[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung nadelförmiger ferrimagnetischer
Eisenoxide durch Entwässern nadelförmiger Eisen(III)oxidhydroxide zu nadelförmigen
Eisen(III)oxiden, anschließender Reduktion dieser Eisen(III)oxide bei Temperaturen
zwischen 300 und 650°C mittels in diesem Temperaturbereich zersetzlicher organischer
Verbindungen und Oxidation der resultierenden Produkte mit sauerstoffhaltigen Gasen
bei 200 bis 500°C sowie deren Verwendung zur Herstellung magnetischer Aufzeichnungsträger.
[0002] Nadelförmige ferrimagnetische Eisenoxide, 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(lll)oxids sind bereits eine Vielzahl von Verfahren bekannt geworden. So
beschreibt bereits die GR-PS 675 260 ein Verfahren zur Gewinnung von Gamma-Eisen(III)oxid,
bei welchem nadelförmiges a-Eisenoxidhydroxid (Goethit) 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 diieser Prozeß in seinen einzelnen
Stufen mehrfach variiert, sowie gleichfalls durch Änderung der Einsatzstoffe abgewandelt.
[0003] Nahezu gleichzeitig mit den Arbeiten zu dem Verfahren gemäß der britischen Patentschrift
wurden nach der in der DE-PS 801 352 offenbarten Weise, nämlich durch Behandlung von
unmagnetischen Eisenoxiden mit den Salzen kurzkettiger Carbonsäuren und anschließenden
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.
[0004] Durch die US-PS 2 900 236 ist dann bekannt geworden, daß sich sämtliche organische
Verbindungen, welche bei Temperaturen unterhalb 540°C unter geringer Teer- und Aschebildung
zersetzlich sind, für die Reduktion der unmagnetischen Eisenoxide zum Magnetit eignen.
Dazu wird des Eisenoxide 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 2 900 236 alle entsprechenden organischen Substanzen under 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 DD-PS 91 017 ebenfalls langkettige Carbonsäuren
bzw. deren Salze, in der DE-AS 17 71 327 aliphatische Monocarbonsäuren mit 8 bis 24
Kohlenstoffatomen gegebenenfalls in Mischung mit Morpholin' und in der JP-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 aber in Gegenwart von Luft, wodurch
der Magnetit sofort zum Gamma-Eisen(III)oxid oxidiert wird.
[0005] Ausgangsstoffe für diese Umwandlung der Eisenoxide mittels organischer Substanzen
waren hierbei vorwiegend die entsprechenden a-Modifikationen, wie a-FeOOH oder α-Fe
2O
3, jedoch wurde auch bereits 8-FeOOH (DE-AS 1203656) sowie y-Fe00H (DE-OS 22 12 435)
mit Erfolg eingesetzt.
[0006] 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 einsetzbarer
magnetischer Materialien auszugleichen.
[0007] 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, durch gute Kristallinität
und durch mechanische und magnetische Stabilität auszeichnet.
[0008] Es wurde nun gefunden, daß sich nadelförmige ferrimagnetische Eisenoxide durch Entwässern
nadelförmiger Eisen(III)oxidhydroxide zu nadelförmigen Eisen(III)oxiden, anschließender
Reduktion dieser Eisen(III)oxide bei Temperaturen zwischen 300 und 650°C mittels in
diesem Temperaturbereich zersetzlicher organischer Verbindungen und Oxidation des
Reduktionsproduktes mit sauerstoffhaltigen Gasen bei 200 bis 500°C mit den gemäß Aufgabe
geforderten Eigenschaften erhalten lassen, wenn das eingesetzte nadelförmige Eisen(III)oxidhydroxid
aus einem Gemenge aus Goethit und Lepidokrokit mit einem Lepidokrokitanteil von mindestens
60% und bis zu 98% besteht und bei Temperaturen von 200 bis 700°C entwässert wird.
[0009] Besonders vorteilhaft ist es, wenn im erfindungsgemäßen Verfahren die nadelförmigen
Eisen(III)-oxihydroxide des Gemenges ein Längen-zu-Dickenverhältnis von mindestens
10 aufweisen und bei 300 bis 650°C entwässert werden.
[0010] Vorzugsweise bestehen die aus Goethit und Lepidokrokit zusammengesetzten Eisen(III)oxihydro-
xide zu 70 bis 98% aus Lepidokrokit.
[0011] Die für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzten Gemenge lassen sich unter geeigneten
Reaktionsbedingungen aus Eisen(II)salzlösungen mit Alkalien unter gleichzeitiger Oxidation
herstellen. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, aus einer wäßrigen Eisen(II)chloridiösung
mittels Alkalien, wie Alkalihydroxid oder Ammoniak, bei Temperaturen zwischen 10 und
32°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 25 und 70°C und bei einem durch
Zusatz weiterer Alkalimengen eingestellen pH-Wert von 4,0 bis 5,8 unter intensiver
Luftverteilung durch Zuwachs das Endprodukt entsteht.
[0012] Nach beendetem Wachstum soll der Feststoffgehalt an Eisen(III)oxidhydroxid in der
wäßrigen Suspension zwischen 10 und 50 g/I, bevorzugt bei 15 bis 45 g/I, liegen. Nach
dem Abfiltrieren und Auswaschen des Niederschlags werden die so erhaltenen Eisen(lll)oxidhydrat-Gemenge
bei 60 bis 200°C getrocknet.
[0013] Nach der beispielhaft angeführten Verfahrensweise lassen sich stabile Kristallnadeln
des Goethit-Lepikrokit-Gemenges mit mindestens 60% und bis zu 98% Lepidokrokit erhalten,
welche nahezu keine dentritischen Verzweigungen aufweisen. Diese nadelförmigen Goethit-Lepikrokit-Gemenge
weisen eine mittlere Teilchengröße von 0,2 bis 1,5, üblicherweise von 0,3 bis 1,2
µm auf. Das Längen-zu-Dicken- Verhältnis beträgt im allgemeinen mindestens 10, meistens
12 bis 40. Die Telichenoberfläche gemessen nach BET liegt zwischen 18 und 70 m
2/g.
[0014] Wird ein derart charakterisiertes Goethit-Lepidokrokit-Gemenge vor der an sich bekannten
Weiterverarbeitung zu ferrimagnetischen Eisenoxiden erfindungsgemäß bei Temperaturen
zwischen 200 und 700°C, vorzugsweise zwischen 300 und 650°C und insbesondere zwischen
450 und 600°C entwässert, so lassen sich überraschenderweise die Werte für Koezitivfeldstärke
und Remanenz der daraus erhältlichen Endprodukte verbessern. Die Entwässerung läßt
sich sowohl in Luft wie auch in Inertgasatmosphäre durchführen.
[0015] Das nach dem Entwässerungsschritt vorhandene Produkt wird in an sich bekannter Weise
mit weitgehend asche- und teerfrei zersetzlichen organischen Substanzen bei Temperaturen
zwischen 300 und 650°C zu nadelförmigen ferrimagnetischen Eisenoxiden umgewandelt.
[0016] Zu diesem Zweck wird das entwässerte Goethit-Lepidokrokit-Gemenge 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.
Als im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbare organische Substanzen lassen
sich alle nach dem Stand der Technik als geeignet angegebenen Verbindungen verwenden,
soweit sie sich bei Temperaturen zwischen 300 und 650°C zusetzen lassen. Zweckmäßigerweise
verwendet man hierzu höhere Fettsäuren, deren Derivate, Glyzerin, Inertgas/Alkoholdampf-Gemische
und auch Methan. Je nach verwendeter organischer Substanz und entsprechend ausgewählter
Reaktionstemperatur ist die Umwandlung des entwässerten Goethit-Lepidokrokit-Gemenges
zum nadelförmigen Magnetit nach etwa 1 bis 120 Minuten beendet.
[0017] 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 200 bis 500°C.
[0018] Wird jedoch die angegebene Umwandlungsreaktion nicht unter Inertgas, sondern bereits
in Gegenwart von Sauerstoff, wie z.B. Luft, durchgeführt, so kann direkt Gamma-Eisen(lll)oxid
erhalten werden, wenn hierbei die Oxidation bei Temperaturen unterhalb etwa 500°C
erfolgt.
[0019] Die erfindungsgemäß hergestellten nadelförmigen ferrimagnetischen Eisenoxide, vor
allem das y-Eisen(lll)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.
[0020] 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(lll)oxiden durch ihre gleichmäßigere Nadelform,
da eine Agglomeration durch Zusammensintern vermiedet ist, durch ihre verbesserte
Kristallinität und 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.
[0021] Der Gegenstand der Erfindung wird anhand folgender Beispiele erläutert.
[0022] Die magnetischen Pulverwerte werden durch Messung einer auf ein Stopfgewich
t von D = 1,2 g/cm
3 gebrachten Oxidprobe mit einem konventionellen Schwingmagnetometer bei 100 kA/m Meßfeldstärke
bestimmt. Die Koerzitivfeldstärke (H
e) wird in [kA/m], die spezifische Remanenz (M,/p) und die spezifische Magnetisierung
(M
m/p) werden in [nT cm
3/g] angegeben.
Beispiel 1
[0023] In einem 26-I-Reaktionsgefäß werden 7,31 Mol FeCI
2 (926,6 g) mit VE-Wasser zu 9 I gelöst und bei gleichzeitigem Durchleiten von 500
I Stickstoff/h eine Temperatur von 26°C eingestellt. Unter Rühren mit 500 Upm werden
dann in 30 bis 40 Minuten 7,38 Mol NaOH (295,2 g) gelöst in 4,5 I VE-Wasser hinzugefügt.
Nach beendetem NaOH-Eitrag wird 10 Minuten nachgerührt und dann anstelle von Stickstoff
je Stunde 150 I Luft eingeleitet bis der pH-Wert auf etwa 3,4 abgefallen ist. Nach
2 h 30 Minuten wurde auf diese Weise eine orangefarbene Keimsuspension erhalten.
[0024] Unter weiterem Rühren mit 500 Upm und Durchleiten von 150 I Luft/h wird die Keimsuspension
auf 40°C erwärmt. Nach Erreichen dieser Temperatur wird die Luftmenge auf 400 I/h
erhöht und der pH-Wert durch Zulauf von wäßriger Natronlauge auf pH = 4 bis zum Reaktionsende
gehalten. Dauer des Wachstums: 2 Stunden 40 Minuten.
[0025] Die Suspension wird auf eine Filternutsche mit Wasser gewaschen bis das Filtrat chloridfrei
ist und dann bei 130°C im Trockenschrank getrocknet.
[0026] Das resultierende Eisenoxidhydroxid stellt ein Gemenge aus 94% Lepidokrokit und 6%
Goethit dar, weist ein Längen-zu-Dicken-Verhältnis von 31 und eine spezifische Oberfläche
nach BET von 34,7
m2/g auf.
[0027] Dieses Goethit-Lepidokrokit-Gemenge wird zur Entwässerung an Luft eine Stunde lang
auf 490°C erhitzt. Das dabei entstehende Produkt wird nun mit 2 Gew.% Stearinsäure
vermischt, in zwei gleiche Proben 1 A und 1 B geteilt und bei den in Tabelle 1 genannten
Bedingungen unter Stickstoff zum Magnetit umgewandelt und an Luft zum Gamma-Eisen(III)oxid
oxidiert. Die magnetischen Eigenschaften sind ebenfalls in Tabelle 1 angeführt.
Vergleichsversuch 1
[0028] Es wird wie in Beispiel 1 beschrieben verfahren, jedoch wird das Goethit-Lepidokrokit-Gemenge
vor der Umwandlung und der Oxidation nicht entwässert. Reaktionsbedingungen und Meßergebnisse
sind in Tabelle 1 angegeben.
Beispiel 2
[0029] Auf der Basis der Verfahrensweise gemäß Beispiel 1 werden Eisen(III)oxidhydroxid-Gemenge
mit einem Lepidokrokit-Anteil von 72% mit einer spezifischen Oberfläche nach BET von
33,2 m
2/g hergestellt. Diese Goethit-Lepidokrokit-Gemenge werden an Luft bei den in der Tabelle
2 angegebenen Temperaturen jeweils eine Stunde lang entwässert, dann bei 300°C unter
Überleiten eines Stickstoff-Methanoldampf-Gemisches zum Magnetit reduziert und dann
an Luft bei 400°C zum Gamma-Eisen(III)oxid oxidiert. Das Stickstoff-Methanol-Gemisch
entsteht beim Durchleiten von Stickstoff in einer Menge von 50 I je Stunde durch einen
auf 105°C erhitzten Behälter, dem Methanol zudosiert wird. Die resultierenden magnetischen
Werte der Versuche sind ebenfalls in Tabelle 2 aufgeführt.
Beispiel 3
[0030] Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden 4 Goethit-Lepidokrokit-Gemenge hergestellt.
Die Probe D in einem 26-I-Reaktionsgefäß, die Proben E―G in einen 700-I-Rührkessel
(Tabelle 3).
[0031] Die Umwandlungsbedingungen und die Magnetpulverwerte sind in den folgenden Tabellen
4 und 5 wiedergegeben.
[0032] In Tabelle 5 sind Proben aufgeführt, die in 30 Minuten bei der niedrigeren Entwässerungs-'
temperatur von 4QO°C entwässert und danach zu γ-Fe
2O
3 umgewandelt wurden.
Beispiel 4
[0033] 49,5 1 einer 30,1 %igen FeCl
2-Lösung und 180 I Trinkwasser werden in einem 700-1-Kessel vorgelegt. Der pH-Wert der
Vorlage betrug 3,6; die Temperatür lag bei 16°C.
[0034] Innerhalb 30 Minuten wurden unter Rühren 120 I einer wäßrigen Lösung von NaOH, hergestellt
aus 97,2 I Trinkwasser und 22,8 I einer 25%igen Natronlauge, eingetragen. Dies entspricht
einer 56%igen Ausfällung bezogen auf Fe(II). Nach der Laugenzugabe wurden ein pH-Wert
von 7,2 und eine Temperatur von 17°C gemessen.
[0035] Nach beendetem NaOH-Eintrag wird 5 Minuten nachgerührt und dann zur Oxidation 5 m
3 Luft/h eingeleitet. Innerhalb von 40 Minuten wurde gleichzeitig die Temperatur auf
24°C erhöht. Nach 4 Stunden und 5 Minuten war die Keimbildung beendet. Der pH-Wert
war auf 3,4 abgefallen.
[0036] Unter weiterem Durchleiten von 5 m
3 Luft/h wurde die Keimsuspension in 1 Stunde auf 20 Minuten auf 33°C erwärmt. Danach
wurde die Luftmenge auf 8 m
3/h erhöht und durch Zugabe von wäßriger Natronlauge der pH-Wert auf 5,5 eingestellt.
und bis Reaktionsende auf diesem Wert geregelt. Beginnend mit der Erhöhung der Luftmenge
auf 8 m
3/h wurde gleichzeitig in 30 Minuten auf 38 bis 39°C aufgeheizt und diese Temperatur
bis zum Ende der Wachstumsreaktion gehalten.
[0037] Nach 1 Stunde und 40 Minuten war die Oxidation zu Ende. Nach der Filtration über
eine Filterpresse wird das Produkt mit Wasser gewaschen bis das Filtrat chloridfrei
ist und dann bei 110°C im Trockenschrank getrocknet.
[0038] Das resultierende Eisen(III)oxidhydrat stellt ein Gemenge aus 92% Lepidokrokit und
8% Goethit dar, weist ein Längen-zuDicken-Verhältnis von 16 auf und eine spezifische
Oberfläche nach BET von ,23,3
m2/g
.
[0039] Von diesem Goethit-Lepidokrokit-Gemenge werden 200 g zur Entwässerung an Luft 30
Minuten lang auf 500°C erhitzt. Das dabei entstehende Produkt wird mit 2% Stearinsäure
gemischt und dann in einem Trockenschrank 30 Minuten lang bei 110 bis 120°C gehalten.
Die nachfolgende Reduktion zu Fe
30
4 wurde bei 550°C in 30 Minuten, die Oxidation zu γ-Fe
2O
3 mit Luft nach dem Abkühlen des Fe
30
4 auf 280°C in 90 Minuten durchgeführt (Probe H).
[0040] Eine Vergleichsprobe J wurde ohne die Entwässerung aus dem gleichen Ausgangsprodukt
bei sonst gleichen Bedingungen hergestellt (Tabelle 6).
[0041] Aus den beiden Gamma-Eisen(III)oxid-Proben H und J werden Magnetpigmentdispersionen
und anschließend Magnetbänder hergestellt.
[0042] Zur Herstellung der beiden Magnetdispersionen werden Topfmühlen mit 8 000 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 (K-Wert = 58) in einem Gemisch aus gleichen
Teilen Tetrahydrofuran und Dioxan versehen. Die Mischung wird 40 Stunden vordispergiert.
Anschließend werden 1 090 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 5-stündigem Dispergieren wird die erhaltene Magnetdispersion unter Druck
durch ein Filter vom 5µm Porenweite filtriert. Mit einem Linealgießer wird nach der
üblichen Technik eine 6 µm 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 ,um
Dicke. Durch Hindurchführen zwischen beheizten Walzen (80°C unter einem Liniendruck
von ca. 3 kg/cm) wird die Magnetschicht verdichtet. Die beschichtete Folie wird in
Bänder von 6,25 Breite geschnitten.
[0043] Die elektroakustische Messung erfolgt nach DIN 45 512, Teil 11.
[0044] Die Meßergebnisse enthält Tabelle 7.