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Dokumentenidentifikation EP2000439 22.01.2009
EP-Veröffentlichungsnummer 0002000439
Titel Silicium-Eisen-Mischoxidpulver
Anmelder Evonik Degussa GmbH,45128 Essen,DE
Erfinder Katusic, Stipan,65812 Bad Soden,DE;
Pridöhl, Markus,63538 Großkrotzenburg,DE;
Zimmermann, Guido,50321 Brühl,DE;
Hahn, Rainer,63654 Büdingen,DE;
Pelz, Meike,63456 Hanau,DE
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
Vertragsstaaten , AT, , BE, , BG, , CH, , CY, , CZ, , DE, , DK, , EE, , ES, , FI, , FR, , GB, , GR, , HU, , IE, , IS, , IT, , LI, , LT, , LU, , LV, , MC, , MT, , NL, , PL, , PT, , RO, , SE, , SI, , SK, , TR,
Sprache des Dokument de
EP-Anmeldetag 06.06.2007
EP-Aktenzeichen 071097638
WO-Anmeldetag 06.06.2007
EP-Offenlegungsdatum 10.12.2008
EP date of grant 10.10.2007
Veröffentlichungstag der Übersetzung europäischer Ansprüche 10.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2009
IPC-Hauptklasse C01G 49/00  (2006.01)  A,  F,  I,  20071228,  B,  H,  EP
IPC-Nebenklasse C09C 1/22  (2006.01)  A,  L,  I,  20071228,  B,  H,  EP
C09C 1/30  (2006.01)  A,  L,  I,  20071228,  B,  H,  EP
C01B 33/107  (2006.01)  A,  L,  I,  20071228,  B,  H,  EP
H01F 1/00  (2006.01)  A,  L,  I,  20071228,  B,  H,  EP
H01F 1/36  (2006.01)  A,  L,  I,  20071228,  B,  H,  EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Silicium-Eisen-Mischoxidpulver, dessen Herstellung und Verwendung.

Silicium-Eisen-Mischoxidpartikel mit magnetischen Eigenschaften, insbesondere superparamagnetischen Eigenschaften, sind in der Literatur beschrieben. Die Herstellung dieser Partikel kann beispielsweise durch Sol-Gel-Verfahren oder pyrogene verfahren erfolgen. Bei letztgenannten werden in der Regel organische, chloridfreie Ausgangsstoffe eingesetzt. Diese Verfahren sind zur Herstellung größerer Mengen nicht wirtschaftlich.

Aus EP-A-1284485 ist nun ein Verfahren bekannt, bei dem chloridhaltige Ausgangsstoffe eingesetzt werden können und die erhaltenen Silicium-Eisen-Mischoxidpartikel trotz eines Chloridgehaltes von bis zu 1000 ppm noch gute magnetische Eigenschaften aufweisen. Die in EP-A-1284485 offenbarten Partikel umfassen superparamagnetische Eisenoxid-Domänen mit einem Durchmesser von 3 bis 20 nm in einer siliciumdioxidhaltigen Matrix. Im Vergleich mit den rein organischen Verfahren, bietet das in EP-A-1284485 offenbarte Verfahren ökonomische Vorteile, es besteht jedoch weiterhin der Wunsch nach kostengünstig herstellbaren Partikeln.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher Partikel mit guten magnetischen Eigenschaften bereitzustellen, die mittels eines wirtschaftlichen Verfahrens herstellbar sind.

Gegenstand der Erfindung ist ein Silicium-Eisen-Mischoxidpulver mit magnetischen Eigenschaften in Form aggregierter Primärpartikel, wobei

  1. a) TEM-Aufnahmen das Vorliegen von Primärpartikeln aus räumlich voneinander getrennten Bereichen von Siliciumdioxid und Eisenoxid zeigen und der mittlere Partikeldurchmesser des Eisenoxides 2 bis 100 nm ist und
  2. b) der Anteil an
    • Silicium, gerechnet als SiO2, 5 bis 65 Gew.-%
    • Eisen, gerechnet als Fe2O3, 30 bis 90 Gew.-%
    • und der Anteil an Silicium und Eisen, jeweils als oben genannte Oxide gerechnet, mindestens 95 Gew.-% beträgt
  3. c) der Anteil an Chlorid 0,2 bis 3 Gew.-% beträgt.

Unter magnetischen Eigenschaften sind ferrimagnetische, ferromagnetische und/oder superparamagnetische Eigenschaften zu verstehen. Bevorzugt können erfindungsgemäße Pulver mit superparamagnetischen Eigenschaften sein.

Superparamagnetische Stoffe besitzen keine permanente (gleichgerichtete) Anordnung der elementaren magnetischen Dipole in Abwesenheit äußerer, einwirkender Magnetfelder. Sie können eine geringe Restmagnetisierung aufweisen.

Bevorzugt können erfindungsgemäße Pulver sein, deren Anteil an Silicium 50 ± 10 Gew.-% oder 20 ± 10 Gew.-% beträgt.

Bevorzugt können weiterhin erfindungsgemäße Pulver sein, deren Anteil an Eisen 50 ± 10 Gew.-% oder 80 ± 10 Gew.-% beträgt.

Die Primärpartikel umfassen solche, bei denen die Mischoxidkomponenten sowohl in als auch auf der Oberfläche eines Primärpartikels vorliegen. Im Kontaktbereich von Siliciumdioxid und Eisenoxid innerhalb eines Primärpartikels können Si-O-Fe vorliegen. Darüber hinaus können einzelne Primärpartikel auch nur aus Siliciumdioxid und/oder Eisenoxid vorliegen. Die Primärpartikel sind weitestgehend porenfrei, besitzen auf der Oberfläche freie Hydroxylgruppen auf und können unterschiedliche Aggregationsgrade aufweisen. Bei den Aggregaten handelt es sich um dreidimensionale Aggregate. In der Regel beträgt der Aggregatdurchmesser in jeweils eine Raumrichtung vorzugsweise nicht mehr als 250 nm, in der Regel 30 bis 200 nm, beträgt. Figur 1 zeigt schematisch eine solche dreidimensionale Struktur mit einem Aggregatdurchmesser von 135 nm und 80 nm. Mehrere Aggregate können sich zu Agglomeraten verbinden. Diese Agglomerate lassen sich leicht wieder trennen. Im Gegensatz hierzu ist die Zerlegung der Aggregate in die Primärpartikel in der Regel nicht möglich.

Das erfindungsgemäße Silicium-Eisen-Mischoxidpulver zeichnet sich insbesondere durch einen hohen Chloridgehalt von 0,2 bis 3 Gew.-%, bezogen auf die Silicium-Eisen-Mischoxidpartikel, aus. Der Chloridgehalt rührt von der Herstellung der Partikel her. Die erfindungsgemäßen Partikel werden durch einen pyrogenen Prozess erhalten, bei dem chlorhaltige Vorläufer eingesetzt werden. Die sich bildenden Partikel enthalten Chlor in der Regel in Form von Salzsäure. Diese kann in dem sich bildenden Partikel anhaften oder eingeschlossen werden.

Es wurde nun jedoch gefunden, dass Chloridgehalte von 0,2 bis 3 Gew.-% keinen oder nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften des Pulvers haben.

Bevorzugt kann ein Silicium-Eisen-Mischoxidpulver mit einem Chlorid-Gehalt von 0,5 bis 2,5 Gew.-% aufweist. Besonders bevorzugt kann ein Silicium-Eisen-Mischoxidpulver mit einem Chloridgehalt von 1 bis 2 Gew.-% sein.

Die Bestimmung des Gesamtchloridgehaltes erfolgt nach durch Wickbold-Verbrennung oder durch Aufschluss mit anschließender Titration oder Ionenchromatographie.

Weiterhin zeigen TEM-Aufnahmen des erfindungsgemäßen Pulvers das Vorliegen von Primärpartikeln aus räumlich voneinander getrennten Bereichen von Siliciumdioxid und Eisenoxid. Dabei kann Siliciumdioxid eine Hülle um das Eisenoxid mit einer Dicke von 1 bis 15 nm ausbilden.

Der mittlere Durchmesser der Eisenoxidanteile beträgt 2 bis 100 nm. Vorzugsweise ist der mittlere Partikeldurchmesser kleiner als 70 nm ist. Besonders bevorzugt kann ein Bereich von >20 bis 60 nm sein.

Das erfindungsgemäße Silicium-Eisen-Mischoxidpulver kann weiterhin wenigstens einen oder mehrere Primärpartikel enthalten, die aus Siliciumdioxid oder Eisenoxid bestehen, also in denen nicht Siliciumdioxid und Eisenoxid gemeinsam vorliegen. Die Anteile von Primärpartikeln, die nur Siliciumdioxid oder Eisenoxid aufweisen, können durch Auszählung aus TEM-Aufnahmen, in der Regel werden einige Tausend Primärpartikel ausgewertet, erhalten werden. Die Anteile betragen 0 bis maximal 5%, in der Regel 0 bis <1%, der ausgezählten Primärpartikel.

Der Siliciumdioxidanteil im erfindungsgemäßen Mischoxidpulver kann sowohl kristallin wie amorph vorliegen, wobei rein amorphes Siliciumdioxid bevorzugt ist.

Der Eisenoxidanteil der Partikel des erfindungsgemäßen Mischoxidpulvers weist vorzugsweise als Hauptbestandteil Magnetit und/oder Maghemit auf. Daneben kann es, in Summe, bis zu 15%, in der Regel weniger als 10%, bezogen auf die Eisenoxide, Hämatit, beta-Fe203 und Eisensilikat enthalten.

Besonders bevorzugt kann ein insbesondere ein Mischoxidpulver sein, bei dem der Anteil von Magnetit und/oder Maghemit, bezogen auf die Eisenoxide, mindestens 80%, ganz besonders bevorzugt mindestens 90%, beträgt.

Weiterhin kann es, wenn es darum geht die magnetischen Eigenschaften des Pulvers zu variieren, vorteilhaft sein, Pulver bereitzustellen, bei denen das Gewichtsverhältnis Maghemit/Magnetit 0,3:1 bis 100:1 ist. Ebenso ist es möglich, dass das Eisenoxid nur in Form von Maghemit vorliegt.

Der Anteil an Eisenoxid, gerechnet als Fe2O3, im erfindungsgemäßen Pulver, liegt bei 30 bis 90 Gew.-%. Vorzugsweise kann das Silicium-Eisen-Mischoxidpulver einen Anteil an Eisenoxid von 50 ± 10 Gew.-% oder 80 ± 10 Gew.-% aufweisen. Besonders bevorzugt ist ein Bereich von 50 ± 5 oder 80 ± 5 Gew.-%.

Die Summe an Siliciumdioxid und Eisenoxid im erfindungsgemäßen Pulver beträgt mindestens 95 Gew.-%, bevorzugt mindestens 98 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 98,5 Gew.-%.

Neben Siliciumdioxid, Eisenoxid und Chlorid kann das erfindungsgemäße Mischoxidpulver wenigstens eine Dotierkomponente enthalten. Diese wird vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Oxiden von Mangan, Cobalt, Chrom, Europium, Yttrium, Samarium, Nickel und Gadolinium.

Eine besonders bevorzugte Dotierkomponente ist Manganoxid.

Der Anteil der Dotierkomponente beträgt bevorzugt 0,005 bis 2 Gew.-%, , besonders bevorzugt 0,5 bis 1,8 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 0,8 bis 1,5 Gew.-% ist, jeweils berechnet als Oxid und bezogen auf das Mischoxidpulver.

Die Dotierkomponente ist in der Regel homogen im Pulver verteilt. Je nach Art des Dotierstoffes und der Reaktionsführung kann die Dotierkomponente in Bereichen von Siliciumdioxid oder Eisenoxid angereichert vorliegen.

Die BET-Oberfläche des erfindungsgemäßen Mischoxidpulvers kann in weiten Grenzen variiert werden. Als günstig hat sich eine BET-Oberfläche im Bereich von 10 bis 100 m2/g erwiesen. Bevorzugt können Pulver mit einer BET-Oberfläche von 40 bis 70 m2/g sein.

Die Partikel des erfindungsgemäßen Mischoxidpulvers können mit einer oder mehreren Schalen aus gleichen oder unterschiedlichen Polymeren oder Polymermischungen umschlossen werden. Besonders geeignete Polymere können Polymethylmethacrylate sein.

Das erfindungsgemäße Mischoxidpulver zeichnet sich durch eine hohe Sättigungsmagnetisierung aus. Bevorzugt können Mischoxidpulver sein deren Sättigungsmagnetisierung 40 bis 120 Am2/kg Fe2O3 ist und besonders bevorzugt 60 bis 100 Am2/kg Fe2O3 ist.

Weiterhin hat sich ein Mischoxidpulver als vorteilhaft erwiesen, welches folgende Merkmale aufweist:

  1. a) BET-Oberfläche 50 ± 5 m2/g
  2. b) Anteil an
    • Silicium, gerechnet als SiO2, 50 ± 5 Gew.-%
    • Eisen, gerechnet als Fe2O3, 45 ± 5 Gew.-%
    • Chlorid 1,5 ± 0,5 Gew.-%
    • Mangan, gerechnet als MnO, 0,5 ± 0,3 Gew.-%, wobei sich die Summe der Oxide zu 100% addiert,
  3. c) mittlerer Durchmesser des Eisenoxides 10-30 nm
  4. d) Anteil (Magnetit + Maghemit), bezogen auf Eisenoxid, 90 ± 10 Gew.-%.

Weiterhin hat sich ein Mischoxidpulver als vorteilhaft erwiesen, welches folgende Merkmale aufweist:

  1. a) BET-Oberfläche 50 ± 10 m2/g
  2. b) Anteil an
    • Silicium, gerechnet als SiO2, 10 ± 5 Gew.-%
    • Eisen, gerechnet als Fe2O3, 85 ± 5 Gew.-%
    • Chlorid 1,0 ± 0,2 Gew.-%
    • Mangan, gerechnet als MnO, 1,8 ± 0,2 Gew.-%
  3. c) mittlerer Durchmesser des Eisenoxides 10 - 30 nm
  4. d) Anteil (Magnetit + Maghemit), bezogen auf Eisenoxid, 90 ± 10 Gew.-%.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Silicium-Eisen-Mischoxidpulvers bei dem man

  1. a) 10 bis 60 Gew.-% ein oder mehrere dampfförmige Halogensiliciumverbindungen, gerechnet als SiO2,
  2. b) 40 bis 90 Gew.-% Eisenchlorid, gerechnet als Fe2O3, in Form einer Lösung und
  3. c) gegebenenfalls 0,005 bis 2 Gew.-% einer oder mehrerer Dotierstoffe, gerechnet als Oxid,
  4. d) getrennt der Hochtemperaturzone eines Reaktors zuführt,
  5. e) in der Hochtemperaturzone bei Temperaturen von 700 bis 2500°C mit einem Überschuss an Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas zur Reaktion bringt,
  6. f) und in einer der Hochtemperaturzone nachfolgenden zweiten Zone des Reaktors, dem Reaktionsgemisch, an einer oder mehreren Stellen, reduzierende Gase in einer Menge zumischt, dass insgesamt in dieser zweiten Zone eine reduzierende Atmosphäre entsteht und die Temperatur auf 500°C bis 150°C reduziert wird,
  7. g) den erhaltenen Feststoff in einer weiteren, dritten Zone, in der ebenfalls noch eine reduzierende Atmosphäre vorliegt, von gasförmigen Stoffen abtrennt und
  8. h) gegebenenfalls den gasförmigen Stoffen soviel Luft zumischt, dass das Abgas keine reduzierende Atmosphäre ergibt.

Unter Lösung im Sinne der Erfindung ist eine solche zu verstehen, bei der der Hauptbestandteil der flüssigen Phase Wasser, Wasser und ein oder mehrere organische Lösungsmittel oder eine Mischung von Wasser mit einem oder mehreren organischen Lösungsmitteln ist. Als bevorzugte organische Lösungsmittel können Alkohole wie Methanol, Ethanol, n-Propanol, iso-Propanol, n-Butanol oder isoButanol oder tert.-Butanol eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind solche Lösungen, bei denen Wasser der Hauptbestandteil ist.

Unter Dotierkomponente im Sinne der Erfindung ist das im erfindungsgemäßen Pulver vorliegende Oxid eines Elementes zu verstehen. Unter Dotierstoff ist die Verbindung zu verstehen, die im Verfahren eingesetzt wird, um die Dotierkomponente zu erhalten. Der Dotierstoff kann entweder getrennt von der Halogensiliciumverbindung und des Eisenchlorides zugeführt werden. Dies kann in Form eines Dampfes oder einer Lösung erfolgen. Der Dotierstoff kann aber auch in Form eines Dampfes zusammen mit der Halogensiliciumverbindung oder als Bestandteil der Eisenchlorid enthaltenden Lösung eingebracht werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur aus einer Flamme resultiert, die durch Zündung eines Gemisches, welches ein oder mehrere Brenngase und ein sauerstoffenthaltendes Gas enthält, erzeugt wird und die in den Reaktionsraum hinein brennt.

Geeignete Brenngase können Wasserstoff, Methan, Ethan, Propan, Erdgas, Acetylen, Kohlenmonoxid oder Gemische der vorgenannten Gase sein. Wasserstoff ist am besten geeignet. Als sauerstoffenthaltendes Gas wird in der Regel Luft eingesetzt.

Das Reaktionsgemisch umfasst neben den Mischoxiden auch die gasförmigen Reaktionsprodukte und gegebenenfalls nicht abreagierte gasförmige Einsatzstoffe. Gasförmige Reaktionsprodukte können beispielsweise Chlorwasserstoff und Kohlendioxid sein.

Das Reaktionsgemisch wird gemäß der Erfindung mit einem reduzierenden Gas oder einem Gemisch eines reduzierenden Gases mit Luft vermischt, welches in Zone II des Reaktors zugegeben wird. Das reduzierende Gas kann beispielsweise Formiergas, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Ammoniak oder Mischungen der vorgenannten Gase sein, wobei Formiergas besonders bevorzugt sein kann. Ein solches reduzierendes Gas wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer solchen Menge zum Reaktionsgemisch gegeben, dass eine reduzierende Atmosphäre entsteht.

Unter einer reduzierenden Atmosphäre im Sinne der Erfindung ist eine solche zu verstehen, bei der der lambda-Wert kleiner als 1 ist.

Lambda errechnet aus dem Quotienten der Summe des Sauerstoffanteiles des sauerstoffhaltigen Gases dividiert durch die Summe aus der zu oxidierenden und/oder zu hydrolysierenden Eisen- und Silciumverbindungen und des wasserstoffhaltigen Brenngases, jeweils in mol/h.

Bei Verwendung von beispielsweise Wasserstoff und Luft in der Hochtemperaturzone (Zone I) und Luft und Formiergas (80:20 N2/H2) in Zone II errechnet sich der lambda-Wert gemäß folgender Formel in Zone II und III zu 0,21·überschüssige Luft aus Zone I/0,5·(H2+0,2·Formiergas) jeweils bezogen auf die eingespeiste Gasmenge pro Zeiteinheit.

Für die Zone I, ist der lambda-Wert größer als 1. Bei Verwendung von Wasserstoff und Luft wird der lambda-Wert in Zone I gemäß folgender Formel bestimmt: 0,21·Luft /0,5· H2.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Verweilzeit in der ersten Zone zwischen 0,8 und 1,5 Sekunden betragen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Summe der Verweilzeiten in der zweiten und dritten Zone zwischen 15 Sekunden und 15 Minuten betragen.

In die zweite Reaktorzone kann weiterhin zusätzlich Wasserdampf eingebracht werden.

Figur 2 zeigt beispielhaft einen schematischen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. I, II und III bezeichnen die drei Reaktionszonen. Weiterhin gilt:

  • 1 = zerstäubte Lösung von Eisenchlorid, die gegebenenfalls noch zusätzliche Dotierstoffe enthält;
  • 2 = Sauerstoff enthaltendes Gas, bevorzugt Luft;
  • 3 = Brenngas, bevorzugt Wasserstoff;
  • 4a = reduzierendes Gas; 4b = Wasserdampf (optional); 4c = Luft (optional)
  • 5 = erfindungsgemäßes Pulver auf Filter abgeschieden;
  • 6 = Abgas

Als Eisenchlorid kann vorzugsweise Eisen(II)chlorid (FeCl2), Eisen(III)chlorid (FeCl3) oder eine Mischung der beiden eingesetzt werden. Das Eisenchlorid wird gemäß der Erfindung als Lösung eingebracht. Die Konzentration an Eisenchlorid kann dabei bevorzugt 1 bis 30 Gew.-% und besonders bevorzugt 10 bis 20 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Lösung, betragen.

Als Halogensiliciumverbindungen können SiCl4, CH3SiCl3, (CH3)2SiCl2, (CH3)3SiCl, (CH3)4Si, HSiCl3, (CH3)2HSiCl, CH3C2H5SiCl2, Disilane mit der allgemeinen Formel RnCl3-nSiSiRmCl3-n, mit R=CH3 und n+m = 2, 3, 4, 5 und 6, sowie Gemische der vorgenannten Verbindungen bevorzugt eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Siliciumtetrachlorid.

Weiterhin können Halogensiliciumverbindungen aus denen bei der Müller-Rochow-Synthese anfallenden Fraktionsschnitten eingesetzt werden, wobei die Fraktionsschnitte gegebenenfalls noch Anteile von C1-C12- Kohlenwasserstoffen enthalten können. Der Anteil dieser Kohlenwasserstoffe kann bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf eine Fraktion, betragen. Gewöhnlich liegen diese Anteile zwischen 0,01 und 5 Gew.-%, wobei der Anteil der C6-Kohlenwasserstoffe, beispielsweise cis- und trans-2-Hexen, cis- und trans-3-Methyl-2-penten, 2,3-Dimethyl-2-buten, 2-Methylpentan, 3-Methylpentan in der Regel überwiegt. Wenn Halogensiliciumverbindungen aus der Müller-Rochow-Synthese eingesetzt werden, erfolgt dies bevorzugt in Gemischen mit Siliciumtetrachlorid.

Die Erfindung umfasst als weiteren Gegenstand ein zweites Verfahren zur Herstellung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulvers Verfahren zur Herstellung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulver bei dem man

  1. a) 10 bis 60 Gew.-% ein oder mehrere dampfförmige Halogensiliciumverbindungen, gerechnet als SiO2,
  2. b) 40 bis 90 Gew.-% Eisenchlorid, gerechnet als Fe2O3, in Form einer Lösung und
  3. c) gegebenenfalls 0,005 bis 2 Gew.-% einer oder mehrerer Dotierverbindungen, gerechnet als Oxid,
  4. d) getrennt der Hochtemperaturzone eines Reaktors zuführt,
  5. e) in der Hochtemperaturzone bei Temperaturen von 700 bis 2500°C in einer Flamme, die durch die Zündung eines Gemisches, welches ein oder mehrere Brenngase und ein sauerstoffenthaltendes Gas enthält, erzeugt wird und die in den Reaktionsraum hinein brennt und bei der Sauerstoff im Unterschuss eingesetzt wird, zur Reaktion bringt,
  6. f) in einer der Hochtemperaturzone nachfolgenden zweiten Zone des Reaktors, dem Reaktionsgemisch, an einer oder mehreren Stellen Luft oder Luft und Wasserdampf in einer Menge zumischt, dass insgesamt in dieser zweiten Zone eine
    • reduzierende Atmosphäre oder
    • oxidierende Atmosphäre entsteht und die Temperatur auf 500°C bis 150°C reduziert wird und
  7. g) den erhaltenen Feststoff in einer weiteren, dritten Zone von gasförmigen Stoffen in der gleichen Atmosphäre wie sie in der zweiten Zone vorliegt, abtrennt, und
  8. h) gegebenenfalls den gasförmigen Stoffen soviel Luft zumischt, dass das Abgas keine reduzierende Atmosphäre ergibt.

Unter einer reduzierenden Atmosphäre im Sinne der Erfindung ist eine solche zu verstehen, bei der der lambda-Wert in Zone I, II und III kleiner als 1 ist.

Unter einer oxidierenden Atmosphäre im Sinne der Erfindung ist eine solche zu verstehen, bei der der lambda-Wert in Zone II und III größer als 1 ist.

Bezüglich der Art der eingesetzten Verbindungen und der Reaktionsparameter gilt, was für das bereits genannte Verfahren beschrieben ist.

Figur 2 zeigt beispielhaft einen schematischen Aufbau zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens. I, II und III bezeichnen die drei Reaktionszonen. Weiterhin gilt:

  • 1 = zerstäubte Lösung von Eisenchlorid, die gegebenenfalls noch zusätzliche Dotierstoffe enthält;
  • 2 = Sauerstoff enthaltendes Gas, bevorzugt Luft;
  • 3 = Brenngas, bevorzugt Wasserstoff (Überschuss);
  • 4a = Luft (Überschuss oder Unterschuss; 4b = Wasserdampf (optional); 4c = Luft (optional);
  • 5 = erfindungsgemäßes Pulver auf Filter abgeschieden;
  • 6 = Abgas.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulvers zur Herstellung von Dispersionen und Pasten.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulvers als Bestandteil von Kautschukmischungen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulvers als Bestandteil von Polymerzubereitungen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulvers als Bestandteil von Klebstoffzusammensetzungen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulvers als Bestandteil von durch Schweißen im elektromagnetischen Wechselfeld erhältlichen Kunststoffverbundformkörpern.

Beispiele Analytische Verfahren

Bestimmung der BET-Oberfläche: Die BET-Oberfläche der erfindungsgemäßen Partikel wurde bestimmt nach DIN 66131.

Bestimmung des Gehaltes an Siliciumdioxid und Eisenoxid:

Ca. 0,3 g der erfindungsgemäßen Partikel werden genau in einen Platintiegel eingewogen und zur Bestimmung des Glühverlustes bei 700°C für 2 h in einem Tiegel geglüht, im Exsikkator abgekühlt und zurückgewogen. Nach Abspülen der Ränder mit Reinstwasser wird das Probenmaterial mit 1 ml H2SO4 p.a. 1:1 und mind. 3 ml HF 40% p.a. auf einer Heizplatte zur Trockene abgeraucht. Der Gewichtsverlust durch das Abrauchen wird als SiO2 angenommen und der Rest als Fe2O3.

Bestimmung des Chlorid-Gehaltes: Ca. 0,3 g der erfindungsgemäßen Partikel werden genau eingewogen, mit 20 ml 20 prozentiger Natronlauge p.a. versetzt, gelöst und unter Rühren in 15 ml gekühlte HNO3 überführt. Der Chlorid-Anteil in der Lösung wird mit AgNO3-Lösung (0,1 mol/l oder 0,01 mol/l) titriert.

Bestimmung der adiabaten Verbrennungstemperatur: Sie errechnet sich aus der Massen- und Energiebilanz der in den Reaktor eingehenden Stoffströme. Bei der Energiebilanz wird sowohl die Reaktionsenthalpie der Wasserstoffverbrennung und der Umsetzung des Siliciumtetrachlorids zu Siliciumdioxid bzw. des Eisen(II)chlorides zu Eisen(II)oxid berücksichtigt als auch die Verdampfung der wässerigen Lösung.

Bestimmung der Verweilzeit: Sie errechnet sich aus dem Quotienten des durchströmten Anlagenvolumens und des Betriebsvolumenstroms der Prozessgase bei adiabater Verbrennungstemperatur.

Bestimmung der Curie-Temperatur: Die Curie-Temperatur wird mittels Thermogravimetrie (TG) bestimmt. Dieser Bestimmungsmethode liegt das Verhalten magnetischer Stoffe zugrunde ihre Magnetisierbarkeit bei einer charakteristischen Temperatur, der Curie-Temperatur, zu verlieren. Das Ausrichten der Elementarmagnete wird dabei wegen zunehmender Wärmebewegung verhindert. Misst man die TG-Kurve einer ferromagnetischen Kurve in einem inhomogenen Magnetfeld, verschwindet die Magnetkraft bei der Curie-Temperatur. Das inhomogene Magnetfeld wird durch Anbringen von zwei Magneten seitlich oberhalb vom Ofenkörper erzeugt. Die plötzliche Kraftänderung am Curie-Punkt bewirkt das Ende der scheinbaren Gewichtszunahme. Die Curie-Temperatur entspricht dabei dem extrapolierten Ende der TG-Stufe. Zur Darstellung des reinen magnetischen Verhaltens wird das erfindungsgemäße Pulver bis 1000°C 1. im Magnetfeld, 2. ohne Magnetfeld aufgeheizt, und Messung 2 von Messung 1 subtrahiert. Diese Differenzkurve zeigt nun das reine magnetische Verhalten. Die TG-Kurve zeigt zu Beginn des Aufheizens eine Zunahme der Magnetkraft, dies entspricht einer scheinbaren Abnahme des Gewichtes. Ab einer bestimmten Temperatur setzt die Abnahme der Magnetkraft ein, was zu einer scheinbaren Gewichtszunahme führt. Diese Gewichtszunahme endet bei der Curie-Temperatur.

Röntgendiffraktogramme (XRD)

  • Messung: Reflexion, &thgr;/&thgr;- Diffraktometer, Co-K&agr;, U = 40kV, I = 35mA Linearer PSD mit Fe- Filter, Probendrehung
  • Blenden : 2x8mm, 0,8mm
  • Winkelbereich (2Theta): 15 - 112,5°
  • Schrittweite: 0,2°
  • Auswertung: Rietveld-Programm SiroQuant®.

Beispiele

Beispiel 1: 0,87 kg/h SiCl4 werden verdampft und mit 7,0 Nm3/h Wasserstoff sowie 18,00 Nm3/h Luft in eine Mischzone eingespeist.

Zusätzlich wird ein Aerosol, das aus einer 25 gewichtsprozentigen Lösung von Eisen(II)chlorid, entsprechend 4,60 kg/h Eisen(II)chlorid, in Wasser mittels einer Zweistoffdüse, erhalten wird, mittels eines Traggases (3 Nm3/h Stickstoff) in die Mischzone innerhalb des Brenners eingebracht. Das homogen gemischte Gas-Aerosol-Gemisch verbrennt in der Zone I des Reaktors bei einer adiabaten Verbrennungstemperatur von etwa 1300°C und einer Verweilzeit von etwa 40 msec.

Anschließend wird dem aus der Zone I austretenden Reaktionsgemisch in einer Zone II 6500 Nm3/h Formiergas (80:20 Vol% N2/H2) zugemischt. Dadurch kühlt das gesamte Reaktionsgemisch auf 250°C ab.

In der der Zone II nachfolgenden Zone III wird der Feststoff auf einem Filter von den gasförmigen Stoffen abgeschieden und dem Abgasstrom wird 10 Nm3/h Luft beigemischt.

Die physikalisch-chemischen Werte des erhaltenen Feststoffes sind in Tabelle 1 wiedergegeben.

Beispiel 2: Wie Beispiel 1, jedoch mit unterschiedlichen Einsatzstoffmengen für SiCl4 und FeCl2.

Beispiel 3: Wie Beispiel 1, jedoch unter Verwendung einer Lösung von 97 Teilen Eisen(II)chlorid und 3 Teilen Eisen(III)chlorid anstelle einer Lösung von Eisen(II)chlorid.

Beispiel 4: Wie Beispiel 1, jedoch unter Verwendung einer Lösung von Eisen(III)chlorid anstelle einer Lösung von Eisen(II)chlorid. Weiterhin werden zusätzlich 6,0 Nm3/h Wasserdampf in die Zone II eingeleitet.

Beispiel 5-7: Wie Beispiel 1, jedoch unter Verwendung einer Lösung aus 25 Gew.-% Eisen(II)chlorid und 20 Gew.-% Mangan (II) chlorid.

Beispiel 8: 0,28 kg/h SiCl4 werden verdampft und mit 7,0 Nm3/h Wasserstoff sowie 16 Nm3/h Luft in eine Mischzone eingespeist.

Zusätzlich wird ein Aerosol, das aus einer 25 gewichtsprozentigen Lösung von Eisen(II)chlorid in Wasser mittels einer Zweistoffdüse, erhalten wird, mittels eines Traggases (4,0 Nm3/h Stickstoff) in die Mischzone innerhalb des Brenners eingebracht. Das homogen gemischte Gas-Aerosol-Gemisch verbrennt in der Zone I des Reaktors bei einer adiabaten Verbrennungstemperatur von etwa 1230°C und einer Verweilzeit von etwa 50 msec.

Anschließend wird dem aus der Zone I austretenden Reaktionsgemisch in einer Zone II 12 kg/h Quenchluft zugemischt. Dadurch kühlt das gesamte Reaktionsgemisch auf 280 °C ab.

In der der Zone II nachfolgenden Zone III wird der Feststoff auf einem Filter von den gasförmigen Stoffen abgeschieden. Dabei liegt bei der Abscheidung eine oxidierende Atmosphäre vor.

Beispiel 9: wie Beispiel 8, jedoch unter Verwendung einer Lösung aus 25 Gew.-% Eisen(II)chlorid und 20 Gew.-% Mangan(II)chlorid. Weiterhin werden zusätzlich 8 kg/h Wasserdampf in die Zone II eingeleitet.

In der der Zone II nachfolgenden Zone III wird der Feststoff auf einem Filter von den gasförmigen Stoffen abgeschieden. Dabei liegt bei der Abscheidung eine reduzierende Atmosphäre vor.

Einsatzstoffe, Einsatzmengen und Reaktionsparameter der Beispiele 1 bis 9 sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Die physikalisch-chemischen Werte der erhaltenen Feststoffe sind in Tabelle 2 wiedergegeben.

Vergleichsbeispiel 1 (Vgl-1): 0,14 kg/h SiCl4 werden bei ca. 200°C verdampft und mit 3,5 Nm3/h Wasserstoff sowie 15 Nm3/h Luft in eine Mischzone eingespeist. Zusätzlich wird ein Aerosol, das aus einer 10 gewichtsprozentigen wässerigen Eisen(III)chloridlösung, entsprechend 1,02 kg/h Eisen(II)chlorid, mittels einer Zweistoffdüse, erhalten wird, mittels eines Traggases (3 Nm3/h Stickstoff) in die Mischzone innerhalb des Brenners eingebracht.

Das homogen gemischte Gas-Aerosol-Gemisch verbrennt dort bei einer adiabaten Verbrennungstemperatur von etwa 1200°C und einer Verweilzeit von etwa 50 msec.

Nach der Flammenhydrolyse werden die Reaktionsgase und das entstandene Pulver abgekühlt und mittels eines Filter wird der Feststoff von dem Abgasstrom abgetrennt. In einem weiteren Schritt werden durch Behandlung mit wasserdampfhaltigem Stickstoff noch anhaftende Salzsäurereste vom Pulver entfernt.

Das Pulver weist einen Eisenoxidanteil von 50 Gew.-%, eine BET-Oberfläche von 146 m2/g, einen Chloridgehalt von 368 ppm und eine Sättigungsmagnetisierung von 17 Am2/kg auf.

Vergleichsbeispiel 2 (Vgl-2): Wie Vgl-1, jedoch unter Einsatz von 0,23 kg/h SiCl4 und 0,41 kg/h FeCl3. Das Pulver weist einen Eisenoxidanteil von 50 Gew.-%, eine BET-Oberfläche von 174 m2/g, einen Chloridgehalt von 220 ppm und eine Sättigungsmagnetisierung von 6,5 Am2/kg auf.

Vergleichsbeispiel 3 (Vgl-3): Wie Vgl-1, jedoch unter Einsatz von 0,21 kg/h SiCl4 und 0,40 kg/h FeCl2.

Das Pulver weist einen Eisenoxidanteil von 25 Gew.-%, eine BET-Oberfläche von 143 m2/g, einen Chloridgehalt von 102 ppm und eine Sättigungsmagnetisierung von 10,4 Am2/kg auf.

Röntgendiffraktogramme (XRD): Hämatit ist wegen der freistehenden Reflexe eindeutig identifizierbar. Die Reflexe des Magnetits und des Maghemits überlagern sehr stark. Der Maghemit ist signifikant anhand der Reflexe (110) und (211) im vorderen Winkelbereich nachweisbar. Mit Hilfe der Rietveld- Methode wird die quantitative Phasenanalyse ausgeführt (Fehler ca. 10% relativ). Figur 3 zeigt das Röntgendiffraktogramm des Pulvers aus Beispiel 5.

Magnetisierung: Die Sättigungsmagnetisierung ist das maximal erreichbare magnetische Moment pro Volumeneinheit. Die Sättigungsmagnetisierung wird in unendlich großen Magnetfeldern erreicht. Die Magnetisierung, die sich bei einem äußeren Feld von B = 5 T einstellt entspricht näherungsweise der Sättigungsmagnetisierung und wird als Maß für die Magnetisierbarkeit herangezogen. Die Sättigungsmagnetisierung der erfindungsgemäßen aus den Beispielen 1 bis 9 ist deutlich höher als die der Vergleichsbeispiele 1 bis 3.

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM):

Für die Mangan enthaltenden erfindungsgemäßen Pulver aus den Beispielen 5-7 wurden mittels HR-TEM-Aufnahmen die Gitterabstände bestimmt. Die Pulver zeigen Gitterabstände von 0,25 nm, 0,26 nm und 0,27 nm. Diese Werte stimmen sehr gut mit den Referenzwerten für Maghemit 0,25 nm, Magnetit 0,252 nm und Hämatit 0.269 überein. Werte, die für das Vorliegen eines Manganoxides sprechen würden, werden nicht gefunden. Daraus ist auch zu schließen, dass Mangan in das Gitter des Eisenoxides eingebaut ist.

Das erfindungsgemäße Silicium-Eisen-Mischoxidpulver zeichnet sich durch ausgezeichnete magnetische Eigenschaften auf. Entgegen den in der Literatur beschriebenen negativen Einflüssen von Chlorid auf die magnetischen Eigenschaften, zeigt die vorliegende Erfindung, dass bis zu 3 Gew.-% Chlorid im Pulver ohne Auswirkung auf die magnetischen Eigenschaften bleiben. Vielmehr erlauben die neuen, erfindungsgemäßen Verfahren, die Herstellung von Pulvern mit hohem Chloridgehalt, deren Sättigungsmagnetisierungen deutlich über denen aus dem Stand der Technik liegen. Die Verfahren erlauben es zudem, große Mengen an Pulver kostengünstig herzustellen.

Die erfindungsgemäßen Pulver können vielseitig eingesetzt werden.

Beispiele 11 A-C: Herstellung von Dispersionen

Beispiel 11A: 12,0 g des Pulvers aus Beispiel 5 werden in 108 g destilliertes Wasser gegeben und anschließend soviel 1M NaOH zugegeben, dass der pH-Wert zwischen 9,1 und 9,2 liegt. Mittels eines Dissolvers wird 5 min bei 2000 U/min dispergiert. Der pH-Wert der Dispersion beträgt 9,1, der Gehalt an erfindungsgemäßem Pulver 10 Gew.-% und der mittlere Partikeldurchmesser d50 320 nm.

Beispiel 11B: wie Beispiel 11A, jedoch anschließend an Dispergierung mittels Dissolver, Dispergierung mittels eines Ultraturrax über einen Zeitraum von 5 min bei 10 000 U/min. Der pH-Wert der Dispersion beträgt 9,1, der Gehalt an erfindungsgemäßem Pulver 10 Gew.-% und der mittlere Partikeldurchmesser d50 180 nm.

Beispiel 11C: wie Beispiel 11B, jedoch anschließend an Dispergierung mittels Dissolver und Ultraturrax, Dispergierung mittels Ultraschall über einen Zeitraum von 4 min bei einer Amplitude von 80 %. Der pH-Wert der Dispersion beträgt 9,1, der Gehalt an erfindungsgemäßem Pulver 10 Gew.-% und der mittlere Partikeldurchmesser d50 140 nm.

Beispiele 12: Kautschukmischungen

Das erfindungsgemäße Silicium-Eisen-Mischoxidpulver kann in Kautschukmischungen eingearbeitet werden. Dies kann beispielsweise mit den in Tabelle 3A gezeigten Einsatzstoffen und der in Tabelle 3B gezeigten Vorschrift erfolgen.

Die Proben können in einem Hochfrequenzfeld rasch aufgeheizt werden, wobei gleichzeitig die Menge an erfindungsgemäßem Pulver gering ist.

Beispiel 13: Klebstoffzusammensetzungen

25 g des Pulvers aus Beispiel 1 werden in 100 ml Ethanol suspendiert und 20 g Oxy-bis(benzosulfohydrazid) als Treibmittel zugegeben. Die Mischung wird unter Rühren für 5 Stunden auf 60°C erwärmt und anschließend das Lösemittel am Rotationsdampfer abgezogen. Die trockene Formulierung wird in der Kugelmühle für 3 Minuten gemahlen und anschließend gesiebt. Die Fraktion mit einer Korngröße von nominell kleiner 63 µm wird für die weiteren Versuche verwendet. 10 g dieses Pulvers werden mit 300 g des feuchtigkeitshärtenden einkomponentigen Polyurethanklebstoffes Dinitrol PUR 501 FC (Dinol GmbH) in dem mit Knethaken versehenen Mischer Planimax (Molteni) mit vermischt. Es wird 15 Minuten auf Stufe 1 (150 Upm) geknetet. Tabelle 1: Reaktionsparameter der erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 9 Beispiel 1 2 3 4 5 6 7 8 9 SiCl4 kg/h 0,87 2,54 1,56 1,56 1,56 0,28 1,747 0,34 0,34 Wasserstoff Nm3/h 7,00 6,60 6,60 6,60 6,60 6,60 6,60 7,00 8,00 Luft Nm3/h 18,00 17,50 18,50 18,50 18,50 17,50 18,50 15,0 15 FeCl2 kg/h 4,60 2,46 0 0 4,50 4,50 4,122 4,45 4,360 FeCl3 kg/h 0 0 4,5 4,5 0 0 0 0 0 MnCl2 kg/h 0 0 0 0 0,060 0,090 0,128 0 0,087 Traggas Nm3/h 3 5 4 4 4 4 4 3 3 Adiabate Temp. °C 1300 1150 1200 1200 1200 1250 1200 1280 1210 Verweilzeit ms 40 50 50 50 50 50 50 50 50 Formiergas* Nm3/h 6500 4500 6000 6000 6000 4000 6000 0 0 Quenchluft Nm3/h 0 0 0 0 0 0 0 12 3 Wasserdampf kg/h 6,0 7,0 4,0 0 0 5,0 0 0 8,0 Temperatur** °C 250 225 400 380 390 300 390 280 260 Abscheidung*** red. red. red. red. red. red. red. ox. red. * 4:1 Volumenanteile H2/N2; ** Nach Abkühlung; *** red. (ox.) = Abscheidung des Pulvers in reduzierender (oxidierender) Atmosphäre
Tabelle 2: Physikalisch-chemische Werte der Pulver aus den Beispielen 1 bis 9 Beispiel 1 2 3 4 5 6 7 8 9 BET-Oberfläche m2/g 30 70 50 53 48 50 52 60 56 ∅ Eisenoxida) Nm 10-40 10-20 10-30 10-30 10-30 10-30 10-30 10-25 10-25 Siliciumdioxid Gew.-% 29 69 48 48 48,5 14,6 48,5 14 13 Eisenoxid Gew.-%b) 68,5 28 49 49 49 82 48 83 83 Maghemit % 26 20 20 51 20 22 21 63 65 Magnetit % 61 75 65 22 70 69 71 30 30 Hämatit % 9 5 10 17 7 9 8 5 5 beta-Fe2O3 % 4 0 5 10 3 0 0 2 0 Chlorid Gew.-% 1,5 1,9 2,0 3,0 1,93 1,54 1,5 2,0 2,0 Manganoxid Gew.-%c) 0, 6 0,1 0,8 0, 6 0,67 1,8 2,0 0,4 2,0 Sättigungsmagnetisierung Am2/kg 51,3 20,7 43,6 28,6 44,9 56,8 48,6 58,5 57,0 Sättigungsmagnetisierung/ Fe2O3 Am2/ kg Fe2O3 74,9 73,9 89,0 58,4 91,6 69,3 101,3 92,9 68,7 Curie-Temperatur °C 613 596 610 601 640 630 613 605 613 a) ∅ = mittlerer Partikeldurchmesser Eisenoxid; b) als Fe2O3; c) als MnO2;
Tabelle 3A: Einsatzstoffe für Kautschukmischung Beispiel 12A 12B Stufe 1 EPDM Keltan® 8340 A phr(§) 60 60 EPDM Keltan® 578 phr 40 40 Ruß Corax® N 550 phr 40 40 Ruß Corax® N 990 phr 80 80 ZnO RS RAL 844 C phr 3 3 Edenor ST1 GS phr 1,5 1,5 Sunpar 150 phr 60 60 Pulver aus Beispiel 6 phr

Gew.-%(*)
5,85

1,98
14,55

4,78
Stufe 2 Summe Stufe 1 phr 290,35 299,05 Rhenogran® TMTD-80 phr 1,25 1,25 Rhenogran S-80 phr 0,38 0,38 Rhenogran® ZDMC-80 phr 1,88 1,88 Rhenogran® ZDBC-80 phr 1,88 1,88 Keltan®: DSM; Corax®: Degussa; Edenor: Caldic Deutschland; Sunpar: Sun Oil Company; Rhenogran®: Rheinchemie; (§)phr: parts per hundred rubber; (*)bezogen auf die gesamte, beschleunigte Kautschukmischung
Tabelle 3B: Herstellung der Kautschukmischungen Stufe 1 Mischaggregat Brabender 350S Drehzahl 80 / min Stempeldruck 5 bar Leervolumen 0,39 Liter Fûllgrad 0,68 Durchflusstemperatur 80°C Mischvorgang 0min - 1min alle Komponenten der 1. Stufe 1min Sâubern 1min - 3,5min mischen 3,5min Ausfahren Batch Temperatur 135°C - 145°C Lagerung 4 Stunden bei Raumtemperatur Stufe 2 Mischaggregat Brabender 350S Drehzahl 50 / min Stempeldruck 5 bar Leervolumen 0,39 Liter Fûllgrad 0,66 Durchflusstemperatur 50°C Mischvorgang 0min Batch der 1. Stufe, Beschleuniger und Vernetzungschemikalien zugeben 0min - 2,5min Mischen 2,5min ausfahren und auf Labormischwalzwerk Fell bilden: Homogenisieren: 3* links, 3* rechts einschneiden und 8 * bei engem Walzenspalt (1mm) und 3* bei weitem Walzenspalt (3,5mm) stûrzen Fell ausziehen Batch Temperatur 95°C - 105°C

Mit dem so modifizierten Klebstoff wird eine Dickschichtklebung aus einem sandgestrahlten und entfetteten Aluminiumblech und einer 3mm dicken Floatglasscheibe angefertigt. Die Überlappungslänge ist 25 mm und die Klebschichtdicke 3 mm. Nach einer Härtungszeit von 1 Woche bei 25°C und 50 % relativer Luftfeuchte wird die Verbindung durch induktive Anregung wieder getrennt.

Das Trennen der Verbindung erfolgt durch Anregen mit einem Halbleitergenerator M230 der Firma STS. Die Anregungsfrequenz dieses Generators ist 300 kHz. Zur induktiven Anregung des Klebstoffes in der Klebverbindung wird eine Spule mit drei Windungen und einem Innendurchmesser von 3 cm verwendet. Die Klebfläche wird in der Mitte der Spule senkrecht zur Spulenachse orientiert. Bei einer Leistung von 3000 W und einer Einwirkzeit von 2 min ist der Klebstoff durch das Aufschäumen des Treibmittels zerstört. Die beiden Fügeteile können einfach auseinander genommen werden.

Beispiele 14: Durch Schweißen im elektromagnetischen Wechselfeld erhältliche Kunststoffverbundformkörper

2 kg der erfindungsgemäßen Mischoxidpartikel aus Beispiel 5 werden mit 8 kg Polyamidgranulat (Vestamid® L1901; Bezeichnung nach ISO 1874-1: PA12, XN, 18-010; Degussa AG) in einem Doppelschneckenextruder ZE25-33D der Firma Berstorff bei 250°C und einem Durchsatz von 10 kg/h schmelzgemischt, stranggepresst und granuliert. Die Granulate werden anschließend zu Platten der Stärke 1 mm extrudiert.

Eine jegliche solche Platte wird zwischen je eine Platte des gleichen oder unterschiedlichen Kunststoff-Basismaterials (ohne erfindungsgemäßes Pulver) gelegt und dieser Mehrschichtaufbau mit Klebeband fest umwickelt. Anschließend wurde der Mehrschichtaufbau in ein elektromagnetisches Wechselfeld für vorgegebene Zeiten bei 100% Leistungsaufnahme gegeben.

Die Induktorspule hat dabei die folgenden Daten:

  • Abmessungen: 200 x 45 x 40 mm3 (L x B x H), Material: Kupferrohr Vierkant 10 x 6 x 1 mm, Leistungsquerschnitts-Fläche: 28 mm2, Spulenzuführungslänge: 120 mm,
  • Spulenwindungszahl: 3, Spulenwicklungslänge (eff.): 35 mm, Spulendurchmesser (Innen): 20 mm bis 40 mm,
  • Spuleninnenfläche: 720 mm2, Induktivität (bei 100 kHz): ca. 270 nH, Arbeitsfrequenz: 323 kHz
  • Der verwendete Hochfrequenz-Halbleiter-Generator weist folgende folgenden Daten auf: Hersteller: STS - Systemtechnik Skorna GmbH, Typenbezeichnung: STS Typ M260S, Klemmleistung: 6 kW, Induktivitätsbereich: 250 - 1200 nH,
  • Arbeitsfrequenz: 150 - 400 kHz (323 kHz mit der verwendeten Induktorspule).

Nach dem Entfernen der Probe aus dem Wechselfeld wird die Haftfestigkeit nach folgenden Noten beurteilt:

Bei einem Mehrschichtenaufbau

  1. a) Vestamid® L1901 - Beispiel 14A - Vestamid® L1901 oder
  2. b) Vestamid® L1901 - Beispiel 14A - Trogamid® X7323 oder
  3. c) Vestamid® L1901 - Beispiel 14A - Trogamid® X7323 und
einer Schweißdauer von 30 s wird eine Haftungsnote von jeweils 4 ermittelt. Dabei gilt: 0 = keine Haftung, 1 = geringfügige Haftung, 2 = etwas Haftung; mit geringem Aufwand zu trennen, 3 = gute Haftung; nur mit großem Aufwand und gegebenenfalls mit Hilfe von Werkzeugen zu trennen, 4 = untrennbare Haftung; Trennung nur durch Kohäsionsbruch.


Anspruch[de]
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver mit magnetischen Eigenschaften in Form aggregierter Primärpartikel, wobei a) TEM-Aufnahmen das Vorliegen von Primärpartikeln aus räumlich voneinander getrennten Bereichen von Siliciumdioxid und Eisenoxid zeigen und der mittlere Partikeldurchmesser des Eisenoxides 2 bis 100 nm ist und b) der Anteil an - Silicium, gerechnet als SiO2, 5 bis 65 Gew.-% - Eisen, gerechnet als Fe2O3, 30 bis 90 Gew.-% - und der Anteil an Silicium und Eisen, jeweils als oben genannte Oxide gerechnet, mindestens 95 Gew.-% beträgt c) der Anteil an Chlorid 0,2 bis 3 Gew.-% beträgt. Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der Anteil an Silicium, gerechnet als SiO2, 50 ± 10 Gew.-% oder 20 ± 10 Gew.-% ist.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Eisen, gerechnet als Fe2O3, 50 ± 10 Gew.-% oder 80 ± 10 Gew.-% ist.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Chlorid 0,5 bis 2,5 Gew.-% beträgt.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärpartikel eine Hülle aus Siliciumdioxid mit einer Dicke von 1 bis 15 nm aufweisen.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Eisenoxid als Hauptbestandteil Magnetit und/oder Maghemit umfasst.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

dass der Anteil von Magnetit und/oder Maghemit, bezogen auf die Eisenoxide, mindestens 80% ist.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach den Ansprüchen oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis Maghemit/Magnetit 0,3:1 bis 100:1 ist.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens eine Dotierkomponente enthält.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

dass der Anteil an Dotierkomponente 0,005 bis 2 Gew.-% ist.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass seine BET-Oberfläche 40 bis 70 m2/g ist.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel mit Poly(meth)acrylaten umhüllt sind.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Sättigungsmagnetisierung von 40 bis 120 Am2/kg Fe2O3 aufweist.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass es die folgenden Merkmale aufweist: c) BET-Oberfläche 50 ± 5 m2/g d) Anteil an - Silicium, gerechnet als SiO2, 50 ± 5 Gew.-% - Eisen, gerechnet als Fe2O3, 45 ± 5 Gew.-% - Chlorid 1,5 ± 0,5 Gew.-% - Mangan, gerechnet als MnO, 0,5 ± 0,3 Gew.-%, wobei sich die Summe der Oxide zu 100% addiert, e) mittlerer Durchmesser des Eisenoxides 10-30 nm f) Anteil (Magnetit + Maghemit), bezogen auf Eisenoxid, 90 ± 10 Gew.-%.
Silicium-Eisen-Mischoxidpulver

nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass es die folgenden Merkmale aufweist: e) BET-Oberfläche 50 ± 10 m2/g f) Anteil an - Silicium, gerechnet als SiO2, 10 ± 5 Gew.-% - Eisen, gerechnet als Fe2O3, 85 ± 5 Gew.-% - Chlorid 1,0 ± 0,2 Gew.-% - Mangan, gerechnet als MnO, 1,8 ± 0,2 Gew.-% g) mittlerer Durchmesser des Eisenoxides 10 - 30 nm h) Anteil (Magnetit + Maghemit), bezogen auf Eisenoxid, 90 ± 10 Gew.-%.
Verfahren zur Herstellung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulver gemäß den Ansprüchen 1 bis 15,

dadurch gekennzeichnet,

dass man a) 5 bis 65 Gew.-% ein oder mehrere dampfförmige Halogensiliciumverbindungen, gerechnet als SiO2, b) 30 bis 90 Gew.-% Eisenchlorid, gerechnet als Fe2O3, in Form einer Lösung und c) gegebenenfalls 0,005 bis 2 Gew.-% einer oder mehrerer Dotierverbindungen, gerechnet als Oxid, d) getrennt der Hochtemperaturzone eines Reaktors zuführt, e) in der Hochtemperaturzone bei Temperaturen von 700 bis 2500°C mit einem Überschuss an Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas zur Reaktion bringt, f) und in einer der Hochtemperaturzone nachfolgenden zweiten Zone des Reaktors, dem Reaktionsgemisch, an einer oder mehreren Stellen, reduzierende Gase in einer Menge zumischt, dass insgesamt in dieser zweiten Zone eine reduzierende Atmosphäre entsteht und die Temperatur des Reaktionsgemisches auf 500°C bis 150°C reduziert wird, g) den erhaltenen Feststoff in einer weiteren, dritten Zone, in der ebenfalls noch eine reduzierende Atmosphäre vorliegt, von gasförmigen Stoffen abtrennt und h) gegebenenfalls den gasförmigen Stoffen soviel Luft zumischt, dass das Abgas keine reduzierende Atmosphäre ergibt.
Verfahren nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Temperatur aus einer Flamme resultiert, die durch Zündung eines Gemisches, welches ein oder mehrere Brenngase und ein sauerstoffenthaltendes Gas enthält erzeugt wird und die in den Reaktionsraum hinein brennt.
Verfahren nach den Ansprüchen 16 oder 17,

dadurch gekennzeichnet,

dass als reduzierende Gase Formiergas, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Ammoniak oder Mischungen dieser Gase eingesetzt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 18,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Verweilzeit in der ersten Zone zwischen 0,8 und 1,5 Sekunden beträgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 19,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Summe der Verweilzeit in der zweiten und dritten Zone zwischen 15 Sekunden und 15 Minuten beträgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 20,

dadurch gekennzeichnet,

dass man in die zweite Reaktorzone zusätzlich Wasserdampf einbringt.
Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 21,

dadurch gekennzeichnet,

dass man als Eisenchlorid Eisen(II)chlorid einsetzt.
Verfahren nach den Ansprüchen 16 bis 22,

dadurch gekennzeichnet,

dass man als Halogensiliciumverbindung Siliciumtetrachlorid einsetzt.
Verfahren zur Herstellung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulver gemäß den Ansprüchen 1 bis 15,

dadurch gekennzeichnet,

dass man a) 5 bis 65 Gew.-% ein oder mehrere dampfförmige Halogensiliciumverbindungen, gerechnet als SiO2, b) 30 bis 90 Gew.-% Eisenchlorid, gerechnet als Fe2O3, in Form einer Lösung und c) gegebenenfalls 0,005 bis 2 Gew.-% einer oder mehrerer Dotierverbindungen, gerechnet als Oxid, d) getrennt der Hochtemperaturzone eines Reaktors zuführt, e) in der Hochtemperaturzone bei Temperaturen von 700 bis 2500°C in einer Flamme, die durch die Zündung eines Gemisches, welches ein oder mehrere Brenngase und ein sauerstoffenthaltendes Gas enthält, erzeugt wird und die in den Reaktionsraum hinein brennt und bei der Sauerstoff im Unterschuss eingesetzt wird, zur Reaktion bringt, f) in einer der Hochtemperaturzone nachfolgenden zweiten Zone des Reaktors, dem Reaktionsgemisch, an einer oder mehreren Stellen Luft oder Luft und Wasserdampf in einer Menge zumischt, dass insgesamt in dieser zweiten Zone eine - reduzierende Atmosphäre oder - oxidierende Atmosphäre entsteht und die Temperatur auf 500°C bis 150°C reduziert wird und g) den erhaltenen Feststoff in einer weiteren, dritten Zone von gasförmigen Stoffen der gleichen Atmosphäre wie sie in der zweiten Zone vorliegt, abtrennt, und h) gegebenenfalls den gasförmigen Stoffen soviel Luft zumischt, dass das Abgas keine reduzierende Atmosphäre ergibt.
Verwendung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulvers gemäß den Ansprüchen 1 bis 15 zur Herstellung von Dispersionen. Verwendung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulvers gemäß den Ansprüchen 1 bis 15 als Bestandteil von Kautschukmischungen. Verwendung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulvers gemäß den Ansprüchen 1 bis 15 als Bestandteil von Polymerzubereitungen. Verwendung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulvers gemäß den Ansprüchen 1 bis 15 als Bestandteil von Klebstoffzusammensetzungen. Verwendung des Silicium-Eisen-Mischoxidpulvers gemäß den Ansprüchen 1 bis 15

als Bestandteil von durch Schweißen im elektromagnetischen Wechselfeld erhältlichen Kunststoffverbundformkörpern.






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