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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von schwarzen Eisenoxidpigmenten und insbesondere
die Herstellung von schwarzem Eisenoxidpigment aus Hämatit.
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Pigmentartiges schwarzes Eisenoxid
besitzt die Formel Fe3O4 und
eine kubische Kristallstruktur, die typisch für einen Magnetit ist. Es kann
beispielsweise zur Einfärbung
von Baumaterialien, wie z. B. Beton, Mörtel, Gipshalbhydrat, Dachschindeln,
Pflastersteinen, künstlichen
Steinprodukten und anderen ähnlichen
Produkten verwendet werden.
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Eine große Menge von etwas verunreinigtem
Eisen(II)chlorid fällt
als ein Nebenprodukt in der Stahlbeizindustrie an und es wäre von Wert,
dieses Nebenprodukt als ein Rohmaterial nutzbar zu machen. Entsprechend
den wohlbekannten "Ruthner" oder "Sprüh-Röst"-Verfahren wird das aus
der Beizmühle
als Abfall anfallende wässrige
Eisenchlorid zu einem Eisenoxid umgesetzt, das die Formel Fe2O3 besitzt sowie
eine hexagonale Kristallstruktur, die typisch für einen durch ein Sprüh-Röst-Verfahren hergestellten
Hämatit
ist. Das Produkt eines solchen Verfahrens und Rohmaterials ist ein
rotes Pigment, das einen nennenswerten Anteil an Chlorid enthält sowie
eine große
Zahl von weiteren Verunreinigungen. Überlicherweise kann dieses
Produkt mehr als 90 Gew.-% von Fe2O3 enthalten, eine beschränkte Menge an FeO, beispielsweise
von 0,005 Gew.-% bis
0.5 Gew.-%, eine wesentliche Menge an Chloridion, beispielsweise
von 0,002% bis 1% oder mehr, möglicherweise
bis zu 5 Gew.-%, eine nennenswerte Menge an Mn2O3, beispielsweise von 0,1% bis 1 Gew.-%, ebenso
wie überlicherweise
einige oder alle Oxide der Elemente Aluminium, Chrom, Magnesium,
Titan, Zink, Blei, Kupfer, Arsen und Vanadium, sowie auch Oxide
von Calcium, Silicium und Phosphor, sowie einen Gehalt an Kohlenstoff.
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Es wäre ein nützlicher Beitrag für die Pigmentindustrie,
die Herstellung eines schwarzen Eisenoxids aus einem natürlichen
oder chemischen Hämatit
zu ermöglichen.
Jedoch kann Hämatit
ein verhältnismäßig unreaktives
Material sein und kein Verfahren, das auf einer wässrigen
Aufschwemmung basiert und dies ermöglicht, war bekannt. Sowohl
natürlicher
mineralischer Hämatit
als auch synthetischer Hämatit
aus dem Sprüh-Röst-Verfahren
durchliefen für
einen Zeitraum eine erhöhte
Temperatur, die einen Grad von Trägheit aufgrund der Calcinierung
herbeiführt.
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Das französische Patent Nr. 2244716-A
von Ruthner Akt. beschreibt die Herstellung eines schwarzen Eisenoxid-Pigmentpulvers aus
Fe2O3, das durch
thermische Dissoziation einer Eisenchloridlösung mittels einer Festkörper-Dampfreaktion bei
hoher Temperatur hergestellt wird, und eine Hitzebehandlung unter
oxidierenden, reduzierenden oder neutralen Bedingungen bei einer
Temperatur von über
400°C und
anschließender Hitzebehandlung
unter reduzierenden Bedingungen bei einer Temperatur von weniger
als 550°C
umfasst. Das Produkt ist Fe3O4,
das eine Magnetitstruktur besitzt und 0,02% Chlorid enthält. Dieses
Produkt wird anschließend
in einer Schwingungsmühle
gemahlen, und ergibt eine Partikelgröße, die wesentlich unterhalb
von 0,045 mm liegt.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines schwarzen Eisenoxidpigmentes
aus Fe2O3 Hämatiteisenoxid
bereit, welches durch das "Ruthner"-Verfahren oder mit anderen Mitteln hergestellt
worden sein kann, oder das ein mineralischer Hämatit sein kann. Das Verfahren
kann verwendet werden, um synthetischen Hämatit von minderer Qualität oder natürlichen
Hämatit
zu schwarzem Eisenoxid umzusetzen, oder deren Nutzeffekt als rote
Pigmente durch Umsetzung zu schwarzen Pigmenten und nachfolgender
Oxidation des so hergestellten Magnetits zu Hämatit zu verbessern. Das Verfahren
der vorliegenden Erfindung verwendet eine Niedertemperaturreaktion
und beruht auf einem wässrigen
Schlamm.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein Verfahren zur Herstellung von schwarzem Eisenoxidpigment aus Eisenoxid
bereit, das eine Hämatitkristallstruktur
besitzt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der
Hämatit
in Verbindung gebracht wird mit einer löslichen Quelle von Fe(II)-Ionen
in Gegenwart einer löslichen
Quelle von Fe(III)-Ionen,
und in einem wässrigen
alkalischen Medium von pH 7 bis 11, um dasselbe zu Fe3O4 umzusetzen.
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Es wurde gefunden, dass die Deckkraft
des Schwarzpigmentes in sehr beträchtlicher Weise verstärkt werden
kann, indem eine Menge einer löslichen
Quelle von Fe(III)-Ionen, beispielsweise Eisen(III)sulfat, in ein wässriges
alkalisches Medium eingeführt
wird, wie es in den Beispielen 5a bis 5c und 6a bis 6c nachstehend gezeigt
ist.
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Bei der Ausführung der Erfindung ist das
Eisenoxid mit einer Hämatitstruktur
vorzugsweise ein Sprüh-Röst-Produkt,
das aus Eisenchlorid, wie vorstehend beschrieben, hergestellt wurde.
Ein derartiges Produkt wird normalerweise in Form von Teilchen vorliegen,
von denen mindestens 50 Gew.-% einen Durchmesser von mindestens
5 Mikrometer haben, beispielsweise 5 bis 20 Mikrometer.
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Die lösliche Quelle für Fe(II)-Ionen
kann ein wasserlösliches
Eisensalz sein, wie z. B. das Chlorid oder das Sulfat. Vorzugsweise
ist das Eisensalz Eisensulfat, das in geeigneter Weise in Form von
Eisen(II)sulfat-Heptahydrat vorliegen kann, oder Eisenvitriol von
technischer Qualität.
Die lösliche
Quelle von Fe(II)-Ionen wird in geeigneter Weise von der Reaktionsmischung
umfasst in Form einer Lösung
in Wasser, vorzugsweise einer konzentrierten Lösung, beispielsweise im Falle
des technischen Eisenvitriols, einer Lösung, die ungefähr 450 g/l
enthält
oder bis zur Löslichkeitsgrenze
des technischen Eisenvitriols bei der verwendeten Temperatur. Vorzugsweise
ist die Menge der löslichen
Quelle von Fe(III)-Ionen
mindestens 1 g/l, und beispielsweise bis zu 20 g/l der löslichen
Quelle von Fe(II)-Ionen oder eine äquivalente Menge.
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Die Alkalinität des Mediums kann in geeigneter
Weise bereitgestellt werden von eine Base, wie z. B. Ammoniumhydroxid
oder Natriumcarbonat, jedoch wird vorzugsweise ein Alkalimetallhydroxid,
wie z. B. Natriumhydroxid verwendet. Als allgemeines Verfahren zur
Durchführung
der Erfindung kann der Hämatit
in Wasser suspendiert werden, wobei in geeignetem Ausmaß gerührt wird,
und falls ein Suspensionsmittel erforderlich ist, kann die Fe(II)-Verbindung
zur Suspension in Form einer wässrigen
Lösung
zugegeben werden oder sie kann als ein Feststoff zugegeben werden
und in situ gelöst
werden. Die Reaktionsmischung kann bis zur Reaktionstemperatur erhitzt
werden, die Base kann anschließend
zugegeben werden, und die erhaltene Reaktionsmischung kann für einen
Zeitraum aufrecht erhalten werden, um ein Fortschreiten der Reaktion
zu ermöglichen,
und die Bildung des geforderten Kristallhabitus zu ermöglichen.
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In einem Standardverfahren gemäß der Erfindung
kann die anfängliche
Feststoffkonzentration des Hämatits
in geeigneter Weise von 50 bis 150 g/l betragen, die Temperatur
der Reaktionsmischung kann in geeigneter Weise bei mindestens 60°C gehalten
werden und in geeigneter Weise unterhalb der Siedetemperatur bei
Umgebungsdruck, jedoch vorzugsweise von 70° bis 100°C, das Aufrühren kann in geeigneter Weise
durch Rühren
bei einer Geschwindigkeit der Rotorspitze von mindestens 0,3 m/sec
erfolgen, in geeigneter Weise bis zu 3,5 m/sec, jedoch bevorzugt
von 0,5 bis 2 m/sec, das Verhältnis
Fe(II)/Fe(III), d. h. das Verhältnis
von löslichem
Fe(II) zum Fe(III)-Gehalt des Hämatits,
kann in geeigneter Weise mindestens 0,25 betragen, in geeigneter
Weise bis zu 1, der Gehalt von zugegebener Quelle an löslichen
Fe(III)-Ionen in wässriger
Lösung
liegt bei mindestens 5 g/l, die Base kann in geeigneter Weise über einen
Zeitraum von 1 Minute bis 60 Minuten eingeführt werden, jedoch vorzugsweise über einen
Zeitraum von 5 bis 30 Minuten, die Base kann in geeigneter Weise
in Form einer Lösung
von mindestens 100 g/l, in geeigneter Weise bis zu 600 g/l vorliegen,
der pH-Wert kann in geeigneter Weise bei mindestens 7,5 liegen,
in geeigneter Weise bis zu 11, jedoch vorzugsweise unterhalb von
9,0, beispielsweise unterhalb von 8,75, um die Schwärzeintensität des Pigmentes
zu steigern, und die Reaktionsmischung kann in geeigneter Weise
von 2 bis 24 Stunden nach Zugabe der Base aufrecht erhalten werden.
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Um die Pigmenteigenschaften des Produktes
dieser Erfindung zur Geltung zu bringen, werden dessen folgende Verfahrensmerkmale
bevorzugt verwendet, einzeln oder in beliebiger Kombination.
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Es wurde festgestellt, dass die Intensität des schwarzen
Pigments gesteigert werden kann, indem die Teilchengröße des Hämatits kontrolliert
wird. Vorzugsweise wird die Teilchengröße so kontrolliert, dass mindestens
97 Gew.-% einen Durchmesser von unter 15 Mikrometer, insbesondere
vorzugsweise von unter 10 Mikrometer besitzen. Vorzugsweise besitzen
mindestens 90 Gew.-% der Teilchen einen Durchmesser von unter 10
Mikrometer, insbesondere vorzugsweise von unter 5 Mikrometer. Vorzugsweise
besitzen mindestens 10 Gew.-% der Teilchen einen Durchmesser von
unter 0,75 Mikrometer, insbesondere vorzugsweise von unter 0,5 Mikrometer.
Dieses Merkmal wird nachstehend in den Beispielen 3a, 3b und 3c
erläutert.
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Es wurde ebenso gefunden, dass die
Schwärzeintensität des Pigments
gesteigert werden kann, indem das vorstehend definierte Fe(II)/Fe(III)
Verhältnis
genau kontrolliert wird. Bevorzugt beträgt das Verhältnis 0,4 bis 0,55, insbesondere
bevorzugt 0,45 bis 0,55, in geeigneter Weise 0,5 +/– 0,025.
Dieses Merkmal ist nachstehend in den Beispielen 6a bis 6c erläutert.
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Es wurde ebenso festgestellt, dass
die Intensität
des schwarzen Pigments gesteigert werden kann, indem ein Suspensionsmittel
dem wässrigen
alkalischen Medium hinzugegeben wird, bevor oder nachdem die Suspension
des Oxides mit der Hämatitkristallstruktur
gebildet wird, oder zum Oxid selbst. Vorzugsweise ist das Suspensionmittel
ein Phosphat, wie z. B. eine Phosphorsäure, oder deren Salz, oder
ein Poly- oder Pyro-Phosphat. Vorzugsweise wird das Phosphat in
mindestens 50 mg/l, in geeigneter Weise bis zu 250 mg/l des wässrigen
alkalischen Mediums zugegeben. Ein besonders geeignetes Phosphat
ist Orthophosphorsäure. Dieses
Merkmal ist nachstehend in Beispiel 6c erläutert.
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Es wurde ebenso festgestellt, dass
die Intensität
des schwarzen Pigments gesteigert werden kann, falls ein Hämatit, der
vom Rösten
der Eisenchloride herstammt, als Ausgangsmaterial eingesetzt wird,
indem ein Hämatit
mit einem anfänglich
hohen Gehalt an freiem Eisen(II)clorid verwendet wird, auch wenn
der besagte Chloridgehalt vorher in einem Verfahren entsprechend
der Erfindung reduziert wird, um die Korrosivität gegenüber den Herstellungsanlagen
zu vermindern. Ein solcher anfänglicher
Gehalt an Eisen(II)chlorid kann beispielsweise mindestens 25 g/kg,
vorzugsweise mindestens 50 g/kg und z. B. bis zu 150 g/kg betragen,
berechnet als Cl–. Das Eisen(II) kann
durch Präzipitation
als Hydroxid mittels einer verdünnten
alkalischen Wäsche
vermindert werden und das Chlorid kann durch Dekantieren oder anderes
Entfernen der Mutterlauge beseitigt werden. Das präzipizierte
Eisenhydroxid kann mit dem Hämatit
während
der weiteren erfindungsgemäßen Verarbeitung
verbleiben. Die Erfindung schließt die Möglichkeit nicht aus, dass die
Gegenwart von Eisenhydroxid selbst ein vorteilhaftes Merkmal sein
kann, und die Bevorzugung für
einen hohen Chloridgehalt im Ausgangshämatit drückt sich folglich hierin aus,
in der Alternative, wie einer Bevorzugung für den entsprechenden Gehalt
an Eisenhydroxid, beispielsweise mindestens 10 g/kg, berechnet als
Hydroxyl-Ion, im Hämatit, ohne
notwendigerweise irgendeine Beschränkung auf eine besondere Quelle
des Eisenhydroxids. Vorzugsweise beträgt der restliche Chloridgehalt
des Eisenoxids nicht mehr als 0,1 g/l, beispielsweise von 0,01 bis
0,8 g/l der Suspension. Dieses Merkmal ist nachstehend in den Beispielen
4a, 4b und 4c erläutert.
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Obwohl das hier beschriebene Verfahren
hauptsächlich
die Herstellung eines schwarzen Pigmentes zum Gegenstand hat, kann
das Magnetitprodukt seinerseits wieder verwendet werden, um Rotpigment,
d. h. Hämatit,
durch thermische oder hydrothermische Oxidation herzustellen. Die
Erfindung schließt
nicht die Verwendung der Eisenoxidprodukte für Anwendungen aus, bei denen
man von nicht-pigmentartigen Eigenschaften Gebrauch macht, beispielsweise
magnetischen Eigenschaften, und der Schutzumfang der hierzu anhängenden
Ansprüche
sollte entsprechend aufgefasst werden.
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Die Stärke und der Farbton des schwarzen
Eisenoxidpigments kann durch bekannte Testverfahren bewertet werden,
deren Ergebnisse unter Verwendung des CIELAB Farbsystems anhand
der Farbkoordinaten L*, a* und b* ausgewiesen werden. Die L* Koordinate
drückt
die schwarze Intensität
eines Pigments auf einer Skala von 0 bis 100 aus, wobei die kleineren
Werte einen stärkeren
schwarzen Farbton anzeigen. Bezugswerte bezüglich der Farbstärke des
schwarzen Pigments sollen sich hierin auf den Wert der L* Koordinate
beziehen. Die a* Koordinate drückt
den Rot/Grünton
des Pigments aus, wobei die höheren
Werte einen stärkeren Rotton
anzeigen und die geringeren Werte einen stärkeren Grünton. Die b* Koordinate drückt den
Gelb/Blauton eines Pigments aus, wobei die höheren Werte einen stärkeren Gelbton
anzeigen und die geringeren Werte einen stärkeren Blauton anzeigen. Im
Falle eines farbstarken schwarzen Eisenoxidpigments kann die L*
Koordinate im angenäherten
Bereich von 50 bis 60 liegen, und die a* und b* Koordinate können im
angenäherten Bereich
von 0 bis 10 liegen.
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Die Erfindung gemäß der Erfindung wird anhand
der nachstehenden Beispiele 1 bis 6 erläutert, die Wiederholungen des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung darstellen unter Verwendung
verschiedener verfahrenstechnischer Merkmale.
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Die Farbkoordinaten wurden durch
Malen einer Standardmischung des Testpigments mit einem weißen Portlandzement
bestimmt, die Mischung wurde zu Tabletten gepreßt und die Oberflächenreflexion
unter Verwendung eines Minolta CM-5081 Spektralphotometers gemessen.
Für die
Beispiele 1 bis 5 wurden identische Testverfahren verwendet, jedoch
für Beispiel
6 wurde ein geringfügig
abweichendes Testverfahren angewandt, und obwohl die Ergebnisse
für sich
genommen innerhalb dieses Beispiels miteinander in Einklang stehen,
sind sie nicht genau mit jenen der Beispiele 1 bis 5 vergleichbar.
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Um einen Vergleich mit im Handel
erhältlichen
schwarzen Eisenpigmenten zu ermöglichen,
wurden die Farbkoordinaten von kommerziellen Pigmenten, nämlich Bayferrox
330 von Bayer AG und Duploxide 77 von Silo SpA nach den Verfahren
der Beispiele 1 bis 5 bestimmt, und, im Falle des letzteren Pigments,
ebenso nach der Methode von Beispiel 6. Bayferrox 330 und Duploxide
77 sind Handelsnamen. Die Ergebnisse dieser Tests lauteten wie folgt: Verfahren
der Beispiele 1 bis 5.
Verfahren
des Beispiels 6.
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In Beispiel 1 wurde eine Standardzubereitung
verwendet, bei der eine Suspension eines Eisenoxids mit einer Hämatitkristallstruktur,
das mittels eines Sprüh-Röst-Verfahrens aus Eisenchlorid,
das als Abfall bei der Stahlbeize anfällt, hergestellt wurde, und
das eine Teilchengrößenverteilung
von mindestens 90 Gew.-% unter 20 Mikrometer besaß, bei einer
Konzentration von 95 g/l hergestellt, und durch Rühren bei
einer Geschwindigkeit der Rotorspitze von 1,57 m/sec (500 rpm) bei
einer Temperatur von 92°C
in Suspension gehalten wurde. Eisen(II)sulfat-Heptahydrat wurde als Lösung, die
eine Konzentration von 400 g/l aufwies, zugegeben, um ein Fe(II)
zu Fe(III)-Verhältnis
von 0,49 zu ergeben. NaOH wurde über
eine Zugabezeit von 10 Minuten bei einer Konzentration von 400 g/l
zugegeben, um einen pH-Wert von 8 bis 8,2 zu ergeben. Nach der Zugabe
des NaOH wurde die Reaktionsmischung bei derselben Temperatur für einen
weiteren Zeitraum von mindestens 4 Stunden gehalten. Das Produkt
dieses Standardherstellungsverfahrens ergab die Farbkoordinaten
L* 57,8, a* 2,8 und b* 4,8.
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In Beispiel 2 wurde die Geschwindigkeit
der Rotorspitze auf 2,82 m/sec (900 rpm) erhöht und die Farbkoordinaten
waren L* 56,2, a* 3,1 und b* 4,9. Es ist ersichtlich, dass ein Erhöhen der
Rührenergie
die L* Koordinate des Produktes erniedrigt.
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In den Beispielen 3a bis 3c lag das
Hämatiteisenoxid
ungemahlen vor, es wurde trocken gemahlen unter Verwendung einer
Circoplex Mühle
(Handelsname), und wurde feucht gemahlen unter Verwendung einer Discoplex
Mühle (Handelsname).
Die Größenverteilungen
dieser Eisenoxide waren mindestens 90 Gew.-% unter 20 Mikrometer
für das
ungemahlene Oxid, und mindestens 90 Gew.-% unter 10 Mikrometer für die gemahlenen
Oxide. Nach der Zugabe von NaOH wurde die Reaktionsmischung bei
der selben Temperatur 4 Stunden lang im Falle des ungemahlenen Eisenoxids
gehalten (Beispiel 3a), 4 Stunden 15 Minuten für die trocken gemahlenen Eisenoxide
und nur 2 Stunden 50 Minuten für
die naß vermahlenen
Eisenoxide. Die Farbkoordinaten, welche die Produkte dieser Beispiele
ergaben, lauteten:
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Es ist ersichtlich, dass Vermahlung,
und insbesondere Naßvermahlung,
eine beträchtliche
Verminderung der L* Koordinate ergab.
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In den Beispielen 4a bis 4c wurden
Hämatite
eingesetzt, die unterschiedliche Gehalte an freiem Eisen(II)chlorid
aufwiesen, wie indirekt anhand der Menge des entfernten Chlorids
angedeutet wird. Das Chlorid wurde durch Präzipitation des Eisen(II) entfernt,
wobei überschüssige verdünnte NaOH
eingesetzt wurde und das Chlorid durch Dekantieren entfernt wurde.
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Es ist ersichtlich, dass, je mehr
Eisenchlorid entfernt wird, d. h. je mehr anfänglich vorhanden war, desto
mehr die L* Kooriinate herabgesetzt wird.
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In den Beispielen 5a bis 5c gibt
es eine zunehmende Menge an möglichen
Eisen(III) in der Lösung
des technischen Eisenvitriols.
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Es ist ersichtlich, dass die Verwendung
einer Eisen(II)-Lösung, welche
einen höheren
Gehalt an Eisen(III) besitzt, die L* Koordinate herabsetzt, d. h.,
die schwarze Farbintensität
des Pigmentproduktes erhöht.
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In den Beispielen 6a und 6b wurde
eine Standardherstellung ausgeführt
unter Verwendung von Sprüh-Röst-Hämatit, technischem
Eisenvitriol als einer Quelle für
Eisen(II), bei einer Geschwindigkeit der Rotorspitze zum Rühren von
0,8 m/sec, einer Reaktionstemperatur von 92°C und einer Reaktionszeit von
2 Stunden. Die anderen Herstellungsparameter lauteten wie folgt:
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In den Beispielen 6a, 6b und 6c wurde
der Hämatit
auf eine Größe naß vermahlen,
bei der 90% unter 5 Mikrometer lagen. In den Beispielen 6b und 6c
wurde eine zunehmende Menge an Eisen(III) in der Lösung der
Quelle von Eisen(II) verwendet. In Beispiel 6c würden 100 mg/l Orthophosphorsäure zum
Fe2O3 zugegeben.
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Die Produkte dieser Beispiele gaben
die folgenden Farbkoordinaten: