СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРИТОВ МЕТАЛЛОВ ВОСЬМОЙ ГРУППЫ ЧЕТВЕРТОГО ПЕРИОДА
METHOD FOR OBTAINING FERRITES OF EIGHTH GROUP METALS OF FOURTH PERIOD

Изобретение относится к технологии получения нанопорошков ферритов кобальта и никеля, используемого в электротехнике, телекоммуникационном оборудовании, электродвигателях, газовых датчиках.
2-x
x
4
Известен способ получения феррита кобальта, в котором гомогенизируют оксиды кобальта, железа, хрома или их соли, прокаливают при температуре 800- 1000°С в течение 3-4 часов (Патент РФ на изобретение №2313492, Способ получения твердых растворов состава CoFCrO, МКИ C01G5 1/00, от 27.12.2007). Гомогенизацию проводят в присутствии минерализатора, качестве которого используют смесь 0,3- 0,5 мас. % хлорида калия и 0,3-0,5 мас. % хлорида натрия.
Недостатками этого процесса являются длительность процесса, а также низкое качество полученного продукта в связи с большим количеством примесей.
Наиболее близким предлагаемому способу является способ получения феррита кобальта, в котором смешивают анионную смолу с солями железа и кобальта (Получение феррита кобальта с использованием сильноосновного анионита, Павликов А.Ю., Трофимова Т.В., Сайкова С.В., сб. научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные исследования в области техники и естественных наук, г. Белгород, 30.05.2017). В способе в качестве анионообменной смолы используют гелевый сильноосновной анианит АВ-17-8в ОН-форме с размером зерна 0,25-0,5 мм. Соли набухшего в воде анионита смешивают с солью кобальта, а затем в смесь добавляют соль железа. Затем смесь нагревают до 60°С и выдерживают в течение 1 часа. После этого смесь фильтруют через сито, а затем центрифугируют. Затем осадки гидроксидов кобальта и железа прокаливают при 950°С в течение 3 часов. Полученный феррит кобальта состоит из частиц октаэндрической формы, имеющих размеры 70-90 нм.
Недостатками наиболее близкого аналога являются ограниченные технологические возможности способа, характеризуемые размерами получаемого феррита кобальта, а также низкая производительность способа. У наиболее близкого аналога дан способ получения феррита кобальта и не отражены данные получения феррита никеля, а никель, как и кобальт, является химическим элементом восьмой группы четвертого периода периодической системы Менделеева, и имеет сходные с ним признаки.
В способе низкая производительность обусловлена длительностью двухстадийного процесса отделения осадков гидроксидов металлов, включающего наряду с фильтрацией центрифугирование, а также нагрева и выдержек.
Ограничение размерного ряда получаемых частиц связано с получением промежуточных гидроксидов металлов, выпадающих в осадок с довольно крупными частицами. После высушивания и прокаливания этих гидроксидов размер частиц уменьшается, но недостаточно.
Техническая проблема, которая не решается в приведенных выше аналогах, состоит в получении высокопроизводительного способа получения нанодисперсных частиц ферритов кобальта и никеля широкого размерного ряда.
Техническим результатом предлагаемого решения является расширение размерного ряда получаемых частиц феррита кобальта и повышение производительности способа.
Поставленный результат достигается тем, что в способе получения ферритов металлов восьмой группы четвертого периода, в котором смешивают ионообменную смолу с солями кобальта или никеля, выдерживают смесь, затем фильтруют и прокаливают полученный продукт, согласно предлагаемому решению, что соли железа и соли кобальта или никеля смешивают с катионообменной смолой, выдержку ведут в течение 0,5-0,8 часа при комнатной температуре, фильтруют на бумажном фильтре и после высушивания на воздухе при комнатной температуре прокаливают вместе с бумажным фильтром при температуре 400-1000°С в течение 0,8-1 часа.
В качестве катионообменной смолы в предлагаемом решении целесообразно использовать сульфированный полистирол в виде порошка черного цвета. Использование данного вида смолы по сравнению с известными смолами позволяет повысить выход годного продукта.
3
+
При применении катионообменной смолы в результате ионного обмена происходит замещение активных центров смолы (SCH) на катионы металлов из раствора. Последующее сжигание катионообменной смолы приводит к полному выгоранию органической матрицы и формированию мелкодисперсных ферритов металлов кобальта и никеля, размер которых изменяется в зависимости от температуры прокаливания, что позволяет расширить размерный ряд, получить более мелкие частицы ферритов кобальта или никеля.
Исключение двухстадийного процесса отделения осадков, а именно центрифугирования, сокращение времени выдержки и проведение выдержки при комнатной температуре приводит к повышению производительности.
После смешивания выдержка смеси менее 0,5 часа недопустима, т.к. ионный обмен пройдет не полностью, а выдержка более 0,8 часа нецелесообразна, поскольку за 0,8 часа ионный обмен проходит на 100%.
Прокаливание смеси при температуре менее 400°С не приводит к формированию шпинельной фазы ферритов кобальта или никеля, а прокаливание при температуре более 1000°С нецелесообразно, поскольку ферриты никеля или кобальта формируются при более низкой температуре.
Выдерживание смеси при прокаливании менее 0,8 часа не приводит к полному фазовому превращению, а более 1 часа нецелесообразно, т.к. в течение 1 часа ферриты формируются полностью.
Способ получения ферритов осуществляется следующим образом.
Вначале берут готовую катионообменную смолу или синтезируют ее предварительно, например из полистирола. Затем соли железа, кобальта или никеля добавляют к этой смоле и перемешивают. Выдерживают смесь при комнатной температуре. После полного набухания смолы смесь фильтруют на бумажном фильтре и прокаливают вместе с бумажным фильтром с заявляемыми режимами.
4
2
3
2
3
2
2
Согласно предлагаемому способу получены ферриты кобальта и никеля. В качестве исходных солей для синтеза использовали следующие соли: CoSO⋅7HO, FeCl⋅6HO и Ni(NO)⋅6HO марки ч.д.а.
Предложенный метод синтеза включал в себя две стадии:
Стадия 1: Получение катиоонообменной смолы, которая используется в качестве матрицы для синтеза ферритов.
Стадия 2: Непосредственный синтез ферритов металлов.
На первой стадии проводили синтез катионообменной смолы путем сульфирования полистирола.
Пригодную для сульфирования форму полистирола получали методом замены растворителя. Для этого пенопласт 1,00 г растворяли в 15 мл толуола, добавляли 25 мл ацетона, а затем небольшими порциями прибавляли 15 мл 96%-ного раствора этанола. Полученный образец представлял собой гель белого цвета, который высушивали на воздухе до полного удаления растворителя. Высушенный материал подвергали сульфированию. Для этого помещали его в термостойкий стакан на 100 мл, добавляли 6 мл 20%-ный раствора олеума при тщательном перемешивании в течение 60 минут на песчаной бане при температуре 130-140°С. После сульфирования полученный материал представлял собой порошок черного цвета, который промывали дистиллированной водой методом декантации до нейтральной реакции на воронке Бюхнера, после чего высушивали при комнатной температуре до полного высыхания.
2
4
2
4
На второй стадии, используя катионит в качестве ионообменной матрицы, провели синтез твердого раствора CoFeO и NiFeO. Для этого к синтезированному катионообменному материалу добавляли раствор хлорида железа, сульфата кобальта и нитрата никеля в различных молярных соотношениях. Для проведения полного ионного обмена оставляли данную смесь на полчаса. Набухшие, желеобразные зерна катеонита считали признаком его насыщения, после чего 5-6 кратно промывали. Полученные образцы высушивали в течение суток на воздухе и прокалили в муфельной печи при различных температурах в течение часа. При прокаливании катионообменная матрица выгорала, а образец представлял собой феррит заданного состава.
2
4
2
4
Данные результатов синтеза NiFeO показаны в таблице 1, синтеза CoFeO в таблице 2.
2
4
2
4
2
4
2
4
Предлагаемый способ проиллюстрирован фиг. 1-4, где на фиг. 1 показаны рентгенограммы образцов NiFeO, прокаленных в интервале температур 400-1000°С в течение часа, на фиг. 2 - рентгенограммы образцов CoFeO, прокаленных при различных температурах в течение часа, где штрих-грамма указывает на характеристические пики данного феррита, на фиг. 3 показана микрофотография образца NiFeO после термообработки при 700°С., на фиг. 4 - микрофотография образца CoFeO после термообработки при 500°С.
Как показали исследования, в предлагаемом решении можно получить наночастицы феррита никеля размером от 20 до 100 нм и наночастицы феррита кобальта от 20 до 100 нм, т.е. расширить размерный ряд получаемого продукта по сравнению с наиболее близким способом.
Производительность способа повысилась на 15%.
Благодаря выбранной технологии синтеза облегчается процесс гомогенизации исходных веществ, уменьшается размер частиц.
Помимо перечисленных преимуществ, предлагаемый способ по сравнению с прототипом, позволяет уменьшить количество примесей в готовом продукте и снижает себестоимость продукта.
Предлагаемый способ получения ферритов кобальта и никеля найдет применение в электротехнике в производстве феррокатушек, реле, сетевых трансформаторов, устройств связи, дросселей, электромеханических преобразователей и резонаторов.