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WO1992001023A1 - Korrosionsschutzpigmente auf der basis von tertiären erdalkali-aluminium-phosphaten und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Korrosionsschutzpigmente auf der basis von tertiären erdalkali-aluminium-phosphaten und verfahren zu ihrer herstellung Download PDF

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WO1992001023A1
WO1992001023A1 PCT/EP1991/001244 EP9101244W WO9201023A1 WO 1992001023 A1 WO1992001023 A1 WO 1992001023A1 EP 9101244 W EP9101244 W EP 9101244W WO 9201023 A1 WO9201023 A1 WO 9201023A1
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aluminum
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phosphate
corrosion
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Annegret Bittner
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Dr Hans Heubach GmbH and Co KG
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Dr Hans Heubach GmbH and Co KG
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    • Y10S423/00Chemistry of inorganic compounds
    • Y10S423/08Corrosion or deposition inhibiting

Definitions

  • Zinc phosphate are used today as pigments for
  • Corrosion protection coatings are used as they are good
  • the environmental protection legislation restricts the use of pigments containing heavy metals to the extent that waste disposal and waste water from the
  • Heavy metal contents must not exceed certain limit values. To e.g. to prevent zinc from going into sewage
  • Aluminum zinc phosphate hydrates according to European Patent 0 054 267 a reduced zinc solubility, but it is still difficult to meet the prescribed limit values.
  • Alkaline earth metals described as anti-corrosion pigments described as anti-corrosion pigments.
  • Patent 0028 290 improved in that zinc oxide is added, while those known from DE-PS 37 31 737
  • Alkaline earth metal base which can be used in general in corrosion protection coatings, that is to say also in steel, and are more effective than the known ones
  • Phosphate pigments in a practical base coat were found to be phosphates based on
  • Magnesium and / or calcium in combination with aluminum have better corrosion protection properties than
  • These anti-corrosion pigments are prepared in a manner known per se from alkaline earth and aluminum compounds which are sufficiently soluble in phosphoric acid and phosphoric acid, e.g.
  • Alkaline earth metal hydroxide or carbonate, aluminum hydroxide and phosphoric acid preferably at a slightly elevated temperature, a mixed crystal of aluminum phosphate with alkaline earth metal phosphate being formed.
  • alkaline earth metal phosphate X-ray crystallography was possible in the case of calcium
  • Pigments are filtered off and dried in a conventional manner and, depending on the intended use, are preferably also ground. Drying is preferably carried out at 100 to 110 ° C, for example about 105 ° C. If desired, calcination can also be carried out, a temperature of at least about 150 ° C. often being sufficient, but a calcination temperature of about 600 ° C. or higher can also be used. As mentioned, only magnesium and calcium are suitable for practical reasons. For the sake of simplicity, however, the term alkaline earths, abbreviated EA, is also used in the following, even if only these two alkaline earths are of interest.
  • EA alkaline earths
  • the pigments can by the formula, EA AI (PO 4 ) z
  • the ratio x: y: z is called the atomic ratio or atomic number ratio, which are also expressed by the formula EA X AI y P z
  • composition can of course be just as well expressed by P).
  • the composition can then be expressed as a percentage of the individual components of the total number of all components.
  • Atomic group ratio of 3 Ca to 1 AI to 3 P or PO 4 is present. The percentage of the individual components is then 43% Ca, 14% AI and 43% P or PO 4 .
  • the ratio of the three components alkaline earth to aluminum to phosphorus is generally 40 to 70% alkaline earth to 5 to 30% aluminum to 20 to 50 % Phosphorus or phosphate, with quantities of course being selected such that 100% are present in each case.
  • This ratio is preferably 40-65% alkaline earth to 7-25% aluminum to 25-45% phosphorus, and a ratio of 50 to 65% alkaline earth to 8-15% aluminum to 25-35% phosphorus is very particularly preferred. It can thus be seen that in the particularly preferred range there is relatively more alkaline earth compared to both aluminum and phosphorus. The corrosion protection effect is therefore better when there is a relatively large amount of magnesium and calcium in relation to aluminum and phosphorus, but is also within the scope of the general
  • Magnesium aluminum phosphate hydrate whose atomic ratio of magnesium to aluminum to phosphorus is 1.66: 0.33: 1, i.e. expressed as a percentage 56% to 11% to 33%.
  • the pigment obtained in the reaction mixture is filtered off in a conventional manner, dried and, if necessary, ground depending on the intended use. The drying at the approaches of the
  • Aluminum hydroxide in 10 - 40 wt .-% aqueous suspension with the usual technical concentrated phosphoric acid (75 wt .-%) produces a calcium aluminum phosphate hydrate.
  • Aluminum to phosphorus is 2: 0.3: 1.
  • the precipitated pigment is treated as in Example 1.
  • Alkaline earth aluminum phosphates are present in which a mixture of the alkaline earth compounds is used.
  • Example 1 and 2 were obtained. Testing and evaluation of the corrosion protection behavior of these pigments were carried out as follows:
  • the anti-corrosion pigments in Table 1 below were compared to tertiary magnesium, calcium and
  • Zinc phosphate and a secondary calcium phosphate in a base coating were examined in the salt spray test and condensation test with regard to the anti-corrosion effect.
  • Corrosion protection test Salt spray test DIN 50021 after 360h
  • Corrosion protection properties determined. In particular, the rusting on the metal surface has been significantly reduced.
  • the evaluation grades are subdivided and divided by 4 or 3, the evaluation numbers listed in TABLE B being weighted twice due to their greater importance.

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Abstract

Die Erfindung zeigt Korrosionsschutzpigmente auf der Basis von tertiären Erdalkali-Aluminiumphosphaten, insbesondere solche, bei denen das Atomzahlenverhältnis x:y:z der Formel EAxAly(PO4)z von Erdalkali zu Aluminium zu Phosphor bzw. Phosphat 50 - 70 % zu 5 - 30 % zu 20 - 50 % beträgt sowie das Verfahren zu ihrer Herstellung durch in an sich bekannte Umsetzung mit Phosphorsäure und einer zur Umsetzung damit hinreichend löslichen Erdalkaliverbindung und Aluminiumverbindung, Abfiltrieren des ausgefallenen Pigmentes in üblicher Weise sowie Trocknen, ggfs. Calcinieren und ggfs. Vermahlen.

Description

Korrosionsschutzpigmente auf der Basis von tertiären
Erdalkali-Aluminium-Phosphaten und Verfahren zu ihrer Herstellung
Phosphathaltige Korrosionsschutzpigmente insbesondere
Zinkphosphat werden heute als Pigmente für
Korrosionsschutzbeschichtungen eingesetzt, da sie gute
korrosionsinhibierende Eigenschaften aufweisen.
Durch die Umweltschutzgesetzgebung ist die Verwendung von schwermetallhaltigen Pigmenten insofern eingeschränkt, da bei der Abfallbeseitigung und beim Abwasser aus den
Produktionsstätten der Lackhersteller oder anfallendes
Wasser bei der Verarbeitung (Spritzkabinen),
Schwermetallgehalte bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten dürfen. Um z.B. zu verhindern, daß zink ins Abwasser
gelangt, müssen entsprechende technische Maßnahmen getroffen werden, die mit Kosten verbunden sind. So zeigen zwar die Aluminiumzinkphosphathydrate bzw. die basischen
Aluminiumzinkphosphathydrte gemäß europ. Patent 0 054 267 eine verminderte Zinklδslichkeit, jedoch ist es immer noch schwierig, die vorgeschriebenen Grenzwerte einzuhalten.
Neben den Phosphaten auf der Basis von Schmermetallen werden in der Patentliteratur auch sekundäre Phosphate der
Erdalkalimetalle als Korrosionsschutzpigmente beschrieben.
Die Wirksamkeit ist jedoch nicht mit z.B. Zinkphosphat
vergleichbar. So werden z.B. Calcium- oder
Magensiumhydrogenphosphate in dem europ. Patent 0028 290 dadurch verbessert, daß Zinkoxid zugemischt wird, während die aus der DE-PS 37 31 737 bekannten
Korrosionsschutzpigmente auf der Basis von
Erdalkalihydrogenphosphaten mit einem Gehalt an
Erdalkalicarbonaten in erster Linie Schutz gegen
Filiformkorrosion auf Aluminium bieten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung von schwermetallfreien Phosphatpigmenten auf
Erdalkalimetallbasis, die in Korrosionsschutzbeschichtungen allgemein, also auch bei Stahl, einsetzbar sind und eine bessere Wirksamkeit aufweisen als die bekannten
Zink-Phosphate. Bei der Korrosionsschutzprüfung von
Phosphatpigmenten in einer praxisüblichen Grundbeschichtung wurde festgestellt, daß Phosphate auf der Basis von
Magnesium und/oder Calcium in Verbindung mit Aluminium bessere Korrosionsschutzeigenschaften aufweisen als
sekundäre Phosphate auf der Basis von Calcium oder Magnesium und tertiäre Phosphate auf der Basis von Magnesium, Calcium und Zink.
Demgemäß wird die gestellte Aufgabe durch
Korrosionsschutzpigmente auf der Basis von tertiären
Erdalkali-Aluminium-Phosphaten gelöst, wobei aus praktischen Gründen natürlich nur Magnesium und Calcium als Erdalkalien in Frage kommen. Diese Korrosionsschutzpigmente werden in an sich bekannter Weise aus in Phosphorsäure hinreichend löslichen Erdalkaliund Aluminiumverbindungen sowie Phosphorsäure, z.B.
Erdalkalihydroxid oder -carbonat, Aluminiumhydroxid und Phosphorsäure, bei vorzugsweise leicht erhöhter Temperatur hergestellt, wobei ein Mischkristall aus Aluminiumphosphat mit Erdalkaliphosphat entsteht. Für das Erdalkaliphosphat konnte im Falle von Calcium rδntgenkristallographisch
Ca3(PO4)2.n H2O bzw. Ca5(PO4)3OH
(Hydroxylapatit) nachgewiesen werden. Bei erhöhten Al- und/oder Erdalkaligehalten kann noch Aluminiumoxidhydrat und/oder Erdalkalihydroxid vorliegen. Die entstandenen
Pigmente werden abfiltriert und in üblicher Weise getrocknet und vorzugsweise, je nach Verwendungszweck, auch vermählen. Die Trocknung erfolgt vorzugsweise bei 100 bis 110°C, z.B. ca. 105°C. Gewünschtenfalls kann auch calciniert werden, wobei eine Temperatur von mindestens etwa 150°C häufig ausreicht, jedoch kann auch eine Calcinierungstemperatur von etwa 600°C oder höher angewandt werden. Wie erwähnt kommen aus praktischen Gründen nur Magnesium und Calcium in Frage. Der Einfachheit halber wird jedoch auch im folgenden der Ausdruck Erdalkalien, abgekürzt EA, benutzt, auch wenn nur diese zwei Erdalkalien von Interesse sind.
Die Pigmente können durch die Formel, EA AI (PO4)z
ausgedrückt werden. Im folgenden wird das Verhältnis x:y:z das Atomverhältnis oder Atomzahlenverhältnis genannt, das so auch durch die Formel EAXAIyPz ausgedrückt werden
kann. Es sei ausdrücklich wiederholt, daß hierbei nicht die Atomgewichte eingehen sondern, wie in der chemischen
Schreibweise von Formeln üblich, nur die Zahl der Atome oder Atomgruppen (wie PO4, das bei dieser Ausdrucksweise
natürlich ebensogut nur durch P ausgedrückt werden kann). Die Zusammensetzung kann dann durch den Prozentsatz der Einzelkomponenten an der Gesamtzahl aller Komponenten in Prozent ausgedrückt werden. Als Beispiel sei das
Mischkristall Ca,(PO4)2·AlPO4
=Ca3Al(PO4)3 erwähnt, bei dem ein Atom- oder
Atomgruppenverhältnis von 3 Ca zu 1 AI zu 3 P bzw. PO4 vorliegt. Die Prozentzahl der Einzelkomponenten beträgt dann 43 % Ca, 14 % AI und 43 % P bzw. PO4.
In dem erfindungsgemäßen Korrosionsschutzpigment auf der Basis von tertiären Erdalkalialuminiumphosphaten beträgt das Verhältnis der drei Komponenten Erdalkali zu Aluminium zu Phosphor, ausgedrückt im oben definierten Atomverhältnis x : y : z, ganz allgemein 40 bis 70 % Erdalkali zu 5 bis 30 % Aluminium zu 20 bis 50 % Phosphor bzw. Phosphat, wobei natürlich solche Mengen gewählt werden, daß jeweils 100 % vorliegen. Vorzugsweise beträgt dieses Verhältnis 40 - 65 % Erdalkali zu 7 - 25 % Aluminium zu 25 - 45 % Phosphor und ganz besonders bevorzugt ist ein Verhältnis von 50 bis 65 % Erdalkali zu 8 - 15 % Aluminium zu 25 - 35 % Phosphor. Man sieht also, daß beim besonders bevorzugten Bereich relativ mehr Erdalkali im Vergleich zu sowohl Aluminium als auch Phosphor vorliegt. Die Korrosionsschutzwirkung ist also beim Vorliegen einer relativ größeren Menge an Magnesium und Calcium im Verhältnis zu Aluminium und Phosphor besser, liegt jedoch auch schon im Rahmen des. allgemeinen
Verhältnisses deutlich über der Korrosionsschutzwirkung von z.B. Zinkphosphat. Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung und zeigen die Ergebnisse der Korrosionsschutzprüfung.
Beispiel 1 Durch die Umsetzung von Magnesiumoxid und/oder
Magnesiumcarbonat sowie Aluminiumhydroxid in wässriger
10-40%iger Suspension mit üblicher technischer Phosphorsäure (ca. 75 Gew.-%) entsteht ein MagnesiumAluminiumphosphathydrat.
Es werden 1 Mol Magnesiumoxid und 0,2 Mol Aluminiumhydroxid mit 0,6 Mol kommerzieller technischer Phosphorsäure (ca. 75 Gew.-%) eingesetzt. Die Reaktion erfolgte unter leichtem Erwärmen, so daß, ausgehend von Raumtemperatur, sich je nach Größe des Ansatzes eine Temperatur von 30 - 60 °C einstellt, bei der die Umsetzung erfolgt. Es entsteht ein
Magnesium-Aluminiumphosphathydrat, dessen Atomverhältnis von Magnesium zu Aluminium zu Phosphor 1,66 : 0,33 : 1 beträgt, also in Prozent ausgedrückt 56 % zu 11 % zu 33 %. Das im Reaktionsansatz erhaltende Pigment wird in üblicher Weise abfiltriert, getrocknet und je nach Verwendungszweck, wenn nötig, vermählen. Die Trocknung bei den Ansätzen der
Beispiele erfolgte jeweils bei 105°C. Es kann
gewünschtenfalls auch calciniert werden. Beispiel 2
Durch die Umsetzung von Calciumhydroxid und
Aluminiumhydroxid in 10 - 40 Gew.-%iger wässriger Suspension mit üblicher technischer konzentrierter Phosphorsäure (75 Gew.-%) entsteht ein Calcium-Aluminiumphosphathydrat.
Es werden 1 Mol Calciumhydroxid und 0,16 Mol
Aluminiumhydroxid mit 0,5 mol Phosphorsäure (75 %ig) bei Temperaturen von 30 - 60°C umgesetzt. Es entsteht ein
Aluminiumphosphat als Mischkristall mit Calciumphosphat, das rδntgenkristallographisch aus Ca3(PO4)2. n H2O,
Rδntgenkartei Nr. 18-303, Ausgabe 1986 oder bzw.
Ca5(PO4)3OH (Hydroxylapatit, Rδntgenkartei Nr. 9-436,
Ausgabe 1986) besteht. Das Atomverhältnis von Calcium zu
Aluminium zu Phosphor beträgt 2 : 0,3 : 1. Das ausgefallene Pigment wird wie in Beispiel 1 weiterbehandelt.
Es kann auch ein Gemisch von Erdalkalien bei den
Erdalkali-Aluminiumphosphaten vorliegen, in dem ein Gemisch der Erdalkaliverbindungen eingesetzt wird.
In entsprechender Weise kann man, statt die Phosphorsäure zur Suspension des Erdalkalihydroxids oder -carbonats und des Aluminiumhydroxids zuzugeben, z.B. das Aluminiumhydroxid in der Phosphorsäure lösen und dann diese Komponente zur Suspension det Erdalkaliverbindung geben und umgekehrt die Suspension der Erdalkaliverbindung in die Reaktionmischung aus Aluminiumhydroxid und Phosphorsäure geben. Als
Phosphorsäure wird zweckmäßig die übliche technische Sorte von ca. 75 Gew.-% verwendet, da diese am billigsten ist und den hier gesetzten Reinheitsanforderungen entspricht. In der folgenden Tabelle 1 sind neben den Pigmenten der Beispiele 1 und 2, die dort als Pigment 2 und 5 bezeichnet sind, auch die anderen dort aufgeführten Pigmente in
entsprechender Weise zu Beispiel 1 und 2 erhalten worden. Prüfung und Auswertung des Korrosionsschutzverhaltens dieser Pigmente wurden wie folgt durchgeführt:
Die Korrosionsschutzigmente der folgenden Tabelle 1 wurden im Vergleich zu tertiären Magnesium-, Calcium- und
Zinkphosphat sowie einem sekundären Calciumphosphat in einer Grundbeschichtung im Salzsprütest und Schwitzwassertest hinsichtlich der Korrsionsschutzwirkung untersucht.
Bindemittel Kurzδliges Alkydharz
PVK/KPVK 0,7
Rezepturbeispiel siehe Tab. 2
Trockenschichtstärke 45 +/- 5,um
Trocknungsbedingungen 7 Tage bei Raumtemperatur und 2 h bei 50°C
Korrosionsschutzprüfung : Salzsprühtest DIN 50021 nach 360h
Schwitzwassertest DIN 50017 nach 500 h
Auswertung : 30 min. nach der Bewitterung Zur Beurteilung des Korrosionsschutzverhaltens werden normenübliche Angaben wie Blasenbildung nach DIN 53209 oder ASTM D 714-56, Unterwanderung am Schnitt nach DIN 53167 oder ASTM D 1654-75 und Korrosion auf der Metalloberfläche nach ASTM D 610-68 nach dem beigefügten Auswertungsschwema der Tabellen 3 und 4 je einer Bewertungsnote zugeordnet, und zu einer Gesamtbewertung (Bewertungszahl) zusammengefaßt (100 = bester Korrosionsschutzwert, 0 = schlechtester
Korrosionsschutzwert). Um eine genaue Beurteilung der ünterrostung vorzunehmen wurden die Beschichtungen nach der Bewitterung vom
Untergrund mit Methylenchlorid abgebeizt.
Figure imgf000009_0001
Bei der Korrosionsschutzprüfung im Salzsprühtest wurde mit den neuen Korrosionsschutzpigmenten im Vergleich zu
sekundären Calciumphosphat und tertiären Magnesium-, Calcium- und Zinkphosphaten bessere
Korrosionsschutzeigenschaften festgestellt. Insbesondere wurde die unterrostung auf der Metalloberfläche deutlich verringert.
Im Schwitzwassertest konnte für die neuen Pigmente ebenfalls eine Verringerung der unterrostung erzielt werden, wie die vorstehende Tabelle 1 mit den Ergebnissen der
Kurzzeitbewitterung zeigt.
Im folgenden werden in Tab. 2 die Rezeptur für die
Herstellung einer Grundierung und zwar anhand des Pigments 4 als Beispiel, sowie in Tab. 3 und 4 das Auswertungsschema für die Ergebnisse der Tabelle 1 angegeben.
Rezeptur: TABELLE 2
Gewichtsteüe in %
Kurzöliges Alkydharz, 60 %ig 46,8
(34 % spezielle Fettsäuren)
Modifizierter Montmorillonit 0,4
als Antiabsetzmittel
Glykolether 1 ,7
Xylol 11,3
Bindemittel,
Lösungsmittel und Additive vormischen
Calciumoktoat 10 % Ca 0,1 TABELLE 2 (Fortsetzung)
Pigment 4 5,4
Natürliches Bariumsulfat 17,4 In der Perlmüh!e dispergieren
Magnesiumsilikat 9,8
Titand d Rutil 5,6
Bleifreies Sikkativ 1,2 Nacheinander getrennt unterrühren
Antioxidantien 0,3
100,0
PVK in % - 31
PVK/KPVK -s 0,7
Festkörper in % .. 67
AUSWERTUNGSSCHEMA
TABELLE 3
Bewertungszahl Blasenbildung Unterwanderung am Schnitt
(Blasengrad) in mm
ASTM D 714-56 ASTM D 1654-74
100 - 90 - 0 - 0,4
90 - 60 8 F - 2 F 0,8 - 3,2
55 - 40 8 M - 2 M 4,8 - 6,4
35 - 20 8 MD - 2 MD 9,5 - 12,7
15 - 0 8 D - 2 D 15,9 - 25
TABELLE
Bewertungszahl Korrosion des Untergrundes
ASTM D 610-68
100 sehr gut Keine Korrosion oder weniger als 0,01 %
80 gut Punktförmige Korrosion, aber weniger als 1-3 %
60 gut-mäßig 10 % Korrosion auf der Fläche
40 mäßig 16 % " " "
20 schlecht 33 % " " " "
0 sehr schlecht 50 % " " " "
Gesamtbewertunq
Zur Ermittlung der Gesamtbewertung nach der Salzsprühtest- und Schwitzwassertestbewitterung werden die Bewertungsnoten suimniert und durch 4 bzw.3 dividiert, wobei die in TABELLE B aufgeführten Bewertungszahlen aufgrund der größeren Bedeutung doppelt gewichtet werden.

Claims

Patentansprüche 1. Korrosionsschutzpigmente auf der Basis von tertiären
Erdalkali-Aluminium-Phosphaten.
2. Korrosionsschutzpigmente nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Atomzahlenverhältnis x:y:z der Formel EAxAly(PO4) von Erdalkali zu Aluminium zu
Phosphor bzw. Phosphat 50 - 70 % zu 5 - 30 % zu 20 - 50 % beträgt.
3. Korrosionsschutzpigmente nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verhältnis x:y:z 40 - 65 % zu 7 - 25 % zu 25 - 35 % beträgt.
4. Korrosionsschutzpigmente nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verhältnis x:y:z 50 - 65 % zu 8 - 15 % zu 25 - 35 % beträgt.
5. Korrosionsschutzpigmente nach einem oder mehreren der
vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Erdalkali-Phosphat Calcium- und/oder Magnesium-Phosphat vorliegt.
6. Korrosionsschutzpigment nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahlenverhältnis Erdalkaliatome zu Phosphoratomen (bzw. Phosphat) 1 - 2,5 : 1 und der Aluminiumanteil im
Verhältnis zum Erdalkalianteil, wiederum ausgedrückt als Zahlenverhältnis der Atome, 0,3 : 1 - 3,5 beträgt.
7. Verfahren zur Herstellung der Korrosionsschutzpigmente nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Phosphorsäure eine zur Umsetzung damit hinreichend lösliche Erdalkaliverbindung und Aluminiumverbindung umsetzt und das entstandene Pigment in üblicher Weise abfiltriert, trocknet und ggfs. vermahlt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als Ausgangsmaterial Erdalkalihydroxid oder-earbonat und Aluminiumhydroxid sowie übliche technische
Phosphorsäure verwendet.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das Pigment in üblicher Weise bei einer
Temperatur über 100°C, z.B. etwa 105°C, trocknet und ggfs. bei einer Temperatur von etwa 150°C oder höher calciniert.
PCT/EP1991/001244 1990-07-03 1991-07-03 Korrosionsschutzpigmente auf der basis von tertiären erdalkali-aluminium-phosphaten und verfahren zu ihrer herstellung Ceased WO1992001023A1 (de)

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