制备磁性氧化铁-Fe-2O-3-工艺的探讨

摘要：主要阐述了由亚铁盐溶液与碱液发生反应，生成水合氧化铁FeOOH，经脱水、还原和氧化，可生成γ-Fe2O3的工艺过程。关键词：氧化铁；制备工艺；探讨中图分类号：TQ584+.2文献标识码：B制备磁性氧化铁（γ-Fe2O3）工艺的探讨赵永胜收稿日期：2007－07－31磁粉是构成磁记录介质的基本原料之一，是决定磁记录介质磁特性的主要因素。它应该具有足够高的矫顽力，以便有效地提高去磁作用，但又不能高到难以消磁的程度。它的磁化强度应和铁磁性金属有同一量级，以便对磁头提供足够的磁通量；颗粒要均匀，无烧结块体，结晶完整，粒度一般小于1μm；应有良好的分散性，填充密度高；它的磁特性应该稳定，不受时间、温度、湿度和压力等的影响。氧化铁是指Fe3O4和γ-Fe2O3，其中γ-Fe2O3是应用最广、用量最大的一种磁性粉末。分子式为：MO·Fe2O3（M表示二价金属离子）的物质为铁淦氧体。Fe3O4和γ-Fe2O3均被视为铁淦氧体。铁淦氧体属于立方晶系，具有尖晶石构造。其中正尖晶石结构中，8个Fe2+离子在A位，16个Fe3+离子在B位，是反强磁性体，不能单独作为强磁性材料使用。而一半Fe3+离子在A位，另一半Fe3+离子和Fe2+离子在B位的反尖晶石结构中，A、B两个位置的Fe3+离子的旋转磁距配列成相反方向而互相抵消，Fe2+离子旋转向一个方向靠拢，使该物质具有强磁性。空间晶格中这样的强磁性发生机构，被称为亚铁磁性。Fe3O4和γ-Fe2O3即为具有反尖晶石型结构的亚铁磁性物质。本文主要阐述由亚铁盐溶液与碱液发生反应，生成水合氧化铁FeOOH，经脱水、还原和氧化，可生成γ-Fe2O3的工艺过程。1FeOOH的生成由亚铁盐溶液与碱液发生反应，生成Fe（OH）2胶体沉淀物质，经空气氧化生成α或γ-FeOOH微晶，通称晶核。晶核在一定的条件下外延生长成微颗粒或超微粒水合氧化物，俗称铁黄。α-FeOOH常用FeSO4和NaOH反应制得，反应式：4FeSO4+8NaOH+O2==4α-FeOOH+4Na2SO4+2H2O在不同的条件下，上述反应可生成Fe3O4、α-Fe2O3、α-FeOOH和γ-FeOOH或它们的混合物。碱的加入量在当量（2NaOH/FeSO4）以下时，反应液呈中性；加入量在当量（2NaOH/FeSO4）以上时，反应液pH＞11呈碱性。碱的添加量不同，反应按（图1）的方向进行。在中性悬浊液中，Fe（OH）2氧化成绿锈，在低温下使之进一步氧化时，便生成α和γ-FeOOH，高温时则生成Fe3O4。在pH=11的反应液中，低温时氧化析出α-FeOOH，高温时同样生成Fe3O4。在反应过程中，中间产物不断溶解，新的结晶粒子相继析出。整个氧化反应过程中，溶液中的Fe2+离子被氧化成Fe3+离子，经加水分解而沉淀。氧化过程中消耗的Fe2+离子，则不断由Fe（OH）2或绿锈的溶解而得到补充。反应速度的决定阶段是Fe2+离子的氧化速度。如果吹入的空气速度一定，那么反应速度也是一定的。图1Fe（OH）2在不同条件下氧化产物示意图反应生成物的结晶与形状受原料的纯度、Fe2+离子的水溶液浓度、碱的种类与用量、反应温度、空气吹入量等因素的影响。其中主要的有如下几个方面：首先是不纯物和酸根的影响，如磷酸的存在能加快氧化速度，形成α-FeOOH的颗粒就小；阳离子或不溶性不纯物影响α-FeOOH晶核的生企业天地90成，妨碍α-FeOOH粒子长大。当铁盐溶液的浓度增大时，反应时间延长，形成的颗粒变大；碱含量增高时反应速度变慢，粒子有长大的倾向。另外，反应在酸性溶液中进行时，生成的α-FeOOH有孪晶，粒度均匀性较差，制得的γ-Fe2O3分散性不好，定向效果差，磁特性较低。而在碱性溶液中反应制得的α-FeOOH很少有双晶，这种铁黄制得的γ-Fe2O3磁特性大有改善。（图2）图2NaOH/FeSO4与矫顽力（Hc）关系图2Fe2++（1/2）O2+3H2O→2FeOOH+4H+可见加碱（适量）中和H+，利于FeOOH的生成。2FeOOH脱水和焙烧合成的水合氧化铁经水洗，去掉吸附在铁黄表面的阴离子（SO42-）和阳离子（Na+、K+等）之后，再进行干燥，干燥后的铁黄水份含量约2％。这时，铁黄分子中的结晶水仍保留着，需要在300℃左右的温度下方能脱水。脱水过程的反应式如下：2α（γ）-FeOOH—→α（γ）-Fe2O3+H2OFeOOH失去结晶水后生成红色非磁性α-Fe2O3。由于脱水过程中温度较低，离子扩散困难，水分子迅速逸出后，晶格来不及调整，所以在颗粒中产生了空洞。根据洛仑兹磁场理论，磁性颗粒空洞形成的磁场会降低材料的矫顽力。为了减少或消除空洞，一般采用低温脱水和高温焙烧的方法，由图3可看到低温焙烧后，粒子出现小空洞，随着温度的升高，空洞数减少，而空洞体积增大，以