JP2007302894A - 改良された黄色酸化鉄顔料 - Google Patents

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Abstract

【課題】改良された黄色酸化鉄顔料を提供する。
【解決手段】本発明は、改良された黄色酸化鉄顔料およびその使用に関する。上記課題は、吸油値が25未満であり、次のいずれかに該当する黄色酸化鉄顔料の手段により達成された:DIN 6174に従い、L64中白色還元においてCIELAB単位で測定したa値が4.3を超えるか、および/もしくはDIN 6174に従い、L64中白色還元においてCIELAB単位で測定したb値が34を超えるか、または、DIN 6174に従い、原色においてCIELAB単位で測定したa値が10を超えるか、および/またはDIN 6174に従い、原色においてCIELAB単位で測定したb値が45を超える、および、DIN 53235パート1および2に従う、標準色濃度B1/9についての還元比が−6.5を超える。
【選択図】図1

Description

本発明は、改良された黄色酸化鉄顔料およびその使用に関する。
黄色酸化鉄顔料を製造するための沈降プロセスや、さらにはペンニマン−ゾフ(Penniman−Zoph)プロセスは、ずっと以前から公知である。それらのプロセスの典型的な経路は、たとえば以下の文献などに記載されている:(非特許文献1)、(特許文献1)、(特許文献2)、(特許文献3)。使用される原料および電解質触媒は通常、硫酸鉄(II)であり、これは、鋼板を酸洗いする際、または硫酸塩プロセスにより二酸化チタンを製造する際に得られる。さらなる可能性としては、硫酸を用いて、鋼板、ワイヤロール、Fe粉を形成させる際の低合金鋼の製造残渣からの硫酸鉄(II)の使用がある。
一般に、α−FeOOH(黄色酸化鉄)は、沈降プロセス((特許文献4))によるか、またはペンニマン(Penniman)プロセス((特許文献2)、(特許文献1))によって、鉄(II)塩から調製される。いずれのプロセスにおいても、最初に核を作り、次いでその上に、さらなる工程として、比較的徐々に、追加のα−FeOOHの成長をおこさせる。
それらのプロセスにより製造される黄色酸化鉄顔料は、輝度の高い黄色を有することで知られているが、エンドユーザーが望ましくないとする吸油値を有している。
吸油値は、DIN 53199(1973年から)に従って求める。専門家ならば、吸油値を参照して、顔料のバインダー必要量を予測することができる。吸油値が高い程、バインダーの必要量も高くなる。さらに吸油値からは、それ以上に、期待される顔料体積率(pigment−volume concentration)のレベルに関する結論を導くことができる。
吸油値がより低い顔料は、より環境に優しい方法で加工することが可能であり、それによりエンドユーザーにとっては、プロセスが単純化され、エネルギー消費量が抑制される。酸化物への吸油が少ないと、ユーザー特に塗料産業においては、より大量の酸化物を含み、所望の品質の製品を得るための添加物のレベルを下げた組成物を使用することが可能となる。顔料体積率が高い程、ペースト製造における色密度を高くすることが可能となり、それによって、顔料ペーストの特定(specific)輸送コストにメリットが得られる。
色強度(colour strength)が高いことが、エンドユーザーが望む効果をさらに増大させる。
米国特許第1,327,061A1号明細書 米国特許第1,368,748A1号明細書 DE3907910A1 DE2 455 158A1 「ウルマンズ・エンサイクロペディア・オブ・インダストリアル・ケミストリー(Ullman’s Encyclopaedia of Industrial Chemistry)第5版」、第A20巻、p.297以下
したがって、本発明の目的は、低い吸油値と高い色強度を有し、従来技術の顔料に匹敵する色軌跡(colour locus)を有する、顔料を開発することである。
この目的は、吸油値が25未満であり、次のいずれかに該当する黄色酸化鉄顔料の手段により達成された:
・DIN 6174に従い、L64中白色還元(white reduction)においてCIELAB単位で測定したa値が4.3を超えるか、および/もしくはDIN 6174に従い、L64中白色還元においてCIELAB単位で測定したb値が34を超えるか、または
・DIN 6174に従い、原色(full shade)においてCIELAB単位で測定したa値が10を超えるか、および/またはDIN 6174に従い、原色においてCIELAB単位で測定したb値が45を超える、
および、DIN 53235パート1および2に従う、標準色濃度(standard depth of shade)B1/9についての還元比(reduction ratio)が−6.5を超える。
その黄色酸化鉄顔料は、EN 21524/DIN ISO 1524(2002)に従う拡張「3ボックス法(3−box method)」方式における分散性が、30−50−70よりも良好であるのが好ましい。
その黄色酸化鉄顔料は、50未満の吸水値を有しているのが好ましい。
その黄色酸化鉄顔料は、14より大きいBETを有しているのが好ましい。
その黄色酸化鉄顔料は、0.4より高い嵩密度を有しているのが好ましい。
その黄色酸化鉄顔料は、0.7より高いタンプ密度を有しているのが好ましい。嵩密度およびタンプ密度が高いことは、配合物を製造するのがより容易になるだけではなく、輸送および貯蔵コストにおいても重要である。
その黄色酸化鉄顔料は、バイフェロックス(Bayferrox)(登録商標)3910に対して、MAP中における粘度が−25よりも低いのが好ましい。
上述の性質の測定方法は、実施例のところで詳しく説明する。
黄色酸化鉄製造のためのプロセス記述
黄色酸化鉄顔料を製造するためのプロセスは、二つのパート、すなわち核の調製と顔料調製とに分けられる。
核の調製
次式に従う:
2FeSO・7HO+4NaOH+1/2O→2FeOOH+2NaSO+15H
酸化鉄の核は、硫酸鉄溶液から、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、空気酸化を用いて調製する。これにより、FeOOHが微結晶(核)として得られる。
輝度の高い黄色を得るためには、その反応の平均温度を35℃未満に維持する必要がある。
顔料の調製
次式に従う:
4FeSO+O+6HO→4FeOOH+4HSO
Fe(鉄スクラップ)+HSO→FeSO+H
鉄スクラップを添加することにより、第一のプロセス工程で調製した核を大気酸素により酸化させて、結晶に成長させる。
次いでその生成物を塩が無くなるまで洗浄するが、それには、排出される洗浄液の導電性が2mS/cm以下になるようにする。その濾過プロセスが終わると、湿分含量50%の酸化鉄ペーストが得られる。その後で、生成物を乾燥させ、摩砕する。
本発明にはさらに、有機または無機の分散体、インキ、ペイント、コーティング、建材、プラスチック、および紙産業の製品、食品中、ならびに、錠剤などの、医薬品産業における製品を着色するための、黄色酸化鉄顔料の使用もまた包含される。
本発明の主題は、個々の特許請求項の主題によるだけではなく、個々の特許請求項を組み合わせることによっても与えられる。明細書に開示されている各種パラメーターや、それらを自在に組み合わせることについても、同様である。
以下の実施例において本発明を説明するが、それらによって本発明を限定する意図はない。それぞれの場合において重量%として表されている量は、使用された顔料に関してのものである。
[実施例]
使用した測定方法の説明
A.L64中、白色還元および原色における色座標の測定
顔料は、マラー(Muller)を使用し、不乾性試験バインダーの中で調製した。試験バインダー(ペースト)は、白色還元の場合には2成分からなり、原色の場合には成分1だけを使用する。
成分1
サコリッド(SACOLYD)(登録商標)L640(オーストラリア国クレムス・ヘミー・AG(Krems Chemie AG,AU)、アマニ油および無水フタル酸ベースのアルキド樹脂バインダー)(旧独国バイエル・AG(Bayer AG,DE)のアルキダール(ALKYDAL)(登録商標)L64)。このものは、標準DIN EN ISO 787−24(1995年10月)、ISO 787−25:1993およびDIN 55983(1983年12月)において、着色顔料のための試験バインダーの要件として規定されているものに相当する。
成分2
ペーストのチキソトロピー調節用に添加されるレオロジー添加剤としての、ルボシックス(LUVOTHIX)(登録商標)HT(独国レーマン・アンド・ボス・アンド・カンパニー(Lehmann & Voss & Co.,DE)、粉末状、変性水素化ヒマシ油)。このものは、成分1を基準にして5.0重量%の濃度で使用した。
75〜95℃で、成分2を成分1の中に溶解させた。冷却した圧縮原料(compact material)を、3本ロールミルの中に1回通した。この段階で、L64ペーストは完成した。プレートタイプのペイント分散機(マラー)を使用したが、このタイプについてはDIN EN ISO 8780−5(1995年4月)に記載がある。用いた装置は、有効プレート直径24cmのエンゲルスマン・ジェル(Engelsmann Jel)25/53マラーであった。ボトムプレートの速度は約75min−1であった。ローディングブラケットからつり下げた2.5kgの荷重を挿入して、プレート間の力を約0.5kNに設定した。
使用した還元剤(reductant)は、市販の慣用されている二酸化チタン顔料の、米国ケル−マッギー・コーポレーション(Kerr−McGee Corp.,US)のトロノックス(TRONOX)(登録商標)R−KB−2(旧、独国バイエル・AG(Bayer AG,DE)のバイエルチタン(BAYERTITAN)(登録商標)R−KB−2)であった。R−KB−2は、その組成に関しては、ISO 591−1977におけるタイプR2に相当する。0.4gの試験顔料、2.0gのトロノックス(TRONOX)(登録商標)R−KB−2、および3.0gのペーストを、DIN EN ISO 8780−5(1995年4月)セクション8.1に記載の方法により、それぞれ25回転の5段で分散させた。原色測定のためには、1gの試験顔料を3gの成分1の中に、DIN EN ISO 8780−5(1995年4月)セクション8.1に記載の方法により、それぞれ25回転の5段で分散させた。
次いで、その顔料ペースト混合物を、その機能がDIN 55983(1983年12月)に記載のペーストプレートに相当する、ペーストプレートの中で拡げた。ペーストプレートに付属のドクターブレードを、顔料ペースト混合物で充填されたプレートの凹凸の上で引いて、表面を滑らかにする。そのドクターブレードを、一方向に約3〜7cm/sの速度で移動させる。数分の間に、滑らかな表面が測定される。
色彩計
グロストラップを使用せずに、d/8測定ジオメトリー(measuring geometry)を有する分光光度計(「色彩計」)を使用した。この測定ジオメトリーは、ISO 7724/2−1984(E)セクション4.1.1の中、DIN 5033パート7(1983年7月)セクション3.2.4の中、およびDIN 53236(1983年1月)セクション7.1.1の中に記載されているものである。
データフラッシュ(DATAFLASH)(登録商標)2000測定器(米国データカラー・インターナショナル・コーポレーション(Datacolor International Corp.,USA)製)を採用した。色彩計は、ISO 7724/2−1984(E)セクション8.3の記載に従って、白色セラミック作業標準に対する較正を行った。理想的艶消し白体に対する作業標準の反射データを色彩計の中に取り込むと、それによって、白色作業標準を用いた較正の後では、すべての色彩測定値が、理想的艶消し白体に関連づけられる。黒点較正は、色彩計メーカーから提供された中空黒体を用いて実施した。
測色
測色の結果は、反射スペクトルである。色彩パラメーターの計算に関する限りにおいては、測定をするために使用された照明は重要ではない(蛍光性サンプルの場合を除く)。反射スペクトルから、各種所望の色彩パラメーターを計算することができる。この場合に使用される色彩パラメーターは、DIN 6174(CIELAB値)に従って計算される。
グロストラップがもし存在するならば、電源を切っておく。色彩計および試験片の温度は、約25℃±5℃であった。
B.色強度
色座標は、上述の測定に伴い、DIN 6174(CIELAB値)に従って記述する。白色還元における測定もまた、測定された色顔料の色強度として得られる(表1参照)。これらの数字から、絶対的な特性値を記述するためには、いわゆる「還元比(reduction ratio)」を計算した。還元比は、DIN標準53235のパート1およびパート2(1974年から)に従い、標準色濃度B1/9について測定した。実例を挙げれば、還元比とは、それによって、DIN標準53235のパート1およびパート2(1974年から)に従って定義された色濃度(着色の深さ(depth of colouring))が達成されるような、着色付与物質の混合成分(本発明の場合:TiO中)に対する比率を示している。還元比が高いということは、より少ない顔料を用いても同等の着色の深さを得ることができる、ということを意味している。したがって、そのような顔料は、実際に適用すると強い着色を与える。
C.分散性
その方法は、DIN ISO 1524(「デターミネーション・オブ・ファインネス・オブ・グラインド(パーティクル・サイズ)(Determination of fineness of grind (particle size))」に記載されており、そして特性値としては、したがって、「それより下では、(展開させたペイントの)表面上に比較的多数の顔料粒子が、ビットまたはスクラッチとして目に見えるようになる」値を(μmの単位で)読み取る。この考えでは、現れる個々のビットまたはスクラッチは配慮しなくてもよい(図1)。
顔料を試験するために採用した「3ボックス」法は、読み取りの拡張した方式であって、結果として3個の数値を報告する。
ビットが密に凝集して配列された形態になっている、主領域;その上の、ビットが中程度の高密度で存在する領域;および最後にその上の、ビットが極めて低密度で存在する領域(個々のビットが事実上存在するが、再現性よく現れる)(図2)。そこで、示されたそれら三つの領域の上限を特定する3個一組の数値を記録する。それに従って、図2によって示されるグラインドメーターの広がりを、<10/25/35μmのように評価する。
その3個一組のそれらの位置から、その3個の数字が、それらが評価されるビットの3種の配列を示すことになる。特殊なケースで、それら三つの領域の一つが起きないような場合には、その問題となった位置には直線を表示する(その例は、図1、3、4および5である)。
一つの領域内で、ビットの密度が顕著に高いような(しかしながら、隣の領域の密度には達しない)場合、その限界値にアンダーラインを施すことによって問題の箇所を示すことができる。これの例は、(図2と比較して)図6に示されている。
D.吸水値
吸水値は、DIN 55608(2000年6月)に従って求めた。
E.BET表面積
BET表面積は、DIN 66131(1993)に従い、1ポイント法を用いたキャリヤーガス法(He:N=90:10)により求めた。測定する前に、乾燥窒素気流中140℃でサンプルを1時間加熱する。測定温度は77Kである。
F.嵩密度
嵩密度は、仕上げ材料に、さらなる製品処理を行うことなく、質量対体積の比から求めた。
G.タンプ密度
タンプ密度は、ISO 787のパート11(1995)に従って求めた。
H.粘度
レオロジー的な性質については、下記のものに詳細な説明がある:「レオロジー・アンド・レオメトリー・ウィズ・ロテーショナル・ビスコメーターズ(Rheology and rheometry with rotational viscometers)」(ハーケ・KG(HAAKE KG)、1ベルリン(Berlin)37)。粘度の測定には以下の装置を使用した:
・クレブス−ストーマー(Krebs−Stormer)粘度計KU−1+(メーカー:ブレイブ・インストラメンツ(Braive Instruments))
・パドル攪拌機(KU1−10)、φ55mm、高さ8mm
・速度調節付き実験室用溶解器
・溶解器ディスク、φ60mm、荒刃、刃高5mm
・実験室用秤、精度0.01g
・プラスチックビーカー、800mL、φ100mm
・冷却浴
当業者には公知で、(たとえば、ビー・エー・エス・エフ(BASF)から)市販されている、MAP(多目的着色ペースト)標準ストック溶液(18リットルバケツ)は、使用前に、1000min−1で10分かけて均質化しておくべきである。
224.4gのMAP溶液を、800mLのポリビーカーの中に導入する。
水浴(15±3℃)の中で冷却しながら、346.0gの顔料を、実験室用溶解器を用いて、約1000±200min−1で、少量ずつ加える。添加の際には、顔料が表面に分離しないようにしなければならず、適切であるならば、短時間だけ攪拌機の位置を上げたり、回転速度を上げたりする。
すべての顔料を混ぜ込んだら、撹拌シャフトとビーカーの内壁を清浄化して、濡れていない顔料の粒子を除く。この目的のためには、短時間のあいだ攪拌機の電源を切り、サンプルビーカーから持ち上げる。ビーカーの壁面を、スパチュラを用いて清浄化する。次いで攪拌機を下げて、再スタートさせる。
底面から荒刃ディスクまでの距離は、約10mmである。速度を上げて、3000±100min−1とする。この速度での分散時間は15分である。
その分散時間の間に、10%強度の水酸化ナトリウム溶液(量として約3〜6mL)を添加することにより、そのペーストのpHを8.5±0.5に調節するが、いかなる場合において、pHを7.5未満に下げてはならない。分散時間の間にpHを何回もチェックする必要があるが、それは、pH値がクリーピング変動(creeping variation)の影響を受けるからである。
蓋を使用してポリビーカーを密閉し、20℃の水浴の中で30分かけて冷却する。
いずれの場合においても、粘度標準も平行して調製しなければならない。
粘度測定をする前に、ペーストの温度をチェックするべきである(目標値=20℃)。サンプルと対照との温度差は、2℃以下としなければならない。
さらに、測定の前にスパチュラを用いてペーストを簡単にかき混ぜるべきである。
市販されている標準のクレブス−ストーマー(Krebs−Stormer)粘度計のパドル攪拌機は、そのシャフトの上にあるマークがちょうど見えるところまで挿入すべきである。約1分間以上変化が認められなくなったところでの数値を、結果として報告する。それぞれの測定が終わるたびに、パドル攪拌機の清浄化を行う。
サンプルのKUから対照のKUを引いたものが、デルタKUである。
使用した対照は、バイフェロックス(Bayferrox)3910スタンダード1987であったが、この特許に記載される比較例顔料を使用することも可能である。たとえば、比較例2に対して±5の粘度は、顕著な値である。
II.実施例
以下に示すのは、調製についての一般的な記述である。実施例および比較例についての調製条件は、それぞれの表の中に見出される。
核の調製
装置:容量65m、空気導入ノズル、循環ポンプ、機械式攪拌機つきの、開放式撹拌釜。
準備
反応器に、27.0mのプラント水および0.47トン(11.7m)の硫酸鉄七水化物(FeSO・7HO)を仕込む。循環ポンプと攪拌機の電源を入れてから、667kg(9.532L)の溶解水酸化ナトリウム(NaOH+HO)を添加する。その後で、空気のフィードを開始する。空気のフィードは、好ましくは250±200m/時間、より好ましくは170±85m/時間の流量で実施する。工業用水を用いて、容積を補う。
輝度の高い黄色を得るためには(実施例1〜3)、反応の平均温度を35℃未満に維持する必要がある。
50mの核分散体から、平均して835kgのFeOOHが微結晶の形で得られる。
モニターするパラメーターは以下のものである:
・BET(m/g):結晶の表面積
・遊離硫酸塩(g/L):未反応の過剰硫酸鉄七水化物。このものは、次の大粒化反応において電解質として作用する。
・FeOOH(g/L):核1リットルあたりのFeOOHとして表した固形分含量
・pH:反応終了後のpH
・温度(℃):平均反応温度
・時間(時間):空気導入開始より後の反応時間
所望の黄色酸化鉄を得るためのパラメーターを表1にしめす。
Figure 2007302894
顔料の製造
空気およびスチームのフィードと、必要であれば循環ポンプを備えた撹拌タンク。
粗固形分を分離し、反応終了後の懸濁液を貯蔵するための当業者公知の設備。空で、きれいな反応器に、15トンのスクラップ鉄を仕込んだ。
核をその反応器にポンプで仕込み、水を用いて容積が110mになるようにした。硫酸鉄七水化物(FeSO・7HO)濃縮液の濃度が45g/Lとなるように調節した。スチーム、空気、および温度の量を表2に示すように調節した。必要があれば、水を加えて、容積を120〜130mに増やした。
所望の色座標に達したところで反応の終点とした。反応が終わったらスチームと空気を停止し、生成物を粗固形分の除去と洗浄の操作を通してから、濾過した。
過剰のスクラップ鉄の効果は、この反応で生成する硫酸のための中和剤の効果のようなものであり、これは、硫酸鉄を形成させるための一定の供給源として存在していた。
下記の表2に示したのは、それぞれのタイプを得るための操作でモニターされるパラメーターである。
Figure 2007302894
表2に示したパラメーターの要点は次の通りである:
・核(m)は使用した核の体積に相当する。
・核(トン)はその体積の中に存在する核の質量に相当する。
・BET(m/g)は結晶の表面積に相当する。
・S.C.(g/L)は反応終了時のFeOOH濃度に相当する。
・反応は反応終了時のFeOOHの全質量に相当する。
・hは反応時間数に相当する。
・最終硫酸塩のg/Lは、反応終了時の硫酸鉄七水化物のg/Lで表した濃度に相当する。
その生成物を塩がなくなるまで洗浄して、排出される洗浄水の導電性が2mS/cm以下になるようにした。
その濾過操作が終わった時点では、水分含量約50%の酸化鉄ペーストが得られた。
乾燥設備としては、原理的には一般的な乾燥機のいずれでも適している。本発明においては、使用した乾燥機は、当業者には回転筒型乾燥機として知られている、「二段乾燥式連続乾燥機」であった。
反応生成物を乾燥させて、最終的には残存水分含量が10%以下とした。その後で、摩砕工程へと移した。
乾燥におけるパラメーターは次の通りであった:
・圧力(スチーム)=10±1g/cm
・第一段乾燥工程の温度=185±10℃
・第一段乾燥工程のアンペア数=180±20A
・第二段乾燥工程の温度=175±10℃
・第二段乾燥工程のアンペア数=70±20A
摩砕においては、たとえば当業者公知のミル、たとえば水平分級ミルまたは分級機なしの垂直(タービンタイプ)ミルなどを使用することができる。
摩砕は、タービンタイプの垂直ミルの中で実施したが、微粉砕は2連の分級機を取り付けたタービンタイプの水平ミルの中で実施した。
摩砕におけるパラメーターは次の通りであった:
・2連分級機付き、タービンタイプ水平ミル:
・フィード回転数=200±100rpm
・ミル回転数=1750rpm
・分級機回転数=850±200rpm
・タービンタイプ垂直ミル(分級機なし):
・ミル回転数=1750rpm
・フィード回転数=200±100rpm
実施例および比較例の結果を表3および4に示す。
Figure 2007302894
Figure 2007302894
分散例を示す図である。 分散例を示す図である。 分散例を示す図である。 分散例を示す図である。 分散例を示す図である。 分散例を示す図である。

Claims (8)

  1. 黄色酸化鉄顔料であって、
    ・吸油値<25、および、
    ・DIN 6174に従い、L64中白色還元においてCIELAB単位で測定したa値が4.3を超えるか、および/もしくはDIN 6174に従い、L64中白色還元においてCIELAB単位で測定したb値が34を超えるか、または
    ・DIN 6174に従い、原色においてCIELAB単位で測定したa値が10を超えるか、および/またはDIN 6174に従い、原色においてCIELAB単位で測定したb値が45を超えるかのいずれか、
    および、DIN 53235パート1および2に従う、標準色濃度B1/9についての還元比が−6.5を超える、黄色酸化鉄顔料。
  2. 前記黄色酸化鉄顔料が、30−50−70よりも良好である、EN 21524/DIN ISO 1524(2002)に従う拡張「3ボックス法」方式における分散性を有することを特徴とする、請求項1に記載の黄色酸化鉄顔料。
  3. 前記黄色酸化鉄顔料が、50未満の吸水値を有することを特徴とする、請求項1または2に記載の黄色酸化鉄顔料。
  4. 前記黄色酸化鉄顔料が、14より大きいBETを有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の黄色酸化鉄顔料。
  5. 前記黄色酸化鉄顔料が、0.4より高い嵩密度を有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の黄色酸化鉄顔料。
  6. 前記黄色酸化鉄顔料が、0.7より高いタンプ密度を有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の黄色酸化鉄顔料。
  7. 前記黄色酸化鉄顔料が、バイフェロックス(登録商標)3910に対して、−25よりも低いMAP中粘度を有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の黄色酸化鉄顔料。
  8. 有機または無機の分散体、インキ、ペイント、コーティング、建材、プラスチック、および紙産業の製品、食品中、ならびに、錠剤などの、医薬品産業における製品を着色するための、請求項1〜7のいずれか一項に記載の黄色酸化鉄顔料の使用。
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