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Verfahren zur Herstellung feinteiliger hexagonaler
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Ferrite sowie ihre Verwendung zur Herstellung magnetischer Aufzeichnungsträger
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung feinteiliger hexagonaler Ferrite
der allgemeinen Formel M(MeTi)x Fe 12-2x019' in in der M Barium oder Strontium,
Me Zink, Nickel und/oder Kobalt und x Werte von 0 bis 2,0 bedeuten sowie ihre Verwendung
zur Herstellung von magnetischen Aufzeichnungsträfrern .
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Die Ferr-tpulver für die Herstellung von Hartferritmagneten sowie
von weitgehend fälschungssicheren magnetischen Aufzeichnungen werden üblicherweise
nach dem keramischen Verfahren hergestellt. Dazu werden Bariumcarbonat bzw. Strontiumcarbonat
und Eisenoxid in dem Verhältnis, das der chemischen Formel des späteren Ferrits
entspricht, gemischt und diese Mischung einer Wärmebehandlung, dem sogenannten Vorsintern,
bei Temperaturen zwischen 1100 0C und 13000C unterworfen. Beim Vorsintern bildet
sich der magnetische Hexaferrit. Die entstandenen versinterten Konglomerate aus
Kristalliten werden anschließend meist unter Zusatz von Wasser zu einem Pulver,
dessen Teilchengröße rund 1/um beträgt, gemahlen. Durch das Mahlen entstehen Kristallbaufehler
in den Teilchen, die eine Erniedrigung der Koerzitisitzt zur Folge haben. So hergestellte
Ferritpulver weisen im allgemeinen eine recht gute spezifische remanente Magnetisierung
auf, die Magnetisierungskoerzitivfeldstärke jHc liegt aber mit etwa 200 KA/m vor
dem Mahlen und< 150 KA/m nach dem Mahlen recht niedrig. Diese durch das Mahlen
hervorgerufenen Kristallbaudefekte lassen sich durch ein Tempern nach dem Mahlen
oder durch einen Sinterprozeß nur zum Teil ausheilen. Deshalb zeigen die aus gemahlenen
hartmagnetischem Bariumferritpulver hergestellten Magnete, wie sie in der Technik
heute benutzt werden, je Werte von nur
280 bis 320 kA/m. Außerdem
weisen die gemahlenen Ferritpulver ein breites Teilchengrößenspektrum auf.
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Ein anderes Verfahren wird z.B. in der DE-OS 28 32 892 beschrieben.
Hier wird eine Ba-Fe(III)-Nitratlösung in einem Sprühturm gegen ein Heizgas mit
einer Temperatur von 12000C versprüht. An dem Verfahren ist nachteilig, daß das
so hergestellte Ba-Ferritpulver mit i -Fe205 verunreinigt ist, wodurch Sättigungs-
und remanente Magnetisierung gegenüber einphasigem Ferrit erniedrigt sind. Zum anderen
sind die anfallenden Kristallite teilweise miteinander versintert, so daß das Pulver
vor einer weiteren Verwendung aufgemahlen werden muß.
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Neben den obengenannten Verfahren sind zur Herstellung von Barium-
und Strontiumferriter auch Mischrällungsverfahren herangezogen worden. So beschreiben
K. Haneda et al in J. Amer. Ceram. Soc. 57 (8) (1974) 354t7 die Darstellung von
hochkoerzitivem Bariumferrit durch Tempern einer abfiltrierten, ausgewaschenen und
getrockneten BaC03 -Fe(OH)5-MischfEllung bei 9250C. Die Mischfällung wurde durch
Zusammengeben einer Ba-Fe(III)-Chloridlösung und einer NaOH-Na2C03-Lösung mit fast
4-fachem Alkaliüberschuß hergestellt. Ein weiteres Mischfällungsverfahren aus Ba-Fe(III)-Chloridlösung
und überschüssiger Na2C03-Lösung wira in der DE-OS 19 48 114 (US-PS 3 582 266) offenbart.
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Das zusammen ausgefällte Ba und Fe(III)-Carbonat wird filtriert, ausgewaschen,
sprühgetrocknet und bei 11000C getempert. Der Überschuß an Na2COD dient dazu, um
nach der Filtration eine wirksame Entfernung von Salzanteilen zu ermöglichen. Die
erforderlichen hohen Temperaturen bei der Temperung ergeben jedoch grobteilige Ferritpulver
mit einer Teilchengröße von 0,5 bis 1,0 /um und Hc -Werten, die auch mit dem keramischen
Verfahren erreicht werden können.
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Ein weiteres Mischfällungsverfahren ist aus der
GB-PS
1 254 390 (US 3 634 254) bekannt. Dabei werden die Kationen einer ammoniakalischen
Ba-Fe(III)-Nitratlösung mit einem Ammoniumsalz einer Fettsäure ausgefällt. Auch
hier ist eine Temperung mit den dadurch bedingten nachteiligen Folgen auf das Teilchengrößenspektrum
erforderlich.
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Diese genannten Verfahren haben den Nachteil, daß das in der flüssigen
Phase erhaltene Mischfällungsprodukt zu feinteilig und daher nur sehr schwierig
von der flüssigen Phase abzutrennen ist. Da hierbei außerdem das gefällte feinteilige
Ba-Salz teilweise durchs Filter läuft, ist es schwierig, Fällungsprodukte mit einer
Zusammensetzung zu erzielen, die den festgelegten Molverhältnissen der jeweiligen
Komponenten entsprechen. Wegen dieser Mängel wurden diese Verfahren bisher gewerblich
nicht realisiert.
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Weiterhin ist es nachteilig, daß die erhaltenen Ferrite aufgrund der
Versinterung beim Tempern schlecht dispergierbar sind und für eine weitere Verwendung
aufgemahlen werden müssen.
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Um den Nachteil der schlechten Filtrierbarkeit zu beheben, wird in
der DE-AS 27 38 830 (US-PS 4 120 807) vorgeschlagen, bei der Mischfällung ein grobteiliges
Fe304 und BaC03 mit einer Teilchengröße von 0,5 bis 0,7 /um zu erzeugen. Der nach
dem Tempern bei 400 bis 900 C entstehende Ba-Ferrit ist allerdings mit einem Kristallitdurchmesser
von 0,5 bis 0,9 /um relativ grobteilig und fällt z.T. in versinterter Form an.
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Mischfällungen führen im allgemeinen zu einem innigen Kontakt der
Reaktionskomponenten und bewirken so eine Reaktionsbeschleunigung. Andererseits
sind auch Fluxverfahren bekannt, bei denen Flußmittel zur Förderung der Reaktion
zwischen den einzelnen Metalloxiden eingesetzt werden,
'wie z.B.
B203, Alkaliborate, PbO, Alkaliferrite, Bi203> Molybdat, Alkalihalogenide und
-sulfate.
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So wird nach der US-PS 3 j93 443 Bariumferrit durch Erhitzen eines
BaCO-FeOOH-NaCl-KCL-Gemenges dargestellt.
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Dabei wird es als wichtig angesehen, von FeOOH als Eisenkomponente
auszugehen, um die Ferritbildungsreaktion in Gegenwart von "in situs erzeugtem H20
durchzuführen.
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Außerdem wird eine vollständige Ferritbildung nur bei hohen Temperaturen,
weit oberhalb des Schmelzpunktes der zugegebenen Alkalichloride (d.h. bei 100000)
beobachtet.
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Tiefere Temperaturen führen zu geringen Ba-Ferritausbeuten. Das Verfahren
bringt gegenüber der keramischen Methode keine Verbesserung in der Koerzitivkraft.
Außerdem fallen die Teilchen mit einem Kristallitdurchmesser von ca.
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1 bis 1,5 /um in relativ grobteiliger Form an. Nach dem Verfahren
der DE-OS 24 01 029 (US-PS 3 810 973) wird eine Suspension von Eisen(III)-oxid-Hydrat
in einer Alkalichloridlösung mit Ba003-Pulver versetzt und dann sprühgetrocknet
und bei 1000 bis 105000 getempert. Das Verfahren führt zu einem relativ grobteiligen
hexagonalen Ferrit mit einem Kristalldurchmesser von ca 1 bis 1,5 /um.
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In der DE-OS 21 43 793 wird ein Verfahren zur Herstellung von Bariumferrit
beschrieben, bei dem ein Ba003-Fe203--Na2S04-K2S04-Gemenge auf 9500C erhitzt wird.
Auch dieses Verfahren ergibt grobteilige Ferritpräparate.
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Für eine Reihe von Anwendungen auf dem Gebiet der fälschungssicheren
Codierung, z.B. bei Identittsausweisen, Kreditkarten sowie magnetische Speicherung
von sonstigen Kennungen, ist es wünschenswert, magnetische Aufzeichnungsträger zur
Verftigung zu haben, welche eine gegenüber den derzeitigen Standardspeichermedien
höhere Koerzitivfeldstärke aufweisen. Entsprechende Materialien wären gegenüber
magnetischen
Fremdfeldern unempfindlicher und somit nur unter erschwerten Bedingungen zu fälschen.
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Es bestand daher die Aufgabe, ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren
zur Herstellung eines magnetischen Materials bereitzustellen, das den Anforderungen
genügt, welche an ein magnetisches Material für die Verwendung in den angegebenen
magnetischen Aufzeichnungsträgern gestellt werden. Ein solches Material sollte sich
vor allem durch eine hohe Feinteiligkeit bei enger Teilchengrößenverteilung, eine
enge Schaltfeldverteilung, eine gute Dispergierbarkeit für die Einarbeitung in organische
Bindemittel und durch eine hohe und in einfacher Weise definiert einstellbare Koerzitivfeldstärke
auszeichnen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe lassen sich in vorteilhafter Weise feinteilige
hexagonale Ferrite der allgemeinen Formel M(MeTi) Fel2-2x019J in der M Barium oder
Strontium, Me Zink, Nickel und/oder Kobalt und x Werte von 0 bis 2,0 bedeuten, heranziehen.
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Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß sich diese genannten
Ferrite auf einfachem Wege mit den aufgabengemäß geforderten Eigenschaften herstellen
lassen, wenn ein Barium- oder Strontiumsalz, Eisen(III)chlorid sowie gegebenenfalls
ein Salz des Zinks, Nickels und/oder Kobalts und eine Titanverbindung zusammen mit
Natrium-und/oder Kaliumcarbonat vermischt werden, das erhaltene Gemenge auf eine
Temperatur zwischen 700 und 1100 0C erhitzt und dann der sich dabei bildende feinteilige
plättchenförmige hexagonale Ferrit der genannten Zusammensetzung durch Auslaugen
mit Wasser isoliert wird.
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Zur Durchführung des.erfindungsgemäßen Verfahrens werden die einzelnen
Komponenten in Pulverform in bekannter Weise
vermischt, zweckmäßigerweise
in einer Kugelmühle vermahlen, um eine homogene Verteilung der einzelnen Substanzen
untereinander zu erreichen. Bei den einzelnen Komponenten für das Reaktionsgemenge
wird neben dem Eisen(III)chlorid für das Barium- oder Strontiumsalz vorzugsweise
das entsprechende Chlorid oder Carbonat ausgewählt. Im Falle der Darstellung der
substituierten Ferrite gemäß obengenannter Formel, d.h. für Werte von x größer Null,
hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, Zink, Nickel und/oder Kobalt in Form
ihrer Chloride oder Carbonate einzusetzen. Als Titanverbindung eignet sich sehr
feinteiliges Titandioxid, das als sogenanntes Weise pigment bezeichnet wird. Die
Molmassenverhältnisse im Reaktionsgemenge sind so gewählt, daß das Atommassenverhältnis
von Eisen zu Barium oder Strontium 9 bis 12 beträgt. Außerdem hat es sich als zweckmäßig
erwiesen, wenn das Verhältnis der Summen der Mole Natrium und Kalium zu der Summe
der Mole Chloridionen o,8 bis 1,4 beträgt.
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Das intensiv gemischte und vermahlene Gemenge wird anschließend auf
700 bis 1100C aufgeheizt und bei dieser Temperatur 0,5 bis 3 Stunden getempert.
Nach dem Abkühlen fällt ein Gemenge aus Ferrit und Alkalichlorid an, dessen Salzanteil
anschließend mit Wasser herausgelöst wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von den bekannten
Verfahren, bei denen im allgemeinen von oC-Fe203 ausgegangen wird, vor allem dadurch,
daß erst bei der Reaktion der nichtoxidischen Ausgangskomponenten in situ ein äußerst
feinteiliges und reaktives Eisenoxid entsteht. Gleichzeitig bildet sich als Nebenprodukt
in feiner Verteilung Natriumchlorid und/oder Kaliumchlorid.
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Das Alkalichlorid schmilzt bei niedrigen Temperaturen, im
Falle
der eutektischen Zusammensetzung von NaCl und KCl schon bei etwa 6500C und bildet
eine katalytische flüssige Phase für den schnellen Transport der Reaktionskomponenten.
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Zum anderen verhindert der anfallende Salzanteii ein Versintern der
entstehenden Ferritkristallite.
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Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich diese Ferrite
unmittelbar als feinkörnige, unversinterte Pulver gewinnen. Sie bestehen aus sechseckigen
Plättchen, die je nach Reaktion - und Substitutionsbedingungen einen mittleren Durchmesser
von 0,1 bis 0,7/um besitzen. Die erhaltenen Pulver zeigen in der durchstrahlungs-
und rasterelektronischen Aufnahme ein enges TeilchengröRenverteilungsspektrum. Die
Werte für die spezifische Oberfläche nach BET (SN2) liegen bei 1 bis 12 m2/g. Für
undotierten Bariumferrit werden Magnetpulverwerte von H = 360 kA/m und Mr/g 141
nTm3/g erreicht, für reinen Strontiumferrit ergeben sich sogar Hc-Werte von 425
kA/m. Damit sind die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Pulver den
auf herkömmlich keramischem Wege erhaltenen Präparaten in den magnetischen Eigenschaften
überlegen.
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Außerdem weisen die erhaltenen freifließenden Ferritpulver eine besonders
gute Dispergierbarkeit auf, so daß sie besonders zur Herstellung von magnetischen
Aufzeichnungsträgern geeignet sind. Bei der Herstellung von Magnetbändern mit magnetischer
Ausrichtung in Längsrichtung des Bandes zeigen die undotierten Ferritpulver einen
sehr hohen Richtfaktor von über 3. Dies ist bemerkenswert, da die auf herkömmlich
keramischem Wege erhaltenen Ferritpulver im Magnetband nur Richtfaktoren von unter
2 aufweisen. Der hohe Richtfaktor führt zu den erwünschten hohen Werten für die
remanente Magnetisierung.
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Bei der Verarbeitung der hochkoerzitiven Ferritpulver zu magnetischen
Aufzeichnungstrgern bleibt die Koerzitivfeldstärke erhalten, so daß sehr hochkoerzitive
magnetische Aufzeichnungsträger hergestellt werden können.
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Aufgrund dieser hohen Hc-Werte ist es schwierig, eine einmal vorgenommene
magnetische Aufzeichnung wieder zu verändern. Außerdem sind die magnetischen Aufzeichnungen
damit gegen Fremdfelder weitgehend unempfindlich und stabil.
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Besonders vorteilhaft ist, daß die beschriebenen Dotierungen der Ferrite
gemäß der angegebenen Formel mit zunehmendem x eine Erniedrigung der Koerzitivfeldstärke
und damit eine Anpassung der Bandkoerzitivfeldstärke an den Arbeitspunkt des Schreib-
und Lesegerätes ermöglichen.
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Die Erfindung sei anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.
Die in den BeispiElen angegebenen magnetischen Werte wurden in einem Meßfeld von
800 kA/m bestimmt.
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Beispiel 1 9,9 g BaCO3, 81,1 g FeCl3> 39,75 g Na2C03 und 51,8 g
K2C03 werden 20 min lang in einer geschlossenen Fliehkraftkugelmühle intensiv vermahlen.
Das Gemenge wird anschließend 1 Stunde lang in einem Platintiegel auf 9800C erhitzt.
Der nach dem Abkühlen erhaltene Schmelzkuchen wird mit Wasser behandelt, abfiltriert
und salzfrei gewaschen. Nach dem Trocknen bei 1100C liegt ein Bariumferritpulver
mit folgenden Eigenschaften vor: Hc = 357 KA/m, Mr/s) : 41 nTm3/g, SN2 = 5,0 m²/g.
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Beispiel 2 7,4 g SrC03, 81,1 g FeC13, 39,75 g Na2C03 und 51,83 g K2C03
werden 20 min lang in einer geschlossenen Fliehkraftkugelmühle intensiv vermahlen.
Das Gemenge wird an-
schließend 1 Stunde lang in einem Platintiegel
auf 9600C erhitzt. Der nach dem Abkühlen erhaltene Schmelzkuchen wird mit Wasser
behandelt, abfiltriert und salzfrei gewaschen.
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Nach dem Trocknen bei i10°C liegt ein Bariumferritpulver mit folgenden
Eigenschaften vor: Hc = 423 kA/m, Mr/p 141 nTm3/g, SN2 3>7 m2/g.
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Beispiel 3 11,8 g BaCO3, 4,63 g basisches Zinkcarbonat mit 56,5 Gew.-%
Zn, 3,21 g TiO2 mit 59,6 Gew.-% Ti, 84,4 g FeCl3, 41,3 g Na2C03 und 53,9 g K2C03
werden 20 min lang in einer geschlossenen Fliehkraftkugelmühle intensiv vermahlen.
Das Gemenge wird anschließend 1 Stunde lang in einem Platintiegel auf 8500C erhitzt.
Der nach dem Abkühlen erhaltene Schmelzkuchen wird mit Wasser behandelt, abfiltriert
und salzfrei gewaschen. Nach dem Trocknen liegt ein mit Zink und Titan dotiertes
Bariumferritpulver mit folgenden Eigenschaften vor: Hc : 128 kA/m, HR = 172 kA/m,
30 = 30 nTm3/g, 5N2 : 9,5 m2/g.
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Beispiel 14 Es wird ein Salzgemenge wie in Beispiel 3 hergestellt
und abweichend von Beispiel 3 1 Stunde lang bei 9500C erhitzt.
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Nach Auswaschen und Trocknen liegt ein mit Zink und Titan dotiertes
Bariumferritpulver mit folgenden Eigenschaften vor: Hc = 138 kA/m, HR = 187 kA/m,
Mr/# = 31 nTm3/g, SN2 = 5,7 m²/g.
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Beispiel 5 11,8 g BaC03, 4,14 g basisches Cobaltcarbonat mit 49,8
Gew.-% Co> 2,81 g TiO2 mit 59,6 Gew.-% Ti, 86,0 g
FeCl3>
42,1 g Na2C03 und 514,9 g K2C03 werden 20 min lang in einer geschlossenen Fliehkraftkugelmühle
intensiv vermahlen. Das Gemenge wird anschließend 1 Stunde lang in einem Platintiegel
auf 9000C erhitzt. Der nach dem Abkühlen erhaltene Schmelzkuchen wird mit Wasser
behandelt, abfiltriert und salzfrei gewaschen. Nach dem Trocknen liegt ein mit Cobalt
und Titan dotiertes Bariumferritpulver mit folgenden Eigenschaften vor: Hc = 76,4
kA/m, HR = 103,7 kA/m, : = 32 nTm3/g, SN2 = 6,0 m2/g.
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Beispiel 6 Es wird ein Salzgemenge wie in Beispiel 5 hergestellt und
abweichend von Beispiel 5 1 Stunde lang bei 10000C erhitzt.
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Nach Auswaschen und Trocknen liegt ein mit Cobalt und Titan dotieres
Bariumferritpulver mit folgenden Eigenschaften vor: Hc : 90 kA/m, HR = 120 kA/m,
Mr/y = 32 nTm3/g, 5N2 = 4,9 m2/g.
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Beispiel 7 400 Teile eines gemäß Beispiel 1 hergestellten Bariumferritpulvers
mit H = 357 kAim werden mit 100 Teilen einer 20%igen Lösung eines Copolymerisats
aus 80 % Vinylchlorid, 10 % Dimethylmaleinat und 10 % Diethylmaleinat in einem Gemisch
aus gleichen Teilen Tetrahydrofuran und Dioxan, 103 Teilen einer 13%gen Lösung eines
thermoplastischen Polyesterurethans aus Adipinsäure, 1 1,4-Butandiol und 4,4t-Diisocyanatodiphenylmethan
in einem Gemisch aus gleichen Teilen Tetrahydrofuran und Dioxan, 24 Teilen eines
handelsüblichen anionenaktiven Netzmittels auf Basis Phosphorsäureester und 231
Teilen des genannten Lösungsmittelgemisches gemischt und 6 Stunden lang in einer
Schüttelkugelmühle mit Hilfe von Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 2 mm dispergiert.
Danach wird mit 199 Tei-
len der oben erwähnten 13%igen Lösung
eines thermoplastischen Polyesterurethans aus Adipinsäure, 1,4-Butandiol und 14,141-Diisocyanatodiphenylmethan
in einem Gemisch aus gleichen Teilen Tetrahydrofuran und Dioxan, 35 Teilen des genannten
Lösungsmittelgemisches, 0,3 Teilen Stearinsäure, 0,3 Teilen eines handelsüblichen
Silikonöls und 0,6 Teilen Hydrochinon versetzt und weitere 2 Stunden dispergiert.
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Danach wird die Dispersion filtriert und in bekannter Weise auf eine
6 /um dicke Polyethylenterephthalatfolie in einer solchen Stärke aufgetragen, daß
nach dem Ausrichten der plättchenförmigen Teilchen durch Vorbeiführen an einem Magnetfeld
und anschließendem Trocknen und Kalandrieren eine Magnetschicht mit einer Schicktdicke
von 5,7 Xum verbleibt. Am Magnetband wurden folgende Werte- gemessen: Hc = 319 kA/m,
HR = 335 kA/m, Mr : 183 mT, M5 = 213 mT, Richtfaktor = 3,2.
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Beispiel 8 Das in Beispiel 6 dargestellte, mit Cobalt und Titan dotierte
Bariumferritpulver mit Hc = 90 kA/m wird analog Beispiel 7 zu einem Magnetband verarbeitet.
Am Magnetband wurden folgende Werte gemessen: Hc = 107 kA/m, HR = 115 kA/m, Mr :
145 mT, M5 : 201 mT, Richtfaktor = 2,5, Schichtdicke = 5,8 /um.