DE3017524A1 - Verfahren zur herstellung von hydratisiertem eisenoxid mit silicium- und phosphor-komponenten - Google Patents
Verfahren zur herstellung von hydratisiertem eisenoxid mit silicium- und phosphor-komponentenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydratisiertes
Oxidpulver, umfassend hydratisiertes Eisenoxid als eine Hauptkomponente, das als Rohmaterial zur Herstellung
eines magnetischen Aufzeichnungsmediums hoher Qualität
verwendet wird.
Die für ein magnetisches Aufzeichnungsmedium geforderte Qualität bedeutet zum einen,daß die Koerzitivkraft in
der Weise zu verbessern ist, daß sie sich für eine hohe Aufzeichnungsdichte eignet, und bedeutet zum anderen, daß
die Teilchengröße zu minimal!sieren ist, um das Signal-Rausch-Verhältnis
zu verbessern. Falls die Teilchengröße reduziert wird, tritt bei der Umwandlungsstufe eines
hydratisieren Eisenoxids in Magnetit oder y-Eisen(lIl)-oxid
leicht ein Sinterphänomen auf. Dabei nimmt die Koerzitivkraft ab und die Dispersionsfähigkeit wird schlechter.
Um ein derartiges Sinterphänomen zu verhindern, ist vorgeschlagen worden, eine Siliciumverbindung auf der
Oberfläche eines hydratisierten Eisenoxids, wie Goethit,
auszubilden. Andererseits ist vorgeschlagen worden, in einer Vorbehandlung ein Phosphat zuzugeben, um die Dispersionsfähigkeit
zu verbessern. Diese Verfahren sind aus den JA-OSen 144 400/1977 und 129 198/1978 bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Sinterphänomen zu verhindern und die Abnahme der Koerzitivkraft
und die Beeinträchtigung der Dispersionsfähigkeit zu vermeiden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines hydratisierten Eisenoxids zu schaffen, das zur
Verbesserung der Eigenschaften eines magnetischen Aufzeichnungsmediums beiträgt.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man ein Verfahren zur Herstellung eines hydratisierten
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Oxidpulvers, umfassend ein hydratisiertes Eisenoxid als
eine Hauptkomponente, schafft, bei dem man eine Base und ein Oxidationsmittel zu einer wäßrigen Lösung, die als eine
Hauptkomponente Eisen(II)-ionen enthält, zugibt, um ein
hydratisiertes Oxid, umfassend ein hydratisiertes Eisenoxid als eine Hauptkomponente, zu schaffen. Das Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, daß man ein Silikat und ein Phosphat einer Lösung der Base einverleibt und die Oxidation
unter Aufrechterhaltung des pH-Wertes der Reaktionsmischung in einem Bereich von 5,5 bis 7,5 während des
größten Teils der Oxidation durchführt und auf diese Weise das hydratisierte Oxid schafft, das in ein Magnetpulver
mit ausgezeichneter Qualität überführt werden kann, ohne daß irgendein Sinterphänoraen auftritt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert; es zeigt:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung der Zunahme der Koerzitivkraft (Oe) und der spezifischen
Oberfläche des y-Fe^O-, (m /g).
Die wäßrige Lösung des Eisen(ll)-ions kann durch Auflösen
einer Eisen(II)-Verbindung, wie Eisen(II)-chlorid, Eisen(II)-sulfat,
Eisen(Il)-nitrat usw., in Wasser hergestellt werden. Die Konzentration der Eisen(II)-Verbindung
beträgt von Sättigungskonzentration bis 0,5 Gew.%, vorzugsweise
5 bis 40 Gew.% und speziell 10 bis 30 Gew.%.
Als Base wird vorzugsweise Natriumhydroxid, -carbonat oder
-bicarbonat oder Kaliumhydroxid, -carbonat oder -bicarbonat oder Ammoniumhydroxid verwendet. Die Konzentration der
Base beträgt gewöhnlich 1 bis 40 Gew.%, vorzugsweise 5 bis 30 Gew.%.
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Als Oxidationsmittel können Alkalichlorate, Luft, Sauerstoff,
Ozon und Alkalinitrate verwendet werden. Das Oxidationsmittel wird in einer Menge von mehr als der zur
Umwandlung einer Eisen(II)-Verbindung in eine Eisen(lll)-Verbindung
nötigen stöchiometrischen Menge zugegeben. Das Oxidationsmittel kann vor, während oder nach dem Vermischen
mit der wäßrigen Lösung des Eisen(II)-ions mit der Base zugegeben werden, da die Oxidation nach Bildung von
Eisen(II)-hydroxid abläuft. Das bedeutet, das Oxidationsmittel
kann mit der Base oder einer Aufschlämmung des Eisen(II)-hydroxide vermischt werden. Die Temperatur bei
der Oxidation liegt gewöhnlich in einem Bereich von O bis 8O0C, vorzugsweise 5 bis 6O°C und speziell 20 bis 500C.
Es kann auch das herkömmliche Oxidationsverfahren angewendet werden, bei dem man Luft durchsprudeln läßt.
Die Herstellung des hydratisierten Eisenoxids kann je nach Wunsch modifiziert werden.
Das hydratisierte Eisenoxid wird durch Reduktion in Magnetit umgewandelt. Magnetit wird durch Oxidation in
y-Eisen(Hl)-oxid überführt. Diese Produkte werden als
magnetisches Eisenoxidpulver bezeichnet. Das hydratisierte Eisenoxid wird durch Erhitzen dehydratisiert (entwässert).
Die Reduktion des hydratisierten Eisenoxids oder des dehydratisierten Eisenoxids wird gewöhnlich bei 300
bis 6000C, vorzugsweise 350 bis 400°C, in Wasserstoff oder
bei 400 bis 7000C in einem Inertgas mit einer organischen
Verbindung, wie Alkoholen, Ketonen, Äthern, Estern und Kohlenwasserstoffen, als Reduktionsmittel durchgeführt.
Die Oxidation des Produktes wird gewöhnlich dadurch durchgeführt, daß man es bei 200 bis 35O0C, vorzugsweise
250 bis 3000C, in Luft erhitzt.
Das Silikat kann durch folgende Formel dargestellt werden:
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χΜ2ο
wobei M für ein Metall, vorzugsweise ein Alkalimetall,
oder die Ammoniumgruppe steht. Falls das Silikat in einer wäßrigen Lösung einer Base aufgelöst wird, wird es gewöhnlich
in ein Alkalisilikat umgewandelt. Es kann daher irgendein Metallsilikat verwendet werden. Das typische Silikat
ist ein Alkalisilikat, wie Natrium- oder Kaliumsilikat, oder ein Ammoniumsilikat. .
Als Phosphat können Orthophosphata Metaphosphate und Polyphosphate verwendet werden. Falls das Phosphat in einer
wäßrigen Lösung einer Base aufgelöst wird, wird es gewöhnlich in ein Alkaliphosphat umgewandelt. Es kann daher irgendein
Metallphosphat verwendet werden. Das typische Phosphat ist ein Alkaliphosphat, wie Natrium- oder Kaliumphosphat,
oder ein Ammoniumphosphat.
Das Silikat wird in einem Verhältnis von 0,05 bis 10 Gew.%,
vorzugsweise 0,1 bis 5 Gew.i&, als Si, bezogen auf Eisenoxid,
einverleibt. Das Phosphat wird in einem Verhältnis
von 0,05 bis 5 Ge\r.%, vorzugsweise 0,1 bis 2 Gew.%t als
P, bezogen auf Eisenoxid, einverleibt. Falls ein Silikat und ein Phosphat einverleibt werden, sind P und Si als
Teile der Kristallstruktur des hydratisierten Eisenoxids einverleibt. Das bedeutet, daß P und Si in den Kristall
als Substituenten eingeschlossen sind.
Die Teilchen des durch Reduktion des hydratisierten Eisenoxids erhaltenen Magnetits weisen gewöhnlich eine Länge
von 0,1 bis 2/u, vorzugsweise 0,2 bis 1/U, und ein Azikularverhältnis
(Verhältnis von Länge zu Dicke) von 2 bis 40, vorzugsweise 5 bis 20, auf. ■;".._
Man nimmt an, daß die Silicium- und Phosphor-Komponenten in dem Kristall des hydratisierten Oxids, das mittels des
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erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wird, eingebaut
v/erden. Auf diese Weise werden die angestrebten FurJctio-
nen und Eigenschaften erhielt. Ven'aiiren und Produkt £<?-
mäß der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich von den herkömmlichen Verfahren und den mit diesen erhaltenen Produkten.
Bei dem erfindungsgeraäßen Verfahren wird die Reaktion zur Herstellung des hydratisieren Oxids, das das
hydratisierte Eisenoxid als eine Hauptkomponente umfaßt, beschleunigt, falls der wäßrigen Lösung, die Eisen(ll)-ionen
als eine Hauptkomponente enthält, eine geringe Menge Zinkionen einverleibt ist. Außerdem werden die magnetischen
Eigenschaften des aus dem resultierenden, hydratisierten Oxid erhaltenen Magnetpulvers verbessert.
Der wesentliche Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem herkömmlichen Verfahren, bei dem
eine Siliciumkomponente und eine Phosphorkomponente zugesetzt werden, ist wie folgt. Bei dem Verfahren gemäß
der vorliegenden Erfindung werden eine Siliciumkomponente und eine Phosphorkomponente während der Herstellung des
hydratisierten Oxids, das das hydratisierte Eisenoxid als eine Hauptkomponente enthält, z.B. Goethit, einverleibt.
Dadurch werden die Silicium- und Phosphor-Komponenten in den Kristall des hydratisierten Oxids eingebaut und gebunden.
Andererseits haften bei dem herkömmlichen Verfahren die Silicium- und/oder Phosphor-Komponenten lediglich
auf der Oberfläche des hydratisierten Oxids. Aus diesen unterschiedlichen Strukturen resultieren die Unterschiede
bezüglich der Funktion und Eigenschaften der jeweiligen Produkte.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert. Dabei bedeutet der Ausdruck
"Sättigungsmagnetstärke" jeweils "Intensität der Sättigungsmagnetisierung"
und der Ausdruck "Restmagnetstärke" jeweils "Intensität der Restmagnetisierung".
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Beispiel 1
In 2,0 1 entsalztem Wasser werden 278 g Eisen(II)-sulfat
aufgelöst. Die Lösung wird mittels eines Rührers bei einer Temperatur von 25+10C gerührt. Eine Hälfte einer Lösung,
die durch Auflösen von 80 g Natriumhydroxid und 30 g Kaliumchlorat in 1,0 1 entsalztem Wasser erhalten
wurde, wird allmählich während etwa 1 min zu der ersteren Lösung gegeben. Während der Zugabe erhöht sich der pH-Wert
der Lösung plötzlich von etwa 3,0 auf etwa 7,5 und nimmt anschließend bis auf etwa 6,1 nach 15 min ab. Nach 30 min
wird eine Lösung, die durch Auflösen von 3,0 g Natriumsilikatlösung (etwa 28% SiO^-Komponente) und 0,30 g Natrium-metaphosphat
in der erwähnten, verbleibenden Lösung des Natriumhydroxids und Kaliumchlorats erhalten wurde,
der Reaktionsmischung mit einer Rate von 2 ml/min zugesetzt.
Es werden etwa 250 min bis zur vollständigen Zugabe benötigt. Während der Zugabe wird die Reaktionsmischung
gerührt und die pH-Änderung der Reaktionsmischung automatisch aufgezeichnet. Nach etwa 200 min erhöht sich der
pH-Wert allmählich auf 6,4 bis 6,5. Die Farbe des Präzipitats ändert sich von bläulich-schwarz nach dunkelgrün
und ändert sich anschließend über gelblich-blau nach gelb. Der Endpunkt der Umsetzung sollte bei Zugabe der stöchiometrischen
Menge der zur Neutralisation des Eisen(II)-sulfats erforderlichen Base erreicht sein. In der Praxis
wird die pH-Änderung aufgezeichnet und mit einer geringen Menge einer wäßrigen Lösung einer Base gesteuert, so daß
ein pH von etwa 7,0 erhalten wird.
Bei diesem Beispiel werden etwa 10 ml einer 2N wäßrigen NaOH-Lösung 20 min vor dem Ende der Umsetzung zugegeben.
Die Umsetzung ist nach 300 min vollständig abgelaufen. Gegen Ende der Reaktion beträgt der pH-Wert 7,02. Die resultierende
Aufschlämmung von Goethit wird fünfmal in einem 100 1 Tank mittels eines Dekantierverfahrens ge-
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waschen. Anschließend wird die Aufschlänunung filtriert,
24 h bei 7O°C getrocknet und pulverisiert. Man erhält etwa 86 g Goethitpulver. Mittels Röntgenbeugung wird sichergestellt,
daß das Pulver zum größten Teil aus Goethit (cc-FeOOH) besteht. Durch elektronenmikroskopische Untersuchung
wird gleichfalls sichergestellt, daß das Pulver aus azikularen (nadeiförmigen) Kristallen mit einer durchschnittlichen
Länge von etwa 0,3/U und einem Azikularverhältnis von etwa 10 besteht. Mittels des BET-Verfahrens
wird festgestellt, daß das Pulver eine spezifische Oberfläche von 56,7 m /g aufweist. Mittels der Fluoreszenz-Röntgenelementaranalyse
wird festgestellt, daß das Pulver 0,85 Gew.% SiOp-Komponente und 0,15 Gew.% Phosphor-Komponente
enthält.
10 g des resultierenden Goethitpulvers werden in ein Quarzschiffchen gegeben und dieses zusammen mit einem Träger
in einen Reduktionsofen placiert. Zunächst wird in Luft eine Stunde bei etwa 6000C erhitzt, um eine Dehydratisierung
und eine Hitzebehandlung durchzuführen. (Aus der Hitzebehandlung bei 6000C resultiert eine Verbesserung
des kristallinen Zustande und eine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften des Y-Fe2O^, das durch Reduktion
und Oxidation des Produktes erhalten wird.) Stickstoffgas wird sprudelnd in Äthanol eingeleitet und kontinuierlich
in den Reduktionsofen mit einer Fließrate von 0,3 l/min eingeleitet. Das Pulver wird 1 h bei 4000C reduziert, um
Magnetit zu erhalten. Das Magnetit wird abgekühlt und anschließend in Luft 1 h bei 300°C erhitzt, um y-Eisen(IIl)-oxid
zu erhalten.
Die magnetischen Eigenschaften des resultierenden γ-Eisen(IIl)-oxids
werden bestimmt. Die Ergebnisse werden im folgenden aufgeführt.
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Koerzitivkraft (Hc) 465 Oe
Sättigungsmagnetstärke (sigma S) 73,7 emu/g Restmagnetstärke (sigma R) 36,9 emu/g
(emu = elektromagnetische Einheit)
Die spezifische Oberfläche beträgt gemäß dem BET-Verfahren 40,2 m /g. Aufgrund einer elektronenmikroskopischen Untersuchung
wird sichergestellt, daß im wesentlichen kein Sintern der Teilchen aufgetreten ist. Die Koerzitivkraft
variiert, abhängig von einer jeweiligen Packungsdichte. Die Koerzitivkraft wird daher auf den Wert kalibriert,
der unter der Bedingung von 0,50 g/ml erhalten wird.
Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt. Es werden jedoch bei sonst gleichen Bedingungen und den gleichen
Komponenten 10 ml einer 1,0 molaren wäßrigen Lösung von Zinkchlorid zu der wäßrigen Lösung des Eisen(Il)-sulfats
gegeben. Man erhält den Goethit, der eine Zinkkomponente
enthält. Falls Zinkionen zugesetzt werden, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit geringfügig zu und die Umsetzung
ist etwa 50 min eher als bei Beispiel 1 beendet. Aufgrund
der elektronenmikroskopischen Untersuchung ist die Größe der Teilchen geringfügig kleiner als bei Beispiel 1. Das
Azikularverhältnis der Teilchen ist geringfügig größer
als bei Beispiel 1. Die spezifische Oberfläche, gemessen
mit dem BET-Verfahren, beträgt 67,1 m2/g.
Wie bei dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren wird
das Produkt dehydratisiert, reduziert und oxidiert, um
y-Eisen(IIl)-oxid zu erhalten. Die magnetischen Eigenschaften
des y-Eisen(IIl)-oxids sind wie folgt.
Koerzitivkraft (Hc) 471 Oe
Sättigungsmagnetstärke (sigma S) 73,3 emu/g Restmagnetstärke (sigma R) 36,5 emu/g.
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Die spezifische Oberfläche beträgt gemäß dem BET-Verfahren 43,5 m /g.
Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt. Es wird jedoch die Natriumsilikatlösung und Natriummetaphosphat bei
der wäßrigen Lösung von Natriumhydroxid und Kaliumchlorat weggelassen. Man erhält einen Goethit. Das Produkt wird
anschließend dehydratisiert, reduziert und oxidiert, um y-Eisen(Hl)-oxid zu erhalten. Die magnetischen Eigenschaften
des y~Eisen(III)-oxids werden bestimmt. Man erhält die folgenden Ergebnisse:
Koerzitivkraft (Hc) 423 Oe
Sättigungsmagnetstärke (sigma S) 75»6 emu/g
Restmagnetstärke (sigma R) 38,1 emu/g
Die spezifische Oberfläche gemäß dem BET-Verfahren beträgt
32,7 m2/g.
In die durch die Umsetzung zur Herstellung des Goethits gemäß Vergleichsbeispiel 1 erhaltene Aufschlämmung von
Goethit gibt man eine geringe Menge einer 2N HoSOλ-Lösung,
um den pH-Wert auf 3,4 einzustellen, sowie 30 ml einer 1,0%igen wäßrigen Natriummetaphosphatlösung. Nach
60minütigem Rühren der Mischung wird eine geringe Menge einer 2N NaOH-Lösung zur Einstellung des pH-Wertes auf
8,5 und anschließend werden 30 ml einer wäßrigen Lösung zugesetzt, die 3,0 g Natriumsilikatlösung (etwa 28%
SiOp-Gehalt) enthält, und man rührt die Mischung während
60 min. Schließlich gibt man eine geringe Menge 2N HoSO^-
Lösung zur Einstellung des pH-Wertes auf 4,2 zu und rührt das Gemisch während 60 min.
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Wie bei dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren wird das Produkt mit Wasser gewaschen, filtriert, getrocknet
und pulverisiert, wobei man 87 g Goethit erhält. Dann wird das Produkt dehydratisiert, reduziert und oxidiert,
um y-Eisen(III)-oxid zu erhalten. Die magnetischen Eigenschaften
des y-Eisen(IIl)-oxids sind wie folgt:
Koerzitivkraft (Hc) 440 Oe
Sättigungsmagnetstärke (sigma S) 74,1 emu/g
Restmagnetstärke (sigma R) 37,2 emu/g
Die spezifische Oberfläche, gemessen nach dem BET-Verfahren,
beträgt 35,1 m /g.
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehungen von spezifischer Oberfläche des y-Eisen(IIl)-oxids
(Y-Fe2O^) und der Koerzitivkräfte (Hc) aufzeigt, die in
den Beispielen 1 und 2 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 erhalten wurden. Aus der Fig. 1 geht klar hervor, daß das
in Beispiel 1 erhaltene Produkt (das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Produkt) eine überlegene Koerzitivkraft
und spezifische Oberfläche, verglichen mit den in Verglexchsbeispiel 1 (keine Zugabe eines Silikats
oder Phosphats) und Vergleichsbeispiel 2 (das herkömmliche Verfahren der Zugabe eines Silikats und Phosphats)
erhaltenen Produkte, aufweist.
Die mit den Verfahren des Beispiels 1 sowie der Vergleichsbeispiele
1 und 2 erhaltenen Goethite weisen im wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe sowie
die gleiche spezifische Oberfläche auf. Auch die Bedingungen der Dehydratation, Reduktion und Oxidation sind
die gleichen. Unterschiede bei den Koerzitivkräften und
den spezifischen Oberflächen sollten daher auf Unterschiede der zur Verhinderung des Sintern der Goethite
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bei der Umwandlung der Goethite in y-Eisen(III)-oxide
beitragenden Effekte zurückzuführen sein.
Bei Beispiel 2 wird eine geringe Menge der Zinkkomponente addiert, um die Form der Teilchen zu verbessern und die
Teilchengröße zu verringern. Das Produkt von Beispiel 2 weist eine überlegene Koerzitivkraft und eine spezifische
Oberfläche, verglichen mit dem von Beispiel 1, auf. Dadurch ist das Produkt von Beispiel 2 dem von Beispiel
1 als Quelle für ein magnetisches Aufzeichnungsmedium hoher Qualität überlegen.
Die Ursache für das Ergebnis, daß das Produkt des Beispiels
1 dem des Vergleichsbeispiels 2 überlegen ist, ist nicht klar. Es wird jedoch angenommen, daß die Phosphor-
und Silicium-Komponenten, die das Verhindern des Sinterns bewirken, bei Beispiel 1 in den Kristall eingebaut sind,
wohingegen sie in Vergleichsbeispiel 2 nur auf der Oberfläche des Kristalls haften.
Bei einem Vergleich der verschiedenen Verfahren der Zugabe des Phosphats und des Silikats und der Behandlung zeigt
sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren bemerkenswert einfacher als das herkömmliche Verfahren ist. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist allein schon deshalb als überlegen anzusehen. Es können in bemerkenswerter Weise Herstellungskosten
eingespart werden, und der industrielle Vorteil ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bemerkenswert
groß.
Bei den Beispielen 1 und 2 werden das Phosphat und das Silikat nach Zugabe von 50% der Lösung der Base zugegeben.
Es ist jedoch auch möglich, das Phosphat und das Silikat
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von Anfang an zuzugeben. Es ist nicht immer nötig, das Phospb.at und das Silikat zuzugeben, nachdem bereits 50%
der Lösung der Base zugesetzt wurden. Die Form und die Größe der Teilchen des Goethits werden jedoch abhängig
von dem Zeitpunkt der Zugabe des Phosphats und des Silikats geringfügig variiert. Der Zeitpunkt der Zugabe
sollte daher jeweils in Betracht gezogen werden.
Die Bereiche für die Mengen an Phosphat und Silikat betragen jeweils von 0,05 bis 5 Gew.%. Falls die Menge
geringer als 0,05 Gew.% ist, tritt kein bemerkenswerter
Effekt auf. Falls die Menge andererseits größer als 5% ist, verändern sich ungünstigerweise die Form und
die Größe und die Magnetisierungsstärke wird verringert.
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Claims (3)
1. Hydratisiertes Eisenoxidpulver, umfassend eine Siliciumkomponente und eine Phosphorkomponente, die einer
kristallinen Struktur einverleibt sind.
2. Hydratisiertes Eisenoxidpulver nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Zinkkomponente einer kristallinen Struktur einverleibt ist.
3. Verfahren zur Herstellung eines hydratisierten
Eisenoxids, umfassend eine Siliciumkomponente und eine Phosphorkomponente, durch Zugabe einer Base zu einer
wäßrigen Lösung eines Eisen(ll)-ions, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Silikat und ein Phosphat zu einem
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-P.Teil oder zu der Gesamtmenge einer wäßrigen Lösung der
Base addiert und den pH der Reaktionsmischung bei der Oxidation in einem Bereich von 5,5 bis 7,5 hält.
4·. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man der wäßrigen Lösung des Eisen(II}-ions eine geringe
Menge Zinkionen, einverleibt.
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