МАГНИТНЫЙ ПИГМЕНТ НА ОСНОВЕ МАГНИТОПРОНИЦАЕМОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТОПРОНИЦАЕМОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА ДЛЯ МАГНИТНОГО ПИГМЕНТА, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА МАГНЕТИТА ДЛЯ МАГНИТНОГО ПИГМЕНТА Российский патент 1997 года по МПК B22F1/00 B22F9/30 C09D5/23 

Изобретение относится к области производства многокомпонентных материалов с магнитными свойствами и может быть использовано в лакокрасочной промышленности как компонент красок, в копировальной технике, в полиграфии, в производстве магнитных носителей информации и так далее.

Известен пигмент из капсул газовой сажи, содержащий газовую сажу марки Карбон ХС-72 природного асфальта, ксилол, изоцианат и гидроксилпропил [1]
Такой пигмент не обладает магнитными свойствами и может использоваться лишь для получения лакокрасочных покрытий.

Известен также пигмент на основе магнитопроницаемого технического углерода, получаемый из содержащих металл частиц углерода и металлоорганического соединения, которое присутствует в растворе сырья в количестве, достаточном для получения массового отношения, составляющего не менее 5 и не более 50 мас.ч. металла на 100 частиц углерода [2]
Такой пигмент имеет сложный состав и, следовательно, высокую стоимость.

Задачей изобретения является получение более дешевого пигмента, обладающего магнитными свойствами и более простого способа его получения.

Сущность изобретения заключается в том, что магнитный пигмент на основе магнитопроницаемого технического углерода содержит технический углерод с размерами агрегатов 0,2-0,3 мкм и размерами частиц в агрегате 18-22 нм, покрытых пленкой магнетита, полученного путем разложения водной эмульсии гидроокси железа, при следующем соотношении компонентов, мас.

Магнетит 10-20
Технический углерод Остальное
При содержании магнетита менее 10% ухудшаются магнитные свойства пигмента, а увеличение доли магнетита более 20% вызывает снижение цветовой насыщенности пигмента. Получаемый пигмент имеет хорошие диэлектрические и магнитные характеристики, насыщенный черный цвет, что позволяет его использовать в производстве ксерокопировальных порошков.

Известен способ получения железосодержащего расширенного графита, включающий обработку дисперсного железосодержащего графита концентрированной серной кислотой с окислителем, промывку, сушку и последующую термообработку для расширения, отличающийся тем, что термообработку ведут в среде газа восстановителя, а в качестве железосодержащего графита используют графитосодержащие отходы металлургического производства [3]
Недостатком способа является невозможность получения ультрадисперсного продукта и использование дорогостоящего реагента серной кислоты.

Известен способ получения порошка на основе оксида металла, включающий смешивание исходных компонентов, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов используют концентрат оксидных соединений металла и сажу, а после смешивания осуществляют избирательное восстановление, причем избирательное восстановление ведут до получения железа в металлической фазе [4]
Недостаток способа заключается в том, что он не позволяет получить ультрадисперсные частицы сажи с магнитными свойствами, так как по своей структуре металлические частицы железа не могут образовывать композиты с частицами сажи.

Из известных технических решений наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому объекту является способ получения магнитопроницаемого технического углерода, включающий получение раствора сырья путем соединения жидкого углеводорода, растворимого в углеводороде разложимого под действием тепла металлоорганического соединения, включающего органическую часть и не менее одного металла, выбранного из группы, состоящей из железа, никеля и кобальта и их смесей, и соль органической кислоты и металла второй группы, состоящей из бария и алюминия; сжигание углеводородного топлива кислородсодержащим газом с получением горячего газа горения, имеющего температуру не менее 2300 K; инжектирование раствора сырья в горящую смесь для разложения раствора сырья в смесь продуктов разложения, включая содержащие металл частицы углерода; при этом указанное металлоорганическое соединение присутствует в растворе сырья в количестве, достаточном для получения ммассового отношения, составляющего не менее 5 и не более 60 мас.ч. указанного металла первой группы на 100 частей указанных частиц [2]
Этот способ имеет следующие недостатки. Сложность состава раствора сырья требует большего времени его приготовления и повышает стоимость получаемого продукта. Трудность контроля и управления процессом получения продукта из-за использования для получения требуемой температуры процесса сжигания углеводородного топлива.

Целью изобретения является разработка способа получения магнитопроницаемого технического углерода для магнитного пигмента с использованием более дешевого сырья, позволяющего управлять режимом технологического процесса. При этом одновременно решается задача утилизации экологически вредных отходов промышленных производств.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения магнитопроницаемого технического углерода для магнитного пигмента, основанном на смешивании углеродных частиц с частицами, обладающими магнитными свойствами, частицы технического углерода смешивают с пороком магнетита в соотношении, мас. порошок магнетита 10 20, технический углерод - остальное, с последующим нагреванием смеси в графитовом тигле токами высокой частоты при температуре 1800 2100 K в течение 3 5 мин. Нагрев смеси в графитовом тигле не ухудшает состав продукта, а использование тигля из электропроводящего материала дает возможность применить высокочастотный нагрев, при котором за короткое время достигается температура 1800 2100 K, необходимая для термодиффузии паров магнетита в межслойные промежутки частиц технического углерода. Механизм термодиффузии основан на том, что магнетит не имеет жидкой фазы, а при температуре 1800 K возгоняется и его пары конденсируются на развитой поверхности сажевых частиц. При этом получается не просто механическая смесь магнитных частиц и пигмента, а каждая отдельная частица технического углерода приобретает магнитные свойства.

Известен способ получения ультрадисперсного порошка металлического железа, включающий сушку дисперсного соединения железа, восстановление его водородом при 250 400^oC в течение 2 4 ч, погружение в раствор стабилизатора, фильтрацию, промывку растворителем и высушивание на воздухе, отличающийся тем, что в качестве дисперсного соединения железа берут оксигидрооксид железа, сушку проводят при 80 100^oC и 11230 25270 Па, восстановление ведут в псевдоожиженном слое при скорости подачи водорода (28 - 42) л/ч, в качестве стабилизатора берут (0,1 0,5)%-ный раствор олеиновой кислоты в гексане или декане, а в качестве растворителя гексан или декан [5]
Однако известный способ обладает следующими недостатками. Использование в качестве сырья оксигидрооксида железа, в качестве восстановителя водорода, а также растворителей гексана или декана существенно повышает стоимость получаемого продукта. Кроме того, многостадийность процесса приводит к большим временным затратам.

Известен также способ получения железооксидного пигмента, включающий окисление железосодержащей суспензии кислородом, отделение полученного осадка от фильтрата, подачу последнего на окисление суспензии и термообработку отфильтрованного осадка, отличающийся тем, что железосодержащую суспензию готовят путем электроэрозионного диспергирования металлического железа и перед окислением через полученную суспензию пропускают углекислый газ [6]
Недостатком способа является необходимость использования металлического железа и большие затраты на его электроэрозионное диспергирование.

Из известных технических решений наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому объекту является способ получения магнетита, включающий смешивание оксида железа с восстановителем, нагревание смеси при температуре 740-840^oC и охлаждение в закрытом объеме в инертной среде [7]
Недостатком описанного способа является необходимость использования исходной смеси в виде оксида железа, невозможность получения ультрадисперсных порошков продукта, так как его гранулометрический состав будет определяться дисперностью исходного порошка.

Целью изобретения является разработка способа получения ультрадисперсного порошка магнетита с использованием дешевого сырья, позволяющего управлять режимом технологического процесса. При этом одновременно решается задача утилизации экологически вредных отходов промышленных производств.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения порошка магнетита, основанном на термообработке железосодержащего сырья, в качестве железосодержащего сырья используют шлам отходов систем водоподготовки в виде водной эмульсии, содержащей гидроокись железа, а термообработку проводят при температуре 3500 5000 K путем введения сырья в форме аэрозольной струи в ВЧИ плазмотрон вдоль его оси, с последующей закалкой магнитного порошка при температуре 1500 2000 К.

Шламы систем водоподготовки являются отходами многих промышленных предприятий, в которых используются технологии, требующие очистки воды от примесей, например в приборостроительной промышленности, в машиностроительной и так далее. Основным компонентом шлама (порядка 50% и выше) является гидроокись железа, которая присутствует в виде водной эмульсии. Использование шлама в виде сырья в предлагаемом способе дает возможность утилизировать промышленные отходы, что снижает стоимость продукта и уменьшает загрязнение окружающей среды. Так как такие отходы обычно подлежат захоронению, их утилизация является экономически эффективной. Высокотемпературную обработку сырья проводят при температуре 3500 5000 K путем введения его в форме аэрозольной струи в ВЧИ плазмотрон вдоль его оси. Использование в качестве высокотемпературной среды для разложения гидроокиси железа ВЧИ плазмы дает возможность управлять параметрами технологического процесса без загрязнения целевых продуктов компонентами сгорания химического топлива, а подача сырья в плазмотрон в виде водной эмульсии гарантирует проведение процесса в паровой фазе и конденсацию продукта в виде ультрадисперсных порошков. При температуре 3500 5000 K все компоненты смеси присутствуют только в паровой фазе, поэтому при объемной конденсации пара получаемый продукт является ультадисперсным. Вывод продукта, содержащего магнетит, осуществляют из зоны плазмотрона с температурой 1500 2000 K. Выбор температуры закалки 1500 2000 K обусловлен максимальным выходом магнитной фракции целевого продукта. Полученный продукт пропускают через магнитный фильтр, в котором происходит улавливание магнитной фракции магнетита, а оставшиеся немагнитные компоненты направляют в плазмотрон для повторной обработки. За счет этой операции повышается доля магнитной фракции в конечном продукте.

Получаемый данным способом ультрадисперсный порошок магнетита имеет частицы размером 20 30 нм и может быть использован для получения технического углерода, обладающего магнитными свойствами.

Заявляемое изобретение может быть реализовано следующим образом. Шлам систем водоподготовки, который собирается в отстойниках в виде водной эмульсии, заливается в бункер питатель, откуда по трубопроводу эмульсия подается в распылитель ВЧИ плазмотрона. Сформированная распылителем аэрозольная струя подается по оси в разрядную камеру ВЧИ плазмотрона. За высокотемпературной областью плазмотрона смесь продуктов выводится в закалочное устройство, где осуществляется их конденсация. Образовавшийся ультрадисперсный продукт, содержащий частицы магнетита с размерами порядкам 20 30 нм, направляется в магнитный фильтр, где магнитная фракция собирается в сборниках, а поток газа с немагнитными частицами направляется в плазмотрон для повторной переработки. В таблице приведен минералогический состав шлама, используемого в качестве сырья для получения ферритового порошка (Fe₃O₄) и состав получаемого продукта после однократной обработки в аргоновой и воздушной плазме.

Результаты представлены в таблице.

Как видно из этих результатов даже однократная обработка в плазме позволяет существенно снизить содержание примесей в конечном продукте. Использование же повторной обработки дает возможность получить до 90% магнетита за счет перехода Fe₂O₃ в магнитную фракцию и уменьшения содержания других примесей. Причем магнитная сепарация конечного продукта позволяет полностью очистить ферритовый порошок от оставшихся немагнитных примесей.

После разгрузки сборников магнитного фильтра порошок магнетита (10 20 мас.) и 80 90 мас. технического углерода, например марки ТУ П161 с размерами агрегатов 0,2 0,3 мкм и размерами частиц в агрегате 18 22 нм механически перемешивают и засыпают в графитовый тигель, который помещают в индуктор ВЧ генератора. Регулировкой тока индуктора доводят температуру тигля до 1800 2100 K, после чего прогревают смесь в течение 3 5 мин. Этого времени достаточно для термодиффузии паров магнетита в межслойные промежутки частиц технического углерода и их конденсации на развитой поверхности сажевых частиц с образованием на их поверхности пленки магнетита толщиной 1 2 нм. В результате описанных операций получается технический углерод, обладающий магнитными свойствами, который может быть использован в качестве магнитного пигмента.

Заявляемое изобретение позволяет наиболее простым способом и без затрат на сырье для получения магнитного порошка получать ультрадисперсный магнитный порошок и технический углерод, обладающий магнитными свойствами.

Получаемые описанным способом порошки магнетита могут применяться для изготовления магнитных носителей информации, сердечников трансформаторов, при производстве красок с магнитными свойствами. Магнитный технический углерод и пигмент на его основе могут быть использованы в полиграфии как компоненты полиграфичекских красок, тонеров и так далее.

Литература
1. Заявка Японии N 2163168, кл. C 09 C 1/48, C 09 D 7/12, 1990.

2. Патент США N 448052, кл. C 04 B 35/52, H 01 F 1/00, C 09 C 1/48, 1969.

3. Патент РФ N 1633743, кл. C 01 B 31/04, 1995.

4. Патент РФ N 2021884, кл. B 22 F 9/16, 1994.

5. Патент РФ N 2041026, кл. B 22 F 9/22, 1995.

6. Патент РФ N 2043303, кл. C 01 G 49/02, C 09 C 1/24, B 22 F 9/14, 1995.

7. Патент РФ N 2039708 C 01 G 49/08, 20.07.95.

Изобретение относится к области производства многокомпонентных материалов с магнитными свойствами и может быть использовано в лакокрасочной промышленности, в полиграфии, в производстве магнитных носителей информации. Сущность изобретения заключается в том, что для уменьшения стоимости продукта в качестве сырья используют шлам систем водоподготовки в виде водной эмульсии, а для получения ультрадисперсного порошка термообработку проводят при температуре 3500-5000 K путем введения сырья в форме аэрозольной струи в ВЧИ плазмотрон вдоль его оси, закалку же осуществляют при температуре 1500-2000 K. Для получения технического углерода, обладающего магнитными свойствами, порошок магнетита, полученный из шлама систем водоподготовки, перемешивают с техническим углеродом и нагревают смесь в графитовом тигле токами высокой частоты при температуре 1800-2100 K в течение 3-5 мин, причем порошок магнетита составляет в смеси 10-20% по массе, остальное углерод. При указанном соотношении магнетита и технического углерода получаемый продукт обладает как хорошо выраженными магнитными свойствами, так и свойствами пигмента. 3 с.п. ф-лы, 1 табл.

1. Магнитный пигмент на основе магнитопроницаемого технического углерода, отличающийся тем, что он содержит технический углерод с размерами агрегатов 0,2 0,3 мкм и размерами частиц в агрегате 18 22 нм, покрытых пленкой магнетита, полученного путем разложения водной эмульсии гидроокиси железа, при следующем соотношении компонентов, мас.

Магнетит 10 20
Технический углерод Остальное
2. Способ получения магнитопроницаемого технического углерода для магнитного пигмента, включающий смешивание углеродных частиц с частицами, обладающими магнитными свойствами, отличающийся тем, что частицы технического углерода смешивают с порошком магнетита в соотношении, мас.

Порошок магнетита 10 20
Технический углерод Остальное
с последующим нагреванием смеси в графитовом тигле токами высокой частоты при 1800 2100 К в течение 3 мин.