmethode definierte Temperatur verstanden werden: Unmittelbar
nach seiner Herstellung wird das Magnetit-Pigment nach dem Abkühlen in einem Achat-Mörser
gut gemischt und zu einer Pulvertablette von ca. 4 mm Durchmesser bei einem Druck
von ca. 20 bar während 20 Sekunden verpreßt. Der so erhaltene Preßling wird bei
vorgewählter konstanter Temperatur eine Stunde lang der Luft ausgesetzt. An der
so getemperten Probe wird an einer Stirnfläche mit einem Filter-Spektralphotometer
(ELREPHO0 in Remission mit dem Rx-Filter (dem Rot-Farbanteil) gemessen. Die Differenz
der Rx-Werte einer getemperten und einer ungetemperten Probe (d Rx) ist ein Maß
für den Anteil des während der Temperbehandlung gebildeten t-Fe203. Als Maß für
die Stabilität gegen Luftoxidation wird diejenige Temperatur definiert, bei der
eine Probe getempert wurde, deren Wert d Rx = 1,0 gegenüber der ungetemperten Probe
beträgt.
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naR anlieaende Diagramm zeigt für 3 nachfolgend näher beschriebene
Beispiele die Abhängigkeit des
-Wertes von der Temperatur, bei der jeweils die Temperbehandlung durchgeführt wurde.
Dabei gibt die Kurve A den Verlauf des
Wertes für die unbehandelte Probe des Beispiels 3 a, die Kurve B den Verlauf bei
der Probe 3 b sowie die Kurve C den Verlauf des
-Wertes der Probe des Beispiels 6 e wieder.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind feinteilige nadelförmige
ferrimagnetische Magnetitpigmente mit einer Stabilität gegenüber Luftoxidation von
mindestens 15O0C.
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Bevorzugt sind feinteilige nadelförmige ferrimagnetische Magnetitpigmente
mit einer Stabilität gegenüber Luftoxidation von oberhalb 1700C, besonders bevorzugt
oberhalb 190°C.
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Die spezifische Oberfläche der erfindungsgemäßen Pigmente beträgt
mehr als 12 m²/g, vorzugsweise zwischen etwa 18 bis 30 m2/g nach BET.
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Das mittlere Verhältnis von Länge zu Breite der nadelförmigen Pigmente
beträgt etwa zwischen 2 und 20, bevorzugt etwa zwischen 6 und 10.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Magnetpigmente. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
daß in bekannterWeise hergestellte feinteilige nadelförmige ferrimagnetische Magnetit-Pigmente
in nicht oxidierender Atmosphäre mit mindestens einer gegebenenfalls substituierten
heterocyclischen organischen Verbindung, wobei mindestens eines der Heteroatome
ein Stickstoffatom ist, behandelt werden.
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Die organische heterocyclische Verbindung kann zwischen 1 und 4 Stickstoffatome
als Heteroatome enthalten. Bevorzugt werden solche, die 1 bis 3 Stickstoffatome
als Heteroatome enthalten. Daneben können als weitere Heteroatome Sauerstoff oder
Schwefel vorhanden sein. Der Heterocyclus kann gesättigt, ungesättigt oder aromatisch
sein.
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Als Substituenten sind Hydroxy-, Alkyl-, Amin-, Monoalkylamin-, Dialkylamin-,
Alkoxy-, Alkyloxy-, Alkylalkoxy- und/ oder Thiogruppen geeignet, von denen unter
den Alkyl-, Alkoxy-, Alkyloxy- und Alkylalkoxygruppen insbesondere solche mit 1
bis 4 Kohlenstoffatomen geeignet sind.
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Als besonders wirksam erwiesen sich cyclische Aminoäther, wie Morpholin
und cyclische Amine, wie Piperidin oder Piperazin und deren Abkömmlinge; darunter
bevorzugt N-(2-hydroxyäthyl-)piperazin. Auch stickstoffhaltige Heterocyclen, wie
Pyridin oder 1,2,4-Triazol erwiesen sich als wirksam. Bevorzugt werden auch deren
Derivate, so z.B. 3-Amino-1,2,4-triazol, -Aminopyridin oder N-(3-aminopropyl)-morpholin
eingesetzt.
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Das Verfahren zur Stabilisierung gegen Luftoxidation zeichnet sich
durch äußerste Einfachheit aus. Eine Anmaischung des Magnetit-Pigmentes oder Auffällung
der Nachbehandlungssubstanz oder andere nasse Maßnahmen sind im allgemeinen nicht
erforderlich. Man kann einen Inertgasstrom durch eine der genannten Verbindungen
leiten, mit Dämpfen der Verbindung beladen und anschließend über das Produkt leiten.
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Der Gasstrom sollte so eingestellt werden, daß in der Behandlungszeit,
die vorzugsweise 1 Minute bis einige Stunden beträgt, 0,05 bis 10 Gew.-% der beschriebenen
organischen Verbindung, vorzugsweise 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Eisenoxid-Pigment,
eingeblasen werden.
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Eine besonders günstige Vorrichtung zur Behandlung ist in einem Wirbelbett
gegeben, aber auch ein Drehrohr oder Festbett-Reaktor kann ohne Nachteile benutzt
werden.
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Bei leicht flüchtigen organischen Verbindungen genügt sogar eine gemeinsame
Lagerung von Magnetit und z.B. Morpholin über eine längere Zeit in einem abgeschlossenen
Behälter, wobei die Stabilisierung eintritt. Eine sehr vereinfachte Arbeitsweise
besteht darin, bei der Abfüllung der Eisenoxid-Pigmente in Verpackungsbehälter die
entsprechenden Mengen leichtflüchtiger organischer Verbindungen hinzuzugeben.
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Wenn die organische Verbindung einen zu geringen Dampfdruck besitzt,
kann das Pigment in der flüssigen organischen Verbindung oder in einer in einem
geeigneten Lösungsmittel gelösten organischen Verbindung aufgeschlemmt und von der
überschüssigen Flüssigkeit durch Filtrieren oder Abpressen und anschließendes Trocknen
befreit werden.
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Bei schwer flüchtigen Verbindungen kann in einem Misch-oder Mahlaggregat
ein gemeinsames Erhitzen der erfindungsgemäßen organischen Verbindungen mit den
Eisenoxid-Pigmenten auf Temperaturen bis 2000C und anschließendes Abkühlen erfolgen.
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Die Behandlungstemperatur sollte vorzugsweise von 20 bis 150°C gewählt
werden. Höhere Temperaturen schaden bei Luftausschluß jedoch nicht; jedoch soll
die Zersetzungstemperatur der jeweils eingesetzten Verbindung nicht überschritten
werden.
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Über die Wirkungsweise der stabilisierenden Substanzen ist nichts
bekannt. Es kann vermutet werden, daß die für die Oxidationsunbeständigkeit gegenüber
Luft verantwortlichen aktiven Zentren an der Oberfläche durch die Adsorption der
genannten Verbindungen desaktiviert werden. Es sind auch Reaktionen zwischen den
Molekülen und den Oberflächenzentren vorstellbar. Es kann ein ähnlicher Vorgang
angenommen werden, wie er bei der Inaktivierung von Katalysatoren durch Katalysatorgifte
auftritt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung der
erfindungsgemäß behandelten feinteiligen, nadelförmigen, ferrimagnetischen Magnetit-Pigmente
zur Herstellung von magnetischen Aufzeichnungsträgern.
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Die zu behandelnden Magnetit-Pigmente können nach einem der üblichen
Verfahren durch Entwässerung und Reduktion von a -, ß - oder ( -FeOOH hergestellt
werden, wie es z.B. in der US-Patentschrift 3 947 502 oder in der US-Patentschrift
3 931 025 beschrieben ist. Die bekannten Maßnahmen gegen Versinterungen sowie Nachbehandlungen
und Dotierungen stören die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht. Die
Magnetpigmente können ferner auch durch Reduktion aus -Fe203 gewonnen werden,oder
aber auch direkt als anisometrischer Magnetit aus Eisensalzlösungen nach bekannten
Verfahren durch Fällung und Oxidation.
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Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele und die
beiliegende Abbildung näher erläutert.
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Beispiel 1 a: Ein handelsübliches magnetisches y--Fe203, mit einer
röntgenU-graphisch bestimmten Kristallitgröße von ca. 600 A, einer spezifischen
Oberfläche von 12 m2/g nach BET, Brd = 445 Gcm3 /g und 1Hc = 355 Oe, wie es für
Studio-Tonbandzwecke eingesetzt wird und unter der Bezeichnung MAG 1730 der Fa.
Bayer AG erhältlich ist, wird bei 400 - 420°C mit feuchtem Wasserstoff in 1/2 Stunde
reduziert und unter N2 auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Die Remanenz beträgt nunmehr B /j, = 477 Gcm³/g und IHC = 364 Oe.
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Der Stabilitätstest ergibt 123°C.
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Beispiel 1 b: 80 g des Produktes des Versuches 1 a wurden 13 Minuten
lang in einem Fließbett von 50 mm Durchmesser bei Raumtemperatur mit einem bei Raumtemperatur
mit Morpholin beladenen N2-Strom von ca. 200 l/h behandelt. 1,4 Gew.-% Morpholin
auf den Magnetit wurden eingetragen. Der Stabilitätstest ergibt 161°C.
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Beispiel 2 a: Ein handelsübliches magnetisches -Fe203 mit einer röntgenographisch
bestimmten Kristallitgröße von ca. 550 A, einer spezifischen Oberfläche von 15 m2/g
nach BET, Br/> = 450 Gcm3/g und iHc = 330 Oe, wie es unter der Bezeichnung MAG
1740 der Fa. Bayer AG erhältlich ist, wird bei 400 - 4200C 1/2 Stunde mit feuchtem
Wasserstoff reduziert und unter Inertgas auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Remanenz
des Magnetits beträgt Br/< = 508 Gcm³/g und die Koerzitivfeldstärke IHC = 353
Oe.
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Die Stabiltätsgrenze liegt bei 1200C.
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Beispiel 2 b: 167 g des Produktes aus Beispiel 2 a wurden 20 Minuten
lang wie in Beispiel 1 b mit Morpholin beladen. 1,3 Gew.-% Morpholin wurden auf
Magnetit bezogen eingeblasen. Die Stabilitätsgrenze liegt bei 174 0C.
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Beispiel 3 a: Ein handelsübliches magnetischen g-Fe203 mit einer röntgenographisch
bestimmten Kristallitgröße von 550 i, einer spezifischen Oberfläche von 18 m2/g
nach BET, mit Br/3 = 460 Gcm³/g und IHC = 375 Oe, wie es in Low Noise-Tonbändern
eingesetzt wird und unter der Bezeichnung MAG 1748 der Fa.
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Bayer AG erhältlich ist, wird 30 Minuten bei 4000C mit feuchtem Wasserstoff
reduziert und unter Inertgas auf 30 abgekühlt.
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Es werden gemessen: = = 502 Gcm³/g, IHC = 371 Oe und Stabilitätsgrenze
= 115OC.
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Beispiel 3 b: 165 g des Produktes aus Beispiel 3 a werden 23 Minuten
wie in Beispiel 1 b mit Morpholin behandelt. 1,3 Gew.-% Morpholin bezogen auf Fe304
wurden eingetragen. Die Stabilitätsgrenze stieg auf 171°C an.
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Beispiel 4 a: Ein handelsübliches Cobalt-dotiertes -Fe203 mit einer
röntgenographisch bestimmten Kristallitgröße von ca. 440 i, einer spezifischen Oberflache
von 20 m²/g nach BET, mit Br/ = 3 490 Gcm /g und IHC = 630 Oe, wie es in Video-Bändern
Verwendung findet und unter der Bezeichnung AC 5062 der Fa.
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Bayer AG erhältlich ist, wird 30 Minuten bei 4000C mit
feuchtem
Wasserstoff reduziert. Der entstandene Magnetit hat die folgende Zusammensetzung
Co2+ Zn2+ Fe2+ Fe23+ O4-0,1 0,01 0,83 2,02 Die Stabilitätsgrenze liegt bei 121 0C.
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Beispiel 4 b: 120 g des Produktes aus Beispiel 4 a werden 10 Minuten
lang wie in Beispiel 1 b behandelt. Es wurden 1,0 Gew.-% Morpholin eingetragen.
Die Stabilitätsgrenze stieg auf 155°C an.
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Beispiel 5 a: α-FeOOH wird entsprechend DOS 2 347 486 hergestellt,
indem 20 1 FeSO4-Lösung mit 135 g FeS04/l und 28,3 g ZnSO4 . 7 H20 mit einer Lösung
von 11,5 g Na3P04 . 12 H20 in 1,8 1 43 Gew.-%-iger Natronlauge bei 55 0C gefällt
und mit Luft in 3,5 h oxidiert werden, bis der pH-Wert auf kleiner 4 abgefallen
ist. Danach wird bei 80°C durch gleichmäßige Zufuhr von 1,9 %iger Natronlauge und
Einleiten von Luft in 16 Stunden die Jb-FeOOH-Bildung vervollständigt. Gegen Ende
der Pigmentbildung wird eine Lösung von 30 g Na4P2O7 . 10 H20 in 400 ml H20 zugetropft.
Nach dem Sulfat-frei-Waschen wird das d2-FeOOH bei 120°C getrocknet und bei 660°C
an Luft 30' getempert. Nach der Reduktion in 30 Minuten bei 4000C mit feuchtem Wasserstoff
werden folgende Werte erhalten: Br/? = 430 Gcm³/g, IHC = 323 Oe, spez. Oberfläche
= 27 m²/g und Stabilitätsgrenze = 106°C.
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Beispiele 5b und c Der Magnetit aus Beispiel 5 a wird mit Morpholin
entsprechend Beispiel 1 b behandelt. Die Versuche sind in Tabelle 1 zusammengefaßt:
Tabelle
1 Beispiel Substanz Menge Stabilitätsgrenze [°C] 5 a ohne - 106 b Morpholin 2,1
Gew.-% 151 c Morpholin 5,0 Gew.-% 178 Beispiel 6 a: Entsprechend Beispiel 5 a, aber
mit 100 g FeS04/l und 28,8 g ZnS04 unter Zusatz von 14,1 g NaH2P04 . 2 H20 in 2
1 23 %iger NaOH, wird eine d~-FeOOH-Keimsuspension hergestellt. Anschließend werden
3,6 1 FeS04-Lösung mit 216 g/l FeSO4 und 22,3 g ZnS04 . 7 H20 zugesetzt und weiter
wie in Beispiel 5 a verfahren. Aber gegen Ende der Pigmentbildung werden 25 g Na4
P207 in 800 ml H20 zugetropft.
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0 Nach dem Trocknen wird das Produkt bei 780 C 30 Minuten getempert,
bei 420 - 4500C mit feuchtem H2 60 Minuten reduziert und unter N2 auf Raumtemperatur
abgekühlt.
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Es wurden folgende Meßwerte bestimmt: Br/ = 460 Gcm³/g, IHC = 430
Oe und Stabilitätsgrenze 1200C.
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Beispiel 6b Das Produkt nach Beispiel 6 a wird einer Behandlung mit
worpholin entsprechend Beispiel 1 b unterworfen.
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Beispiele 6c bis f Die Beispiele 6c, d und e wurden folgendermaßen
präpariert: 400 g des Magnetits und die in der Tabelle 2 angegebene Menge der erfindungsgemäßen
Substanzen werden in einem Kolben gemischt und 1 h auf ca. 150 - 200°C unter N2
aufgeheizt und wieder abgekühlt.
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Der Erfolg der Stabilisierungsmaßnahme ist aus der Tabelle 2 zu ersehen.
Der Vergleichsversuch 6 f mit Cyclohexan zeigt die Wirkungslosigkeit einer reinen
Kohlenwasserstoff-Verbindung.
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Tabelle 2 Beispiel Substanz Menge Stabilitätsgrenze tGew.-% ] [°C]
6 a ohne - 120 b Morpholin 2,5 178 c N-(2-Hydroxyäthyl-)- 3,0 194 piperazin d 1,2,4-Triazol
3,0 182 e 3-Amino-1,2,4-Triazol 3,0 212 f Cyclohexan 9,0 120 Als besonders wirkungsvoll
unter den untersuchten Substanzen stellten sich Morpholin, N-(3-Aminopropyl-)Morpholin,
N-(2-Hydroxyäthyl-)Piperazin, 1,2,4-Triazol und 3-Amino-1,2,4-Triazol heraus. Gute
Stabilisierungseffekte lassen sich auch von anderen N-haltigen Heterocyclen bzw.
von deren Derivaten und hier wiederum von Amino-substituierten Derivaten erwarten.
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Aus Tabelle 1 ist eine Mengenabhängigkeit der Stabilität zu erkennen.
Sicherlich ist diese abhängig a) vom Magnetit selbst und b) vom Stabilisierungsmittel.
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Eine qewisse Stabilisierung ist in der Regel schon bei Mengen kleiner
als 1 % zu erkennen. Bedeutend wirksamer sind jedoch Mengen zwischen 2 und 5 Gew.-$
auf das zu stabilisierende Pigment bezogen.