DE2805405C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung nadelförmiger
ferrimagnetischer Eisenoxide durch Reduktion nadelförmiger
Eisen(III)oxidhydroxide bei Temperaturen zwischen 300 und
650° mittels in diesem Temperaturbereich in Gegenwart von Eisenoxiden
zersetzlicher organischer Verbindungen und gegebenenfalls
anschließender Oxidation der resultierenden Produkte mit sauerstoffhaltigen
Gasen bei 150 bis 500°C.
Nadelförmige ferrimagnetische Elemente, wie Magnetit und Gamma-
Eisen(III)oxid, werden seit langem in großem Umfang als magnetisierbares
Material bei der Herstellung von magnetischen Aufzeichnungsträgern
eingesetzt. Zur Herstellung des vor allem verwendeten
Gamma-Eisen(III)oxids sind bereits eine Vielzahl von Verfahren
bekannt geworden. So beschreibt bereits die GB-PS 6 75 260 ein
Verfahren zur Gewinnung von Gamma-Eisen(III)-oxid, bei welchem
nadelförmiges α-Eisenhydroxid (Goethtit) zum α-Eisen(III)-
oxid entwässert, in reduzierender Atmosphäre bei mehr als 300°C
zum Magnetit umgewandelt und an Luft bei Temperaturen unterhalb
450°C zum nadelförmigen Gamma-Eisen(III)oxid oxidiert wird. Im
Verlaufe der Bemühungen zur Verbesserung der kristallinen, mechanischen
und auch magnetischen Eigenschaften solcher Materialien
wurde dieser Prozeß in seinen einzelnen Stufen mehrfach variiert,
sowie gleichfalls durch Änderung der Einsatzstoffe abgewandelt.
Nahezu gleichzeitig mit den Arbeiten zu dem Verfahren gemäß der
britischen Patentschrift wurden nach der in der DE-PS 8 01 352
offenbarten Weise, nämlich durch Behandlung von unmagnetischen
Eisenoxiden mit den Salzen kurzkettiger Carbonsäuren und anschließendem
Erhitzen, geeignete magnetische Eisenoxide erhalten.
Der danach gewonnene Magnetit läßt sich durch Oxidation bei 200
bis 400°C ebenfalls in Gamma-Eisen(III)oxid überführen. Durch die
US-PS 29 00 236 ist dann bekannt geworden, daß sich sämtliche
organische Verbindungen, welche bei Temperaturen unterhalb 540°C
unter geringer Teer- und Aschebildung unersetzlich sind, für
die Reduktion der unmagnetischen Eisenoxide zum Magnetit eignen.
Dazu wird das Eisenoxid mit der gasförmigen, festen oder
flüssigen organischen Substanz in Kontakt gebracht und auf eine
Temperatur von 540 bis 650°C erhitzt. Während die US-PS 29 00 236
alle entsprechenden organischen Substanzen unter besonderer
Nennung von Wachs, Stärke und Öl hierfür als brauchbar angibt,
werden in der DE-AS 12 03 656 auf das Eisenoxid aufgefällte
Salze löslicher Seifen, in der DE-OS 20 64 804 sowohl höhere
Kohlenwasserstoffe, höhere Alkohole und Amine, höhere Fettsäuren
und deren Salze, sowie Öle, Fette und Wachse, in der DL-PS 91 017
ebenfalls langkettige Carbonsäuren bzw. deren Salze, in der
DE-AS 17 71 327 aliphatische Monocarbonsäuren mit 8 bis 25 Kohlenstoffatomen
gegebenenfalls in Mischung mit Morpholin und in der
JA-OS 80 499/1975 organische Verbindungen, wie z. B. Äthanol,
enthaltende Inertgase als Reduktionsmittel für die Gewinnung
von Magnetit aus unmagnetischen Eisenoxiden angeführt. In den
genannten vorbekannten Verfahren wird teils unter Luftausschluß
erhitzt, wobei die Reaktion auf der Stufe des Magnetits stehenbleibt,
oder auch in Gegenwart von Luft, wodurch der Magnetit
sofort zum Gamma-Eisen(III)oxid oxidiert wird.
Ausgangsstoffe für diese Umwandlung der Eisenoxide mittels organischer
Substanzen waren hierbei vorwiegend die entsprechenden
α-Modifikationen, wie a-FeOOH oder α-Fe₂O₃, jedoch wurde auch
bereits δ-FeOOH (DE-AS 12 03 656) sowie γ-FeOOH (DE-OS 22 12 435)
mit Erfolg eingesetzt. Wird γ-FeOOH bei erhöhter Temperatur zu
α-Fe₂O₃ entwässert, nachfolgend mit Wasserstoff zu Fe₃O₄ reduziert
und mit Luft zu γ-Fe₂O₃ reoxidiert, so wird mit zunehmender
Entwässerungs- oder Reduktionstemperatur ein Abfall der Koerzitivfeldstärke
im erhaltenen γ-Fe₂O₃ beobachtet (Bull. Chem.
Soc. Jpn., 50 (6), 1635 (1977)).
Die angegebenen vielfältigen Bemühungen zur Verbesserung der für
die Herstellung von magnetischen Aufzeichnungsträgern geeigneten
magnetischen Eisenoxiden machen das Bestreben offenbar, auf
diese Weise sowohl den steigenden technischen Anforderungen
an die Informationsträger zu begegnen als auch die Nachteile
anderer ebenfalls einsetzbar magnetischer Materialien auszugleichen.
Der Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, die bekannten
nadelförmigen ferrimagnetischen Eisenoxide zu verbessern und
von den bisherigen Nachteilen zu befreien. Insbesondere war Aufgabe
der Erfindung, nadelförmiges Gamma-Eisen(III)oxid bereitzustellen,
das sich durch hohe Werte bei der Koerzitivfeldstärke
und der Remanenz und durch mechanische und magnetische Stabilität
auszeichnet.
Es wurde nun gefunden, daß sich nadelförmige ferrimagnetische
Eisenoxide durch Reduktion nadelförmiger Eisen(III)oxidhydroxide
bei Temperaturen zwischen 300 und 650°C und gegebenenfalls Oxidation
des Reduktionsproduktes mit sauerstoffhaltigen Gasen bei
150 bis 500°C mit den gemäß der Aufgabe geforderten Eigenschaften
erhalten lassen, wenn das eingesetzte nadelförmige Eisen(III)oxidhydroxid
aus Lepidokrokit besteht und vor der Reduktion mittels
der bei der Reduktions-Temperatur in Gegenwart von Eisenoxiden
zersetzlichen organischen Verbindungen bei Temperaturen zwischen
300 und 700°C getempert wird. Unter Temperung wird hierbei eine
Wärmebehandlung verstanden, die in der Regel eine Entwässerung
beinhaltet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn im erfindungsgemäßen Verfahren
der Lepidokrokit ein Längen-zu-Dicktenverhältnis von mindestens
10 aufweist und die Temperung bei 350 bis 700°C und insbesondere
bei 400 bis 700°C vorgenommen wird.
Der für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzte Lepidokrokit
läßt sich unter geeigneten Reaktionsbedingungen aus Eisen(II)-
salzlösungen mit Alkalien unter gleichzeitiger Oxidation z. B.
nach der DE-AS 10 61 760 herstellen. Als besonders zweckmäßig
hat es sich jedoch erwiesen, aus einer wäßrigen Eisen(II)chloridlösung
mittels Alkalien, wie Alkalihydroxid oder Ammoniak, bei
Temperaturen zwischen 10 und 36°C und kräftigem Rühren zur Erzeugung
feiner Luftblasen, Eisen(III)oxidhydrat-Keime bis zu
einer Menge von 25 bis 60 Molprozent des eingesetzten Eisens
zu bilden, aus denen dann anschließend bei einer Temperatur
zwischen 20 und 70°C und bei einem durch Zusatz weiterer Alkalimengen
eingestellten pH-Wert von 4,0 bis 5,8 unter intensiver
Luftverteilung durch Zuwachs das Endprodukt entsteht. Nach beendetem
Wachstum soll der Feststoffgehalt an Eisen(III)oxidhydroxid
in der wäßrigen Suspension zwischen 10 und 70 g/l, bevorzugt
bei 15 bis 65 g/l, liegen. Nach dem Abfiltrieren und
Auswaschen des Niederschlags wird das so erhaltene Eisen(III)-
oxidhydrat bei 60 bis 200°C getrocknet.
Nach der beispielhaft angeführten Verfahrensweise lassen sich
stabile Kristallnadeln von Lepidokrokit erhalten, welche nahezu
keine dentritischen Verzweigungen aufweisen.
Weitere Kennzeichen des zum Einsatz beim erfindungsgemäßen Verfahren
geeigneten nadelförmigen Lepidokrokits sind eine mittlere
Teilchenlänge von 0,2 bis 1,5 µm. Das Längen-zu-Dicken-Verhältnis
beträgt mindestens 10, wobei sich entsprechende Verhältnisse
von 12 bis 40 als zweckmäßig herausgestellt haben. Die Teilchenoberfläche
gemessen nach BET liegt zwischen 18 und 70 m²/g.
Wird ein derart charakterisierter Lepidokrokit vor der an sich
bekannten Weiterverarbeitung zu ferrimagnetischen Eisenoxiden
erfindungsgemäß bei Temperaturen zwischen 300 und 700°C getempert,
so lassen sich überraschenderweise die Werte für Koerzitivfeldstärke
und Remanenz der daraus erhältlichen Endprodukte
verbessern. Die Temperung läßt sich sowohl in Luft wie auch in
Inertgasatmosphäre durchführen.
Das nach dem Temperschritt vorhandene Produkt wird in an sich
bekannter Weise mit in Gegenwart von Eisenoxiden zersetzlichen
organischen Substanzen bei Temperaturen zwischen 300 und 650°C
zu nadelförmigen ferrimagnetischen Eisenoxiden umgewandelt.
Zu diesem Zweck wird der getemperte Lepidokrokit mit der festen
oder flüssigen organischen Substanz mechanisch vermischt oder in
einer geeigneten Lösung oder Suspension der Substanz damit überzogen
und anschließend unter Inertgas auf Temperaturen von 300
bis 650°C erhitzt.
In gleicher Weise ist das Verfahren mittels gasförmiger organischer
Substanzen, die dem Inertgas zudosiert werden, durchführbar.
Zweckmäßigerweise verwendet man hierzu beispielsweise
höhere Fettsäuren und ihre Salze, deren Derivate, Wachse, Paraffine
und Inertgas/Alkoholdampf-Gemische. Je nach verwendeter organischer
Substanz und entsprechend ausgewählter Reaktionstemperatur
ist die Umwandlung des getemperten Lepidokrokits zum nadelförmigen
Magnetit nach etwa 1 bis 120 Minuten beendet. Als im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbare organische
Substanzen lassen sich alle nach dem Stand der Technik als geeignet
angegebene Verbindungen verwenden, soweit sie sich bei
Temperaturen zwischen 300 und 650°C in Gegenwart von Eisenoxiden
zersetzen lassen. Unter Eisenoxiden werden hierbei die durch
Temperung von γ-FeOOH zwischen 300 und 700°C erhaltenen Pigmenten
verstanden.
Der nach dieser Reduktionsreaktion erhaltene nadelförmige Magnetit
wird üblicherweise zum Gamma-Eisen(III)oxid oxidiert, zweckmäßig
durch Überleiten von Luft oder Zugabe von Sauerstoff bei Temperaturen
von 150 bis 500°C.
Wird jedoch die angegebene Umwandlungsreaktion nicht unter Inertgas,
sondern bereits in Gegenwart von Sauerstoff, wie z. B. Luft,
durchgeführt, so kann direkt Gamma-Eisen(II)oxid erhalten werden,
wenn hierbei die Oxidation bei Temperaturen unterhalb etwa 500°C
erfolgt.
Die erfindungsgemäß hergestellten nadelförmigen ferrimagnetischen
Eisenoxide, vor allem das Gamma-Eisen(III)oxid zeigen unerwartet
vorteilhafte Eigenschaften bei der Verwendung als Magnetpigmente
für die Herstellung von Magnetogrammträgern. Zur Herstellung von
magnetischen Schichten wird das Gamma-Eisen(III)oxid in polymeren
Bindemitteln dispergiert. Als Bindemittel eignen sich für diesen
Zweck bekannte Verbindungen, wie Homo- und Mischpolymerisate von
Polyvinylderivaten, Polyurethanen, Polyestern und ähnliche. Die
Bindemittel werden in Lösungen in geeigneten organischen Lösungsmitteln
verwendet, die gegebenenfalls weitere Zusätze enthalten
können. Die magnetischen Schichten werden auf starre oder biegsame
Träger wie Platten, Folien und Karten aufgebracht.
Die gemäß der Erfindung hergestellten nadelförmigen ferrimagnetischen
Eisenoxide, insbesondere das auf diese Weise erhältliche
Gamma-Eisen(III)oxid, unterscheiden sich deutlich von den bekannten
Gamma-Eisen(III)oxiden durch ihre gleichmäßigere Nadelform, da eine
Agglomeration durch Zusammensintern vermieden ist, durch ihre verbesserte
Richtbarkeit, durch die höhere Koerzitivfeldstärke und Remanenz,
welche überraschenderweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zu erzielen sind. Diese Verbesserungen beim Magnetmaterial
machen sich auch sehr deutlich bei den daraus hergestellten Magnetbändern
bemerkbar.
Der Gegenstand der Erfindung wird anhand folgender Beispiele erläutert.
Die magnetischen Pulverwerte werden durch Messung einer auf ein
Stopfgewicht von D = 1,2 g/cm³ gebrachten Oxidprobe mit einem konventionellen
Schwingmagnetometer bei 100 kA/m Meßfeldstärke bestimmt.
Die Koerzitivfeldstärke (H c ) wird in [kA/m], die spezifische
Remanenz (M r /ρ ) und die spezifische Magnetisierung (M m /ρ )
werden in [nT.m³/g] angegeben.
2,18 Mol Fe2+ (als technische FeCl₂-Lösung) werden auf 2,7 Liter
mit Wasser verdünnt und in einem 6-l-Glasgefäß versehen mit Rührer,
Lufteinleitungsrohr, Tropftrichter und Rückflußkühler vorgelegt.
Bei 28°C werden 2,18 Mol NaOH gelöst in H₂O mittels einer Schlauchpumpe
eindosiert (50%ige Fällung). Nach beendeter Fällung wird unter
heftigem Rühren 400 l Luft pro Stunde in die Suspension eingeleitet.
Die Keimbildungsphase ist dann beendet, wenn der pH-Wert der Suspension
auf 3,3 gefallen ist. Die Temperatur wird nun auf 40°C angehoben
und es werden 600 l Luft pro Stunde eingeleitet. 2,18 Mol
+10% Überschuß NaOH werden in 2 l H₂O gelöst und über eine automatische
pH-Regelung bei pH = 5,5 der Suspension zudosiert. Die
Reaktion ist dann beendet, wenn bei pH = 5,5 keine Natronlauge
mehr zudosiert wird. Die Endloskonzentration beträgt dann 32,3 g
γ-FeOOH pro Liter Suspension. Das Pigment wird abfiltriert,
chloridfrei mit H₂O gewaschen und bei 130°C im Umlufttrockenschrank
getrocknet. Die Ausbeute beträgt ca. 180 g γ-FeOOH, die spezifische
Oberfläche lag bei 29,0 m²/g.
150 g γ-FeOOH (Probe 1) werden 30 Minuten bei 550°C unter Luftzutritt
entwässert und danach mit 2,5 Gew.-% Stearinsäure
gemischt. Diese Mischung wird 1 Stunde an der Luft bei 100° gehalten.
Eine Vergleichsprobe 1 wird ohne vorherige Temperung auf
gleiche Weise behandelt.
Beide Proben werden auf gleiche Weise bei 520°C unter Stickstoff
zu Fe₃O₄ reduziert und bei 280°C mit Luft oxidiert.
Zur Herstellung der beiden Magnetdispersionen werden Topfmühlen
mit 8000 Teilen Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 5 mm gefüllt
und anschließend mit 700 Teilen des jeweiligen Magnetmaterials,
420 Teilen eines Gemisches aus gleichen Teilen Tetrahydrofuran
und Dioxan, 8,75 Teilen Lecithin, 8,75 Teilen eines neutralen
Polyaminoamidsalzes und 210 Teilen einer 20%igen Lösung eines
Copolymerisates aus 80% Vinylchlorid, 10% Dimethylmaleinat und
10% Diäthylmaleinat in einem Gemisch aus gleichen Teilen Tetrahydrofuran
und Dioxan versehen. Die Mischung wird 40 Stunden vordispergiert.
Anschließend werden 1090 Teile einer 10%igen Lösung
eines thermoplastischen Polyesterurethans aus Adipinsäure, 1,4-
Butandiol und 4,4′-Diisocyanatodiphenylmethan in einem Gemisch aus
gleichen Teilen Tetrahydrofuran und Dioxan, 0,7 Teile Polydimethylsiloxan
zugesetzt. Nach weiterem 5stündigem Dispergieren wird die
erhaltene Magnetdispersion unter Druck durch ein Filter von 5 µm
Porenweite filtriert. Mit einem Linealgießer wird nach der üblichen
Technik eine 6 mm starke Polyäthylenterephthalatfolie mit der
Magnetdispersion beschichtet und nach Durchlaufen eines Magnetfeldes
bei Temperaturen zwischen 60 und 100°C getrocknet. Nach der
Trocknung trägt die Folie eine Magnetschicht von 5 µm Dicke. Durch
Hindurchführen zwischen beheizten Walzen bei 80°C unter einem
Liniendruck von 3 kg/cm wird die Magnetschicht verdichtet. Die
beschichtete Folie wird in Bänder von 6,25 mm Breite geschnitten.
Die elektronische Messung erfolgt nach DIN 45 512, Teil II.
Die Meßergebnisse enthält Tabelle 2.
In einem 100 l-Reaktionsgefäß werden 20 Mol FeCl₂ mit Wasser zu
27 l gelöst und bei gleichzeitigem Durchleiten von 400 l/h Stickstoff
eine Temperatur von 22°C eingestellt. Unter Rühren mit
120 Upm werden dann in 20 Minuten 20,6 Mol NaOH gelöst in 13,3 l
Wasser hinzugefügt. Anschließend wird anstelle von Stickstoff je
Stunde 1100 l Luft eingeleitet, bis der pH-Wert auf etwa 3,1 abgefallen
ist. Nach 4,8 Stunden wurde auf diese Weise eine orangefarbene
Keimsuspension erhalten.
Unter weiterem Rühren mit 120 Upm und Durchleiten von 1100 l
Luft/h wird die Keimsuspension auf 41°C erwärmt. Nach Erreichen
dieser Temperatur wird der pH-Wert durch Zulauf von weiterer
wäßriger Natronlauge bis zum Reaktionsende auf 5,3 gehalten.
Dauer des Wachstums 2,0 Stunden.
Die Suspension wird auf einer Filternutsche mit Wasser gewaschen,
bis das Filtrat chloridfrei ist und dann bei 130°C im Trockenschrank
getrocknet.
Das resultierende Eisenoxidhydroxid besteht aus 100% γ-FeOOH.
Es weist eine spezifische Oberfläche von 26 m²/g auf.
Dieser Lepidokrokit wird zur Temperung an der Luft eine Stunde
auf 520°C erhitzt. Das dabei entstehende Produkt wird in 8 gleiche
Chargen aufgeteilt, die jeweils mit 2,5% des in Tabelle 3
genannten organischen Reduktionsmittels vermischt werden. Unter
den in Tabelle 3 genannten Bedinungen werden sie unter Stickstoff
zum Magnetit reduziert und an Luft zum γ-Fe₂O₃ oxidiert.
Die magnetischen Eigenschaften sind ebenfalls in der Tabelle 3
angeführt.
Es wird wie in Beispiel 2 beschrieben verfahren, jedoch wird
der Lepidokrokit vor der Reduktion und der Oxidation nicht getempert.
Reaktionsbedinungen und Meßergebnisse sind ebenfalls
in Tabelle 3 angegeben.
Es wird wie in Beispiel 2 beschrieben verfahren, jedoch werden
nachstehend aufgeführte organische Substanzen, bzw. entsprechende
Mischungen zur Reduktion verwendet.
Auf der Basis der Verfahrensweise gemäß Beispiel 2 wurde Eisen-
(III)oxidhydroxid mit einem Lepidokrokit-Anteil von 100% und
einer spezifischen Oberfläche nach BET von 27,6 m²/g hergestellt.
Der Ansatz wurde in einem 50 m³-Kessel mit einer Ausbeute von
945 kg γ-FeOOH hergestellt. Die Temperatur in der Keimphase betrug
22 bis 23°C, in der Wachstumsphase 32 bis 34°C, wobei der
pH bei 5,0 lag. Sowohl in der Keim- als auch in der Wachstumsphase
wurde mit einer Luftmenge von 2000 m³/h gearbeitet.
Dieser Lepidokrokit wird bei den in der Tabelle 5 angegebenen
Temperaturen jeweils 1 Stunde getempert, mit 2,5% Stearinsäure
vermischt und analog Beispiel 2 in γ-Fe₂O₃ umgewandelt. Reaktionsbedingungen
und magnetische Eigenschaften sind ebenfalls
in der Tabelle 5 aufgeführt.
Es wird wie in Beispiel 4 beschrieben verfahren, jedoch ohne den
Lepidokrokit zu tempern. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 enthalten.
Aus den beiden γ-Fe₂O₃-Proben von Beispiel 4 B und Vergleichsbeispiel
3 werden nach der in Beispiel 1 angeführten Beschreibung
Magnetbanddispersionen und anschließend Magnetbänder hergestellt.
Die elektronische Messung erfolgt nach DIN 45 512, Teil II.
Die Meßergebnisse enthält Tabelle 6.
Ein γ-FeOOH, hergestellt nach Beispiel 1, mit einer spezifischen
Oberfläche von 40,7 m²/g, wurde in 30 Minuten unter Luftzutritt
bei 500°C getempert, dann nach Zumischung von 2,5 Gew.-%
Stearinsäure bei 500°C unter Stickstoff zu Fe₃O₄
reduziert und nachfolgend bei 350°C mit Luft γ-Fe₂O₃ oxidiert.
Eine Vergleichsprobe wurde ohne vorherige Temperung auf sonst
gleiche Weise umgewandelt. Die Ergebnisse der magnetischen Messungen
sind in Tabelle 7 aufgeführt.
Zwei γ-FeOOH-Proben (7 A und 7 B) gemäß Beispiel 4 werden 30 Minuten
an der Luft bei 520°C getempert und mit 3 Gew.-% des
betreffenden, in Tabelle 8 angegebenen Reduktionsmittels gemischt.
Die Reduktion zu Fe₃O₄ unter N₂ wurde bei 520°C, die
Oxidation zu γ-Fe₂O₃ wurde mit Luft bei 280°C vorgenommen.
Vergleichsproben A und B wurden ohne vorherige Temperung auf
sonst gleiche Weise zu γ-Fe₂O₃ umgewandelt. Die Ergebnisse der
magnetischen Messungen sind in Tabelle 8 aufgeführt.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von nadelförmigen ferrimagnetischen
Eisenoxiden durch Reduktion von nadelförmigem Eisen-
(III)oxidhydroxid bei Temperaturen zwischen 300 und 650°C
und gegebenenfalls Oxidation des Reduktionsproduktes mit sauerstoffhaltigen
Gasen bei 150 bis 500°C, dadurch gekennzeichnet,
daß das eingesetzte nadelförmige Eisen(III)oxidhydroxid aus
Lepidokrokit besteht und vor der Reduktion mittels der bei der
Reduktionstemperatur in Gegenwart von Eisenoxiden zersetzlichen
organischen Verbindungen bei Temperaturen zwischen 300 und 700°C
getempert wird.
2. Verwendung der gemäß Anspruch 1 hergestellten nadelförmigen
ferrimagnetischen Eisenoxide als magnetisches Material zur
Herstellung von magnetischen Aufzeichnungsträgern.
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