氧化铁黄的制备

背景及概述^[1][2]

在全球范围内，氧化铁是仅次于钛白的第二大无机颜料，也是大彩色无机颜料。氧化铁系颜料主要包括以铁的氧化物为基本物质的氧化铁红、黄、黑和棕四大类。氧化铁黄，又称羟基氧化铁（FeOOH），在177℃左右会脱水分解而变成红色，因此普通铁黄颜料在塑料加工和烘烤型涂料等高温场合中应用受到限制。氧化铁黄颜料通过表面包覆，可以提高其耐温性能，从而拓展氧化铁黄颜料的应用领域。

氧化铁黄（又称羟基铁）的化学式为α-Fe₂O₃·H2O或α-FeOOH，系针状结构，呈黄色粉末状，是一种粒径小于0.1μm，在透明介质中有很好分散性的铁系颜料，其着色力强，遮盖力高，不溶于碱，微溶于酸。合成氧化铁黄具有耐光性、分散性好以及无毒、无味，人体不易吸收等特点，广泛应用于涂料、塑料、油墨以及医药工业等领域。

理化性质及结构^[1]

1. 氧化铁黄颜料具有耐酸、耐碱性，对一般的弱酸和稀酸具有抗耐性，在任何浓度的碱性溶液中都非常稳定。

2. 氧化铁黄颜料具有一定的耐光、耐热、耐候性，其涂膜色泽耐久，在光中能保持涂膜不被破坏。氧化铁黄颜料在一定的温度范围内稳定，但超过极限温度，其色泽开始变化，随温度的升高，变化的程度也愈显著。氧化铁黄颜料不太受寒暑、干湿等气候条件的影响。

3. 氧化铁黄颜料在任何环境大气中（如含H 2 S、CO、SO 2 、HCl、NO等气体）都非常稳定。且耐污染、耐水、耐油、耐溶剂的渗透，不溶于水、矿物油或植物油中。

4. 氧化铁黄颜料着色力强、遮盖力高，随着颜料粒度的减小，其着色力越强。

氧化铁黄

应用^[2]

纳米氧化铁黄具有耐酸、耐碱、无毒、价廉等特点 ,广泛用于涂料、塑料、橡胶 ,且纳米铁黄的粒径小于 100 nm,使其具有一些独有的特点.当光线照射到其表面时 ,会发生透射和绕射现象 ,呈现透明黄色 ,同时能强烈吸收紫外线 ,因此可作为功能颜料用于高档汽车、精密仪器、自行车、摩托车等的表面漆 ,以及用作化妆品、食品、药品等着色添加剂等。

制备 ^[3]

1970年，日本学者研究了氧化铁微晶生成相图，为氧化铁黄晶种的制备方法奠定了理论基础。根据该研究成果，铁黄晶种可以在酸性条件或碱性条件下形成。因铁黄是晶体结构，要使它结晶成颜料粒子，必须先形成晶核，成为晶种，然后晶核长大成为铁黄。否则，只能得到稀薄、颜色暗淡的色浆，不具备颜料性能。酸法又可分为铁皮法和滴加法2种工艺。

1. 铁皮法

该方法使用的原料为FeSO4，为维持反应介质中Fe3+浓度在特定的范围，在反应过程中加入还原剂铁皮。加入铁黄晶种和通入空气，在一定pH条件下合成铁黄。该方法主要有两步：（1）首先以FeSO4·7H2O为原料、NaOH或NH3·H2O为沉淀剂或pH调节剂、空气为氧化剂氧化制备晶种；（2）用晶种、FeSO4、铁皮、空气进行二步氧化产出铁黄。

此处，NaOH或NH3·H2O用作沉淀剂或pH调节剂，与FeSO4反应生成氢氧化亚铁沉淀；空气用作氧化剂 ；铁皮与FeSO4氧化水解过程中所产生的硫酸反应，提供反应体系中所需的亚铁离子，并维持溶液的pH值。酸法的碱耗少，粒子较易洗涤。晶种制备和晶体生长这两个过程的相对速率决定了铁黄粒子的粒径、粒径分布和粒子的形貌。

试验中可通过加添加剂的方法来抑制铁黄粒子的生长，从而制备出粒径小、分布窄的氧化铁黄晶体。在晶体生长阶段，通过滴加碱液来中和反应过程中生成的酸或用铁皮与反应过程中生成的酸反应。酸法的优点是可避免金属杂质沉淀，碱耗少；缺点是即使经多次洗涤，颜料里仍含有阴离子，这样会降低其分散性，而要得到较高的分散性需牺牲一定的透明度。

2. 滴加法

在二步氧化中若采用滴加硫酸亚铁溶液代替铁皮，并滴加氨水中和氧化过程中产生的酸，则这种方法称为滴加法。

所涉及的反应为：4FeSO4+O2（空气）+6H2O=4α-FeOOH↓+4H2SO4

滴加法需以一定的速度向三口瓶中滴加硫酸亚铁母液和氨水，每隔一段时间用pH计测定反应体系的pH值，用重铬酸钾法分析Fe2+、Fe3+的浓度，以控制反应体系的pH值和Fe2+浓度。氧化铁黄是一类仅次于钛白的重要无机颜料，应因地制宜地采用合适的原料和工艺来生产高附加值的透明氧化铁黄。但因反应涉及到气-固-液三相，生产过程较复杂，反应和结晶机理还不很清楚，工艺也难精确控制，因此，需重点研究氧化铁黄的反应及结晶机理，以便生产出品质优、成本低的氧化铁黄。

主要参考资料

[1] 盛欧微, 潘国祥, 李金花, 竺增林, 柴大淦, & 陈健, et al. (2014). 包覆型耐温氧化铁黄颜料制备技术研究进展. 化工进展, 33(a01), 224-227.

[2] 肖曙阳, & 施利毅. (2002). 纳米氧化铁黄颜料的制备和表征. 上海大学学报(自然科学版), 8(3), 251-254.

[3] 陈玉杰, & 魏琦峰. (2009). 透明氧化铁黄制备工艺现状. 上海涂料, 47(7), 16-19.