DE69426813T2 - Feinteiliges nadelförmiges alpha-Eisen-III-oxid und Herstellungsverfahren - Google Patents

Feinteiliges nadelförmiges alpha-Eisen-III-oxid und Herstellungsverfahren

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf feinteiliges nadelförmiges α-Eisen(III)-oxid und ein Verfahren zur Herstellung hiervon nach dem Naßverfahren.
  • Das feinteilige nadelförmige α-Eisen(III)-oxid gemäß der Erfindung ist als Ausgangsmaterial für magnetische Pulver für Magnetaufzeichnung brauchbar, da es aus diskreten leerstellenfreien Teilchen mit einer wünschenswerten Teilchengrößenverteilung und einem wünschenswerten Längenverhältnis besteht. Zusätzlich ist es ebenfalls brauchbar als transparentes Rotpigment und als Ausgangsmaterial für Ferrit als Folge seiner einzigartigen Kristallwachstumsrichtung.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Magnetisches Eisenoxid für Magnetaufzeichnung sollte die folgenden vier fundamentalen Erfordernisse erfüllen. Zuerst sollte es frei von Leerstellen sein und eine echte hohe Dichte besitzen. Leerstellen induzieren das Auftreten von magnetischen Polen in ihrer Nachbarschaft, was partiell gestörte spontane Magnetisierung zur Folge hat, dies hat einen negativen Effekt auf die magnetischen Eigenschaften. Zweitens sollte es ein großes Längenverhältnis (l/d) besitzen, wobei dies ein Verhältnis der Hauptachse (l) zu der kleineren Achse (d) eines Teilchens ist. Je größer das Längenverhältnis ist, um so kleiner ist das Demagnetisierungsfeld, welches in magnetischen Teilchen auftritt. Dies führt zu einer größeren Koerzitivkraft. Drittens sollte es eine schmale Teilchengrößenverteilung besitzen. Eine breite Teilchengrößenverteilung hat einen negativen Effekt auf die Umschaltfeldverteilung (n-SFD), eine der wichtigen Eigenschaften von Magnetband. Viertens sollte es feinteilig für den Fall sein, daß eine hohe Aufzeichnungsdichte von Magnetaufzeichnungsmedium gefordert wird.
  • Wie zuvor angegeben, sind die wichtigsten und fundamentalen Eigenschaften von magnetischem Eisenoxid für Magnetaufzeichnung Teilchengröße, Leerstellen, Längenverhältnis und Teilchengrößenverteilung. Dies gilt für nadelförmiges Eisen- (III)-oxid als ein Ausgangsmaterial von Magnetpulver.
  • Nadelförmiges α-Eisen(III)-oxid wird üblicherweise durch die topotaktische Reaktion oder Dehydratation unter Erhitzen von Eisen(III)-oxid-hydroxid (α-FeOOH) hergestellt, welches eine Kristallmodifizierung hiervon bewirkt, während seine nadelförmige Gestalt beibehalten wird. Die Dehydratation eliminiert 0,5 mol Wasser aus 1 mol Eisen(III)-oxid-hydroxid, was Kristalle ergibt, die diskrete Leerstellen oder koaleszierte Leerstellen aufweisen. Das Volumen der Leerstellen beläuft sich auf etwa 30 Vol.-%. Falls daher ein solches Eisen(III)- oxid-hydroxid als Ausgangsmaterial für Magnetpulver für magnetische Aufzeichnung verwendet wird, enthält das resultierende Eisen(III)-oxid ebenfalls Leerstellen. Dies ist ein Hindernis für ein Magnetaufzeichnungsmedium mit hoher Leistung.
  • Es wurden mehrere Methoden zur Reduzierung von Leerstellen vorgeschlagen. Jedoch ist es theoretisch unmöglich, daß die Dehydratation überhaupt keine Leerstellen bildet. Selbst wenn es möglich sein sollte, die Leerstellen durch Brennen bei hohen Temperaturen zu reduzieren, kann das Brennen andere mit geschmolzenen Teilchen zusammenhängende Probleme und schlechte Dispergierbarkeit bewirken.
  • Für die vollständige Lösung der zuvor genannten Probleme wurden mehrere verbesserte Methoden für die direkte Herstellung von nadelförmigem α-Eisen(III)-oxid vorgeschlagen, welche Eisen(III)-oxid-hydroxid (α-FeOOH) nicht benötigen. Sie ergeben leerstellenfreie diskrete Teilchen von nadelförmigem α-Eisen(III)-oxid. Solche Teilchen ergeben nadelförmiges α- Eisen(III)-oxid, welches im wesentlichen frei von Leerstellen ist und eine hohe Dichte und gute magnetische Eigenschaften besitzt.
  • Hierbei waren die in der Literatur angegebenen Technologien des Standes der Technik in Werten der Feinheit der Teilchen bewertet, wobei dies in Beziehung auf die spezifische Oberfläche angegeben wird. Falls die Literatur keine Daten der spezifischen Oberfläche angibt, werden Schätzwerte benutzt, welche mit der Kenntnis berechnet wurden, daß das Verhältnis eines tatsächlichen Wertes zu einem theoretischen Wert, berechnet unter der Annahme von zylindrischen Teilchen, etwa 1,5 ist. Daher ist der Schätzwert das 1,5-fache des theoretischen Wertes.
  • Die japanische Patentveröffentlichung No. 22416/1980 beschreibt ein Verfahren, welches besteht im Erhitzen auf 100- 250ºC einer alkalischen wässrigen Aufschlämmung, welche aus Eisen(III)-hydroxid, Zitronensäure (oder einem Salz hiervon) und einer Alkaliverbindung besteht. Es wird angegeben, daß dieses Verfahren Teilchen mit einem größeren Durchmesser von 0,5 um und einem Längenverhältnis von 7 ergibt. Die japanische Patentveröffentlichung No. 4694/1980 beschreibt ein Verfahren, welches aus dem Erhitzen einer alkalischen wässrigen Suspension von Eisen(III)-hydroxid in Anwesenheit von wenigstens einer organischen Phosphonsäureverbindung besteht. Dieses Verfahren soll Teilchen mit einem größeren Durchmesser von 5 um und einem kleineren Durchmesser von 0,3 um ergeben. Die so erhaltenen Eisen(III)-oxidteilchen haben ein Längenverhältnis von etwa 17, jedoch ist ihre spezifische Oberfläche kleiner als 10 m²/g als Folge ihres großen Teilchendurchmessers.
  • Untersuchungen der Erfinder legen es nahe, daß die zwei konventionellen Verfahren Teilchen mit einer spezifischen Oberfläche von bis zu 40 m²/g liefern könnten. Jedoch haben solche Teilchen ein kleines Längenverhältnis und eine breite Teilchengrößenverteilung, und sie sind daher zur Verwendung als Ausgangsmaterial für magnetisches Eisenoxid für die Magnetaufzeichnung ungeeignet.
  • Das offengelegte japanische Patent No. 216919/1987 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von nadelförmigem α- Fe&sub2;O&sub3; durch Erhitzen auf 80-250ºC einer alkalischen wässrigen Suspension von Eisen(III)-hydroxid in Anwesenheit einer organischen Verbindung, welche ein Komplexsalz mit wenigstens Eisen(III)-ionen bildet, wobei dieses Eisen(III)-hydroxid mit Zinn(IV)-ionen modifiziert ist. Es wird angegeben, daß dieses Verfahren Teilchen mit einem größeren Durchmesser von 0,3 um, einem Längenverhältnis von 10,0 und einer spezifischen Oberfläche von 33,0 m²/g liefert. Das offengelegte japanische Patent No. 270520/1989 beschreibt ein Verfahren, welches dem unmittelbar zuvor erwähnten vergleichbar ist, jedoch einen Vorteil zu diesem besitzt, daß keine Wäsche mit Wasser durchgeführt wird. Es wird angegeben, daß dieses Verfahren Teilchen mit einer spezifischen Oberfläche von 36,9 m²/g liefert, obwohl nichts über den größeren Durchmesser und das Längenverhältnis der Teilchen angegeben ist.
  • Das offengelegte japanische Patent No. 50326/1988 beschreibt ein Verfahren, welches aus dem Erhitzen einer alkalischen wässrigen Suspension von Eisen(III)-hydroxid in Anwesenheit einer vierwertigen Metallverbindung alleine oder in Kombination mit einer Phosphorverbindung und/oder einer Hydroxycarbonsäureverbindung besteht. Dieses Verfahren soll Teilchen mit einer größeren Achse von 0,4 um, einem Längenverhältnis von 7 und einer spezifischen Oberfläche von 24,5 m²/g ergeben. Das offengelegte japanische Patent No. 162535/ 1988 beschreibt ein Verfahren, welches aus der Eingabe einer Phosphorverbindung in eine wässrige Suspension von FeOOH (mit einem pH von 7 oder darunter) und dem Unterwerfen hiervon der hydrothermalen Behandlung bei einer Temperatur im Bereich von 100-130ºC besteht. Dieses Verfahren soll Teilchen mit einer größeren Achse von 0,8 um und einer spezifischen Oberfläche von etwa 12 m²/g ergeben. Die Photographie in der Literatur legt es nahe, daß die Teilchen in Längenverhältnis von etwa 6-8 haben.
  • Trotz mehrerer Verbesserungen, wie sie zuvor genannt wurden, wurde keines der nadelförmigen α-Eisen(III)-oxide direkt nach dem Naßverfahren hergestellt, welches frei von Leerstellen und so fein ist, daß es eine spezifische Oberfläche oberhalb von 40 m²/g besitzt. Zusätzlich ist keines der nadelförmigen α-Eisen(III)-oxide erhältlich, welches praktisch frei von Leerstellen ist und ein Längenverhältnis von größer als 10 und eine spezifische Oberfläche von 20-40 m²/g besitzt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung hat die bei konventionellem nadelförmigen α-Eisen(III)-oxid vorkommenden Probleme gelöst. Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, nadelförmiges α-Eisen(III)-oxid zu liefern, welches zur Verwendung insbesondere als Ausgangsmaterial von magnetischem Pulver für Magnetaufzeichnung und zusätzlich als Ausgangsmaterial für transparentes Rotpigment und Ferrit geeignet ist, da es aus diskreten leerstellenfreien Teilchen mit einer gewünschten Teilchengrößenverteilung und einem gewünschten Längenverhältnis besteht.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen α-Eisen(III)-oxids nach dem Naßverfahren.
  • Die vorliegende Erfindung liegt in α-Eisen(III)-oxid in Form von feinteiligen nadelförmigen Teilchen und einem Verfahren zur Herstellung hiervon, vor, wobei diese Teilchen diskret und im wesentlichen frei von Leerstellen sind und eine spezifische Oberfläche größer als 40 m²/g besitzen, sowie ein wünschenswertes Längenverhältnis und eine wünschenswerte Teilchengrößenverteilung.
  • Die Erfindung liefert daher feinteiliges nadelförmiges α-Eisen(III)-oxid, welches den Kristallitdurchmesser (D10 4) in der Richtung senkrecht zu der Ebene (10 4) und den Kristallitdurchmesser (D11 0) in der Richtung senkrecht zu der Ebene (11 0) derart aufweist, daß ihr Verhältnis D10 4/D&sub1;&sub1;&sub2;&sub0; in dem Bereich von 1-2 ist und welches eine spezifische Oberfläche von 40-50 m²/g hat. Dieses α-Eisen(III)-oxid wird als α- Eisen(III)-oxid gemäß der Erfindung im folgenden bezeichnet.
  • Gemäß der Erfindung wird das feinteilige nadelförmige α- Eisen(III)-oxid nach einem Verfahren hergestellt, welches umfaßt gleichzeitiges Eingeben einer wässrigen Lösung von Eisen(III)-salz und einer alkalischen wässrigen Lösung in einen Behälter, während das resultierende Gemisch bei einem pH im Bereich von 7-9 und auf einer Temperatur von nicht mehr als 40ºC gehalten wird, wodurch eine Suspension von Eisen(III)- hydroxid in dem Behälter geliefert wird, Filtrieren der Suspension und Waschen mit Wasser der Feststoffe, erneutes Dispergieren der Feststoffe in Wasser, so daß die Menge von SiO&sub2; in der Suspension nicht mehr als 30 ppm beträgt und die Menge der von den als Ausgangsmaterial verwendeten Eisen(III)-salze herrührenden Anionen nicht mehr als 1000 ppm beträgt, Altern der Suspension von Eisen(III)-hydroxid bei einem pH von 7-8 bei einer Temperatur von 40-80ºC, Zugeben eines Kristallisationsreglers zu der Suspension und Unterziehen der Suspension einer hydrothermalen Reaktion bei einem pH von 9-11 bei einer Temperatur von mehr als 100ºC.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine Elektronenphotomikrographie (x30000), welche ein Beispiel der feinteiligen nadelförmigen α-Eisen- (III)-oxide der Erfindung zeigt; und
  • Fig. 2 ist eine Elektronenphotomikrographie (x30000), welche ein Beispiel von feinteiligem nadelförmigem α-Eisen- (III)-oxid, welches nach dem konventionellen Verfahren hergestellt wurde, zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die feinteiligen nadelförmigen α-Eisen(III)-oxide der Erfindung werden nach dem Verfahren hergestellt, welches im Detail im folgenden angegeben ist.
  • Das Verfahren startet mit der Stufe der gleichzeitigen Neutralisation einer wässrigen Lösung von Eisen(III)-salz und einer alkalischen wässrigen Lösung, oder durch gleichzeitige Zugabe der wässrigen Lösung von Eisen(III)-salz und einer alkalischen wässrigen Lösung in einen Behälter, während das resultierende Gemisch auf einen pH in dem Bereich von 7-9 gehalten wird. Diese Stufe wird hier als gleichzeitige Neutralisation bezeichnet, und sie kann durch gleichzeitige Zugabe oder Eingießen der zwei Lösungen in einen Kessel oder einen Behälter bewirkt werden. Diese Stufe ergibt eine Suspension von amorphem Eisen(III)-hydroxid. Die Erfindung erfordert, daß das resultierende Gemisch auf einer Temperatur von nicht mehr als 40ºC gehalten werden soll. Falls dieses Erfordernis nicht eingehalten wird, führt dies zu nadelförmigem α-Eisen- (III)-oxid, welches eine nicht erwünschte Teilchengrößenverteilung besitzt.
  • Zusätzlich erfordert die Erfindung, daß das Gemisch der wässrigen Lösungen von Eisen(III)-salz und Alkali einen pH in dem Bereich von 7-9 haben soll. Falls dieses Erfordernis nicht erfüllt wird, führt dies zu nadelförmigem α-Eisen(III)- oxid, das eine nicht erwünschte Teilchengrößenverteilung und ein nicht erwünschtes Längenverhältnis besitzt.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß feinteiliges nadelförmiges α-Eisen(III)-oxid mit einer spezifischen Oberfläche von 40-50 m²/g, wie es bei der Erfindung gewünscht wird, nicht erhalten werden kann, falls die alkalische wässrige Lösung zu der wässrigen Lösung von Eisen(III)-salz zugesetzt wird, wobei dieses Verfahren hier als Vorwärtsneutralisation bezeichnet wird, oder umgekehrt, wobei ein solches Verfahren hier als Rückwärtsneutralisation bezeichnet wird.
  • Die Vorwärtsneutralisation bildet sehr wenig Dehydrat (als Kern) zum Zeitpunkt der Neutralisation, und das Neutralisationsprodukt verbleibt meistens als Eisen(III)-hydroxid. Bei der hydrothermalen Reaktion erfährt es die Erzeugung von Keimen und das Wachstum von Teilchen gleichzeitig, dies gibt Anlaß zu groben Teilchen mit einer breiten Teilchengrößenverteilung.
  • Die Rückwärtsneutralisation bildet Dehydrat, wenn der pH des Neutralisationsproduktes von stark alkalisch zu neutral sich verändert, jedoch variiert das Dehydrat im Ausmaß der Dehydratation (in Abhängigkeit von dem pH, bei welcher die Dehydratation stattgefunden hat), dies bedeutet, daß die Keime nicht gleichförmig sind. Dies ergibt letztlich α-Eisen- (III)-oxid mit einer breiten Teilchengrößenverteilung.
  • Im Gegensatz dazu bildet die gleichzeitige Neutralisation, welches mit einem konstant auf 7-9 fixierten pH durchgeführt wird, eine große Menge von gleichförmigem Dehydrat mit einem niedrigen Grad der Dehydratation. Daher ergibt sie feine Teilchen von α-Eisen(III)-oxid mit einer erwünschten Teilchengrößenverteilung.
  • Bevorzugte Beispiele des in der vorliegenden Erfindung verwendeten Eisen(III)-salzes schließt Eisen(III)-chlorid, Eisen(III)-sulfat und Eisen(III)-nitrat ein, wobei dies nicht beschränkend ist. Bevorzugte Beispiele des in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Alkalis schließen Hydroxid und Oxid von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen (wie Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid) und Ammoniak ein, wobei dies nicht beschränkend ist.
  • Die gleichzeitige Neutralisation bildet Eisen(III)- hydroxid, dessen Konzentration in der erhaltenen Suspension variieren kann. Die Konzentration ist nicht spezifisch beschränkt, sofern die Suspension ohne Schwierigkeiten gerührt werden kann. Sie ist üblicherweise niedriger als 1,0 mol/l, bevorzugt 0,05-0,3 mol/l.
  • Nach der gleichzeitigen Neutralisation wird die resultierende Suspension von Eisen(III)-hydroxid filtriert, gefolgt von Waschen mit Wasser, um die bei der Neutralisation gebildeten Salze zu entfernen. Das Waschwasser für diesen Zweck ist üblicherweise entionisiertes Wasser. Gemäß der Erfindung ist es erforderlich, Waschwasser (oder entionisiertes Wasser) zu verwenden, das SiO&sub2; in einer Menge von nicht mehr als 2 ppm, bevorzugt nicht mehr als 1 ppm, enthält, so daß die Adsorption von SiO&sub2; durch Eisen(III)-hydroxid minimiert wird.
  • Gemäß der Erfindung sollte das Waschen mit Wasser von Eisen(III)-hydroxid derart durchgeführt werden, daß nach dem Waschen der Suspension das Eisen(III)-hydroxid SiO&sub2; in einer Menge von nicht mehr als 30 ppm, bevorzugt nicht mehr als 20 ppm, enthält, und weiterhin aus dem als Ausgangsmaterial eingesetzten Eisen(III)-salz herrührende Anionen in einer Menge von nicht mehr als 1000 ppm, bevorzugt nicht mehr als 700 ppm, enthält. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Konzentration von SiO&sub2; in dem Waschwasser einzustellen und die Menge des Waschwassers einzuregeln.
  • Es ist wesentlich, die zuvor genannten beiden Erfordernisse für die Menge von SiO&sub2; und aus den als Ausgangsmaterial verwendeten Eisen(III)-salzen herrührenden Anionen in der Suspension (vor der Alterung) zu erfüllen, um das feinteilige nadelförmige α-Eisen(III)-oxid gemäß der Erfindung zu erhalten.
  • Mit einer Überschußmenge von rückständigen Anionen sind die resultierenden Teilchen grob und haben eine rauhe Oberfläche. Mit einer Überschußmenge von SiO&sub2; sind die resultierenden Teilchen grob und haben eine breite Teilchengrößenverteilung und ein niedriges Längenverhältnis. Darüber hinaus behindert überschüssiges SiO&sub2; die Reaktion, welche Eisen- (III)-hydroxid in Eisen(III)-oxid umwandelt, wobei nicht umgesetzte Produkte zurückbleiben. Die rückständigen Anionen wie auch SiO&sub2; behindert die Wirkung des Kristallisationsreglers.
  • Nach dem Waschen mit Wasser wird die Suspension von Eisen(III)-hydroxiden gealtert, so daß gleichförmige Keime gebildet werden. Die Konzentration von Eisen in der Suspension sollte bevorzugt in dem Bereich von 0,3-1,0 mol/l liegen. Das Altern sollte bei einer Temperatur von 40-80ºC für 2-4 Stunden durchgeführt werden, wobei der pH auf 7-8 eingeregelt ist. Bei einer Temperatur niedriger als 40ºC erzeugt die Alterung nicht den gewünschten Effekt. Bei einer Temperatur höher als 80ºC ergibt die Alterung eine breite Teilchengrößenverteilung. Altern kürzer als 2 Stunden ist nicht wirksam und Altern länger als 4 Stunden ergibt eine breite Teilchengrößenverteilung. Wie zuvor angegeben, beeinflussen die Alterungsbedingungen in starkem Maße die Teilchengröße und die Teilchengrößenverteilung des resultierenden Eisen(III)-oxids. Obwohl die zuvor genannte gleichzeitige Neutralisation und das Waschen mit Wasser (ohne Alterung) feine Teilchen von Eisen(III)-oxid mit einem gewünschten Längenverhältnis und einer gewünschten Teilchengrößenverteilung ergeben, verbessert die Alterung das Längenverhältnis und die Teilchengrößenverteilung.
  • Nach dem Altern wird die Suspension von Eisen(III)- hydroxid mit einem Kristallisationsregler versetzt, welcher als Folge der Koordination mit Eisen, die Richtung und Rate des Kristallwachstums von Eisen(III)-oxid steuert, was Anlaß zu nadelförmigen Teilchen gibt. Die Verwendung eines solchen Kristallisationsreglers bei der Herstellung von Eisen(III)- oxid ist bereits bekannt. Beispielsweise beschreibt die japanische Patentveröffentlichung No. 29646/1985 die Verwendung von Polycarbonsäure, Hydroxycarbonsäure, Aminocarbonsäure, Polyamin, organischer Phosphonsäure, Thiocarbonsäure, mehrwertigem Alkohol, β-Dicarbonylverbindung und aromatischer Sulfonsäure. Deren wasserlösliche Salze und Ester können verwendet werden, sofern sie zur Koordination an Eisen fähig sind. Von diesen Verbindungen sind Beispiele von wünschenswerten Verbindungen Zitronensäure, Weinsäure, Aminotri- (methylenphosphonsäure), Ethylendiaminotetra-(methylenphosphonsäure) und Ethylen-1,1'-diphosphonsäure.
  • Die Menge des Kristallisationsreglers ist nicht spezifisch beschränkt, sofern sie ausreichend ist, um die Richtung und die Geschwindigkeit des Kristallwachstums von α-Eisen- (III)-oxid bei der hydrothermalen Reaktion zu steuern. Jedoch liegt sie üblicherweise in dem Bereich von 1 · 10&supmin;&sup5; bis 1 · 10&supmin;¹ mol, bevorzugt 1 · 10&supmin;&sup4; bis 1 · 102 mol, pro mol von Eisen(III)-hydroxid. Mit einer übermäßig geringen Menge des Reglers ist es schwierig, ein α-Eisen(III)-oxid mit einem hohen Längenverhältnis zu erzeugen, während mit einer übermäßig großen Menge die Reaktion eine lange Zeit erfordert.
  • Das Verfahren der Erfindung endet mit hydrothermaler Reaktion, wobei diese an der Suspension von Eisen(III)- hydroxid, was wie zuvor angegeben behandelt wurde, durchgeführt wird. Diese hydrothermale Reaktion wird durch Erhitzen der Suspension auf eine Temperatur von mehr als 100ºC, wobei dieser auf pH 9-11 eingestellt ist, mit einem Alkali durchgeführt. Beispiele des Alkalis schließen Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid und Ammoniak ein. Das Alkali kann zu der Suspensian von Eisen(III)-hydroxid vor oder nach der Zugabe des Kristallisationsreglers zugesetzt werden.
  • Die hydrothermale Reaktion sollte bei einer Temperatur von nicht weniger als 100ºC und praktischerweise und bevorzugt bei einer Temperatur von mehr als 100ºC durchgeführt werden. Der obere Grenzwert hängt von der Zersetzungstemperatur des Kristallisationsreglers ab. Die Dauer der hydrothermalen Reaktion sollte von mehrfachen zehn Minuten bis zu mehreren Stunden betragen. Bei einer Reaktionstemperatur niedriger als 100ºC nehmen die resultierenden Teilchen von Eisen(III)-oxid eine Kreuzgestalt oder T-Gestalt an und enthalten FeOOH, was zu unzureichender Einzelteilchenbildung und einem niedrigen Längenverhältnis führt.
  • Unter praktischen Gesichtspunkten liegt die Temperatur der hydrothermalen Reaktion bevorzugt in dem Bereich von 105- 250ºC, mehr bevorzugt in dem Bereich von 110-230ºC und am meisten bevorzugt in dem Bereich von 130-200ºC. Das so erhaltene nadelförmige α-Eisen(III)-oxid unterscheidet sich in der Kristallitform von dem nadelförmigen α-Eisen(III)-oxid, das durch Dehydratation von α-FeOOH erhalten wurde. Anders ausgedrückt, das erstgenannte nadelförmige α-Eisen(III)-oxid (A) der Erfindung unterscheidet sich von dem letztgenannten (B) im Kristallitdurchmesser (D10 4) in der Richtung senkrecht zu der (10 4) Ebene und dem Kristallitdurchmesser (D11 0) in der Richtung senkrecht zu der (11 0) Ebene, wie in Tabelle 1 gezeigt. Die Werte in der Tabelle 1 sind Durchschnittswerte von mehreren Messungen. TABELLE 1
  • Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die zwei Arten von α- Eisen(III)-oxiden A und B sich nicht stark im Wert D11 0 unterscheiden, daß sie dies jedoch im Wert D10 4 tun. Anders ausgedrückt, der Wert D10 4 des α-Eisen(III)-oxids A beträgt nahezu das Zweifache desjenigen des α-Eisen(III)-oxids B. Dies legt es nahe, daß der Kristallit des Oxids A in der Richtung der C-Achse stärlcer gewachsen ist als beim Oxid B. Der wahrscheinliche Grund hierfür ist, daß das Wachstum der Kristallebene parallel zu der C-Achse durch den Kristallisationsregler gehemmt wird.
  • Es wird angenommen, daß das nadelförmige α-Eisen(III)- oxid der Erfindung die lange Achse des Teilchens in der Richtung [0001] hat. Ebenfalls wird entsprechend der Topotaxie angenommen, daß die lange Achse des Teilchens in der Richtung [111] verläuft, falls das nadelförmige α-Eisen(III)-oxid zu γ-Eisen(III)-oxid nach der bekannten Methode modifiziert wird. Hieraus folgt, daß die Richtung der langen Achse mit der leichten Richtung der Magnetisierung (oder der Richtung [111] als Folge der magnetischen Anisotropie von Kristallen des γ-Eisen(III)-oxids koinzidiert. Andererseits ist es bekannt, daß nadelförmiges γ-Eisen(III)-oxid, das aus α-FeOOH erhalten wurde, die lange Achse in der Richtung [11 0] besitzt. Daher unterscheidet sich die Richtung der langen Achse um etwa 35º von der leichten Richtung der Magnetisierung als Folge der magnetischen Anisotropie von Kristallen.
  • Dieser Unterschied in der Richtung beeinträchtigt den Beitrag zur Koerzitivkraft als Folge der magnetischen Anisotropie von Kristallen. Es wird angenommen, daß nadelförmiges γ-Eisen(III)-oxid, das aus nadelförmigem α-Eisen(III)- oxid der Erfindung erhalten wurde, dieselbe Teilchengestalt wie nadelförmiges γ-Eisen(III)-oxid, welches aus α-FeOOH erhalten wurde, besitzt, wobei die Koerzitivkraft des erstgenannten 1,2-fach größer als diejenige des letztgenannten wäre, weil 1/cos 35º nahezu gleich 1, 2 ist.
  • Wie zuvor beschrieben ist das Verfahren der Erfindung dazu ausgelegt, nadelförmiges α-Eisen(III)-oxid direkt aus einer wässrigen Suspension von Eisen(III)-hydroxid herzustellen. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen(III)-oxid durch die gleichzeitige Neutralisation eines Eisen(III)- salzes mit einem Alkali hergestellt und das resultierende Eisen(III)-hydroxid mit Wasser gewaschen und dann unter spezifischen Bedingungen gealtert und abschließend hydrothermaler Reaktion unterworfen wird. Auf diese Weise ist es möglich, feinteilige Teilchen von nadelförmigem α-Eisen(III)-oxid mit einer spezifischen Oberfläche von 40-50 m²/g herzustellen, was niemals mittels konventioneller Technologie erreicht wurde. Zusätzlich sind die so erhaltenen Teilchen von diskreter Struktur und haben eine erwünschte Teilchengrößenverteilung und ein erwünschtes Längenverhältnis.
  • Solches feinteiliges nadelförmiges α-Eisen(III)-oxid kann zu einem feinteiligen magnetischen Pulver weiterverarbeitet werden, welches zur Verwendung als ein Magnetaufzeichnungsmedium für Aufzeichnung mit hoher Dichte geeignet ist.
  • BEISPIELE
  • Die Erfindung wird mit Bezugnahme auf die folgenden Beispiele erläutert, welche den Umfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
  • Teil A: Herstellung und Verwendung von den α-Eisen(III)- oxiden der Erfindung
  • In diesem Teil von Beispiel umfaßt das Verfahren das Waschen mit Wasser, wobei dies durch wiederholte Filtration und Resuspension durchgeführt wird. Das Ziel des Waschens mit Wasser und der Resuspension ist es, die Menge von Anionen (herrührend aus dem als Ausgangsmaterial verwendeten Eisen(III)-salz) und die Menge von SiO&sub2; (herrührend aus dem Waschwasser) zu steuern. Ebenfalls wird bei diesem Teil des Beispiels bei dem Verfahren Eisen(III)-chlorid als Eisensalz, welches das Ausgangsmaterial ist, verwendet. Die Menge von Chlorionen in der Suspension wurde durch Titration mit Silbernitrat bestimmt, und die Menge von SiO&sub2; wurde durch Absorptiometrie mit Molybdänblau bestimmt.
  • Der größere Durchmesser und das Längenverhältnis der Teilchen wurden mittels Elektronenphotomikrographie bemessen. Die spezifische Oberfläche der Teilchen wurde nach der BET- Methode, welche Stickstoffgas verwendet, gemessen. Der Kristallitdurchmesser wurde nach der Formel von Scherrer aus der Halbwertsbreite des Profils, das mittels eines Röntgenstrahldiffraktometers erhalten wurde, berechnet. Die magnetischen Eigenschaften des Magnetpulvers und des Magnetbandes wurden unter Verwendung eines Vibrationsprobenmagnetometers (VSM) gemessen.
  • Beispiel 1
  • Kristallines Eisen(III)-chlorid wurde in entionisiertem Wasser (enthaltend 0,1 ppm SiO&sub2;) aufgelöst, um eine wässrige Lösung zu erhalten, welche 23,9 g Eisen pro Liter enthielt. Natriumhydroxid wurde getrennt in entionisiertem Wasser aufgelöst, um eine wässrige Lösung zu erhalten, welche 51,4 g Natriumhydroxid pro Liter enthielt.
  • Ein senkrechter länglicher Behälter mit einem effektiven Fassungsvermögen von 25 Liter wurde mit 6 Liter entionisiertem Wasser gefüllt. In den Behälter wurden die wässrige Lösung von Eisen(III)-chlorid und die wässrige Lösung von Natriumhydroxid gleichzeitig mit einer Rate von 100 ml/Minute unter kräftigem Rühren zugesetzt, während die resultierende Aufschlämmung bei einem ph von 7,5 und bei einer Temperatur von 30ºC gehalten wurde. Bei einem Gleichgewichtszustand wurde eine rötlich braune Suspension von Eisen(III)-hydroxid (20 Liter) erhalten.
  • Diese Suspension erfuhr wiederholt Filtration, Resuspension und Waschen mit Wasser. Der resultierende Kuchen mit einem Gehalt von 16,7 g Eisen wurde in entionisiertem Wasser dispergiert, um 0,5 Liter Suspension zu ergeben. Es wurde gefunden, daß diese Suspension 83 ppm Chloridionen und 3,0 ppm SiO&sub2; enthielt. Nach Einstellen des pH auf 7,5 und Erhitzen auf 55ºC wurde die Suspension für 3 Stunden unter Rühren gealtert.
  • Zu der gealterten Suspension wurden 0,53 g Aminotri- (methylenphosphonsäure) zugesetzt, und nach Einstellen des pH auf 10,0 wurde die Suspension in einen geschlossenen Behälter eingefüllt und unter Rühren auf 150ºC erhitzt. Die Suspension wurde bei 150ºC für 90 Minuten für die hydrothermale Reaktion gerührt.
  • Nach Abschluß der Reaktion wurde das Reaktionsprodukt in der üblichen Weise abgekühlt, filtriert, mit Wasser gewaschen und getrocknet, um das gewünschte nadelförmige α-Eisen(III)- oxid zu ergeben.
  • Es wurde gefunden, daß die so erhaltenen Teilchen eine spezifische Oberfläche von 48,2 m²/g, einen durchschnittlichen größeren Durchmesser von 0,20 um und ein durchschnittliches Längenverhältnis von 7,5 besaßen. Es wurde gefunden, daß D10 4 348 Å war, und daß D11 0 251 Å betrug, wobei das Verhältnis von D10 4 / D11 0 = 1,39 ist.
  • Die Struktur der feinteiligen Teilchen des nadelförmigen α-Eisen(III)-oxids ist in Fig. 1 gezeigt, wobei dies eine Elektronenphotomikrographie (x30000) ist.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Kristallines Eisen(III)-chlorid wurde in entionisiertem Wasser aufgelöst, um eine wässrige Lösung (10 Liter) zu erhalten, welche 23,9 g Eisen pro Liter enthielt. Zu dieser Lösung wurde eine wässrige Lösung, welche 51,4 g Natriumhydroxid pro Liter enthielt, gegeben, bis das Gemisch einen pH von 7,5 hatte. Auf diese Weise wurde eine rötlich braune Suspension von Eisen(III)-hydroxid (etwa 20 Liter) erhalten. Die Suspension wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 behandelt, um nadelförmiges α-Eisen(III)-oxid zu erhalten.
  • Es wurde gefunden, daß die resultierenden Teilchen eine spezifische Oberfläche von 31,2 m²/g, einen durchschnittlichen größeren Durchmesser von 0,30 um und ein durchschnittliches Längenverhältnis von 10,0 besaßen.
  • Beispiel 2
  • Dieselbe Arbeitsweise wie in Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß das Ausmaß des Waschens mit Wasser vermindert wurde. Die Menge von Chloridionen und SiO&sub2; in der Suspension (0,5 Liter) wurde zu 800 ppm bzw. 2,0 ppm gefunden.
  • Es wurde gefunden, daß die resultierenden Teilchen eine spezifische Oberfläche von 42,5 m²/g, einen durchschnittlichen größeren Durchmesser von 0,23 um und ein durchschnittliches Längenverhältnis von 7,5 besaßen. Es wurde gefunden, daß D10 4 425 Å war und es wurde gefunden, daß D11 0 260 Å war, wobei das Verhältnis von D10 4 / D11 0 = 1, 63 betrug.
  • Beispiel 3
  • Dieselbe Arbeitsweise wie in Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß entionisiertes Wasser durch Wasser mit einem Gehalt von 2,0 ppm SiO&sub2; verwendet wurde, welches durch Vermischen von entionisiertem Wasser mit Industriewasser (enthaltend 7 ppm SiO&sub2;) hergestellt worden war. Es wurde eine Suspension (0,5 Liter) erhalten, welche 89 ppm Chloridionen und 28 ppm SiO&sub2; enthielt.
  • Es wurde gefunden, daß die resultierenden Teilchen eine spezifische Oberfläche von 43,1 m²/g, einen durchschnittlichen größeren Durchmesser von 0,21 um und ein durchschnittliches Längenverhältnis von 6,6 besaßen. Es wurde gefunden, daß D10 4 283 Å war, und es wurde gefunden, daß D11 0 258 Å war, wobei das Verhältnis von D10 4 / D11 0 = 1,10 betrug.
  • Vergleichsbeispiel 2
  • Dieselbe Arbeitsweise wie in Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß das Ausmaß des Waschens mit Wasser weiter als in Beispiel 2 herabgesetzt wurde. Die Menge von Chloridionen und SiO&sub2; in der Suspension (0,5 Liter) wurde zu 1760 ppm bzw. 1,7 ppm gefunden.
  • Es wurde gefunden, daß die resultierenden Teilchen eine spezifische Oberfläche von 35,7 m²/g, einen durchschnittlichen größeren Durchmesser von 0,26 um und ein durchschnittliches Längenverhältnis von 7,2 besaßen.
  • Vergleichsbeispiel 3
  • Dieselbe Arbeitsweise wie in Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß das entionisierte Wasser durch Wasser mit einem Gehalt von 4,0 ppm SiO&sub2; ersetzt wurde, welches durch Vermischen von entionisiertem Wasser mit Industriewasser hergestellt worden war. Es wurde eine Suspension (0,5 Liter) erhalten, welche 380 ppm Chloridionen und 43 ppm SiO&sub2; enthielt.
  • Es wurde gefunden, daß die resultierenden Teilchen eine spezifische Oberfläche von 32,1 m2//g, einen durchschnittlichen größeren Durchmesser von 0,27 um und ein durchschnittliches Längenverhältnis von 6,0 besaßen.
  • Die Struktur der feinteiligen Teilchen des nadelförmigen α-Eisen(III)-oxids ist in Fig. 2 gezeigt, wobei dies eine Elektronenphotomikrographie (x30000) ist.
  • Vergleichsbeispiel 4
  • Dieselbe Arbeitsweise wie in Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß die Alterung nicht durchgeführt wurde.
  • Es wurde gefunden, daß die resultierenden Teilchen eine spezifische Oberfläche von 38,0 m²/g, einen durchschnittlichen größeren Durchmesser von 0,23 um und ein durchschnittliches Längenverhältnis von 7,0 besaßen.
  • Vergleichsbeispiel 5
  • Es wurden zwei Proben von nadelförmigem α-FeOOH mit variierendem Teilchendurchmesser durch Einblasen von Luft in eine Suspension von Eisen(II)-hydroxid, gebildet aus Eisen- (II)-sulfat und Alkali, hergestellt. Jede Probe wurde durch Erhitzen auf 650ºC für 1 Stunde dehydratisiert. Auf diese Weise wurden zwei Proben von nadelförmigem α-Eisen(III)-oxid erhalten, wovon jede eine spezifische Oberfläche von 42,0 m²/g und 48,3 m²/g besaß.
  • Die erste Probe hatte den Kristallitdurchmesser (D10 4 und D11 0) von 157 Å bzw. 245 Å, wobei das Verhältnis von D10 4 / D11 0 = 0,64 betrug.
  • Die zweite Probe hatte den Kristallitdurchmesser (D10 4 und D11 0) von 151 Å bzw. 237 Å, wobei das Verhältnis von D10 4 / D11 0 = 0,64 betrug.
  • Beispiel 4
  • Das in Beispiel 1 erhaltene nadelförmige α-Eisen(III)- oxid wurde in nadelförmiges γ-Eisen(III)-oxid durch Reduktion und Oxidation, welches per se bekannt ist, umgewandelt. Es wurde gefunden, daß die resultierenden Teilchen eine Koerzitivkraft (Hc) von 406 Oe (Oersted) und eine Sättigungsmagnetisierung von (an) von 70,5 emu/g besaßen.
  • Mit diesem nadelförmigem γ-Eisen(III)-oxid wurde wie folgt Magnetband hergestellt. 100 Gew.-Teile des nadelförmigen γ-Eisen(III)-oxids wurden in einer Harzlösung dispergiert, welche aus Nitrocellulose (5 Gew.-Teile), Vinylchlorid-Vinylacetatcopolymerem (2,5 Gew.-Teile), Polyurethan (17,5 Gew.-Teile) und Lösungsmittel (253 Gew.-Teile) bestand. Die resultierende magnetische Beschichtungsmasse wurde auf Polyesterfilm aufgeschichtet, gefolgt von Orientierung in einem Magnetfeld und Trocknen. Es wurde ein Magnetband erhalten, welches einen Beschichtungsfilm (oder Magnetschicht) von etwa 5 um Dicke besaß.
  • Es wurde gefunden, daß das Magnetband eine Koerzitivkraft von gleich 410 Oe, ein Quadratverhältnis (SR) von gleich 0,82 und eine Umschaltfeldverteilung (n-SFD) gleich 0,39 besaß.
  • Vergleichsbeispiel 6
  • Das nadelförmige α-Eisen(III)-oxid (mit einer spezifischen Oberfläche von 48,3 m²/g), das im Vergleichsbeispiel 5 erhalten worden war, wurde zu nadelförmigem γ-Eisen(III)-oxid durch Reduktion und Oxidation in derselben Weise wie in Beispiel 4 umgewandelt. Es wurde gefunden, daß die resultierenden Teilchen eine Koerzitivkraft von 385 Oe und eine Sättigungsmagnetisierung von 69,2 emu/g besaßen.
  • Es wurde Magnetband mit diesem nadelförmigem γ-Eisen- (III)-oxid in derselben Weise wie in Beispiel 4 hergestellt. Es wurde gefunden, daß das resultierende Magnetband eine Koerzitivkraft von 388 Oe, ein Quadratverhältnis (SR) von 0,78 und eine Umschaltfeldverteilung (n-SFD) von 0,47 besaß.

Claims (2)

1. Feinteiliges nadelförmiges α-Eisen(III)-oxid, welches den Kristallitdurchmesser (D10 4) in der Richtung senkrecht zu der (10 4) Ebene und den Kristallitdurchmesser (D11 0) in der Richtung senkrecht zu der (1120) Ebene derart aufweist, daß ihr Verhältnis D10 4/D11 0 in dem Bereich von 1-2 ist, und welches eine spezifische Oberfläche in dem Bereich von 40-50 m²/g hat.
2. Verfahren zur Herstellung des feinteiligen nadelförmigen α-Eisen(III)-oxids nach Anspruch 1, welches umfaßt gleichzeitiges Neutralisieren einer wässrigen Lösung von Eisen(III)- salz und einer alkalischen wässrigen Lösung, während das resultierende Gemisch bei einem pH im Bereich von 7-9 und auf einer Temperatur von nicht mehr als 40ºC gehalten wird, wodurch eine Suspension von Eisen(III)-hydroxid geliefert wird, Filtrieren der Suspension und Waschen mit Wasser der Feststoffe, erneutes Dispergieren der Feststoffe in Wasser, so daß die Menge von SiO&sub2; in der Suspension nicht mehr als 30 ppm beträgt und die Menge der von dem als Ausgangsmaterial verwendeten Eisen(III)-salz herrührenden Anionen nicht mehr als 1000 ppm beträgt, Altern der Suspension von Eisen(III)-hydroxid bei einem pH von 7-8 bei einer Temperatur von 40-80ºC für 2-4 Stunden, Zugeben eines Kristallisationsreglers zu der Suspension und Unterziehen der Suspension einer hydrothermalen Reaktion bei einem pH von 9-11 bei einer Temperatur von mehr als 100ºC.
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