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.
Beispiel 1 Darstellung von γ-FeOOH
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.
Tabelle 2
Beispiel 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.
Vergleichsbeispiel 2
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.
Tabelle 3
Beispiel 3
Es wird wie in Beispiel 2 beschrieben verfahren, jedoch werden nachstehend aufgeführte organische Substanzen, bzw. entsprechende Mischungen zur Reduktion verwendet.
Tabelle 4
Beispiel 4
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.
Vergleichsbeispiel 3
Es wird wie in Beispiel 4 beschrieben verfahren, jedoch ohne den Lepidokrokit zu tempern. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 enthalten.
Tabelle 5
Beispiel 5 und Vergleichsbeispiel 4
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.
Beispiel 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.
Tabelle 7
Beispiel 7
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.
Tabelle 8

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.
DE19782805405 1978-02-09 1978-02-09 Verfahren zur herstellung von nadelfoermigen, ferrimagnetischen eisenoxiden Granted DE2805405A1 (de)

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