專利名稱：基于磷酸鐵的組合物及其制備和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于磷酸鹽的組合物，這種組合物可用于木材的生物防護和防火保 護、可用作抗菌消毒劑、以及可用作金屬防腐蝕用的銹轉(zhuǎn)化劑(rust converter)。
背景技術(shù)：
磷制劑及其應(yīng)用是已知的(David Dzneladze等人于2002年獲得專利權(quán)的美國專 利6350474B1，A01N 59/00)，但是該磷制劑的組成為100質(zhì)量份的正磷酸、20-41質(zhì)量份的 氧化鐵、0. 5-2. 5質(zhì)量份的鋁粉、30-70質(zhì)量份的水。為了獲得該制劑，將水、氧化鐵和鋁粉 與正磷酸混合，由此發(fā)生放熱反應(yīng)。所釋放的熱量足以使氧化鐵和鋁粉溶解。所獲得的含磷制劑對環(huán)境絕對無害。可將其用作浸漬劑以提高材料的耐火性，以 及提高混凝土和陶瓷的強度和耐熱性，也可將其用作防腐劑和防銹劑。這種制劑的缺點在于其穩(wěn)定性和潤濕能力相對較差，從而限制了該制劑的廣泛 應(yīng)用。還已知這樣一種含磷制劑(Gennadi Nikolaev于2004年獲得專利權(quán)的實用新 型EE 00444U1, AOlN 59/ )，其特征在于為了提高其穩(wěn)定性和潤濕能力，按照美國專利 6350474B1中公開的比例將一定量的正磷酸、氧化鐵、鋁粉和水混合，并向該混合物中加入 0. 05-0. 2質(zhì)量份的乙醇或丙三醇。在將所獲得的這種制劑用作表面保護用涂層材料時，其不利之處在于被這種制 劑覆蓋的材料(例如，木材、紙、紡織品和金屬的表面)的耐火性較差，并且防腐性和防潮性 不足。還已知的是Gennadi Nikolaev等人于2005年獲得專利權(quán)的實用新型EE 00549U1, C09D 5/18，其涉及具有如下組成的表面保護用涂層材料正磷酸60-80質(zhì)量份氧化鐵50-60質(zhì)量份鋁粉5-10質(zhì)量份水40-60質(zhì)量份硝酸銨7-10質(zhì)量份硫酸銅7-10質(zhì)量份著色顏料F%03、Ti02、MnA雖然用這種含磷制劑的溶液涂覆材料能夠提高材料的耐火性并降低發(fā)生腐爛和 受濕度影響的風險，但是該制劑對含有纖維素的材料的防火保護作用和生物防護作用仍不 夠，不能滿足(例如)根據(jù)標準EN 13823 :2002和EN ISO 11925-2測定的木質(zhì)結(jié)構(gòu)的耐火 等級B-sl-dO的要求。上述David Dzneladze等人的專利US 6350474B1可看成是與本發(fā)明較為接近的 已知技術(shù)方案，該專利涉及基于磷酸鐵的組合物，該組合物由正磷酸、氧化鐵(III)、鋁粉和 水構(gòu)成，并且是通過將水、氧化鐵和金屬鋁與正磷酸混合而獲得的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是獲得基于磷酸鐵的組合物，使用這種組合物可大幅提高含纖維素 材料的耐火性和生物防護性。通過如下方式完成了這一任務(wù)為了獲得基于磷酸鐵的組合物，將100質(zhì)量份的 正磷酸與水、氧化鐵和鋁原料(使用5-10質(zhì)量份的氧化鋁(Al2O3)粉作為所述的鋁原料) 混合在一起，由此將反應(yīng)溫度維持為60°C至70°C。由于發(fā)生放熱反應(yīng)，因此無需額外的 能量源便可將這些成分溶解。氧化鐵的量為10-20質(zhì)量份，水的量為100質(zhì)量份，該組合 物的特征在于混合物中加入了 0.5質(zhì)量份的選自銀、銅或燧石的至少一種納米粉末。因 為在本發(fā)明的各成分比例中，氧化鋁的相對百分比含量提高，這大大改善了最終濃縮物 (concentrate)的性質(zhì)，從而使得涂覆有所述組合物的含纖維素材料的耐火性和耐生物性 得以提高。在如下化學過程中形成了本發(fā)明的硫酸鐵組合物。將水、粉狀氧化鐵!^e2O3和氧化鋁粉末A1203、以及銀納米粉末、銅納米粉末和燧石 納米粉末加入正磷酸中，同時持續(xù)攪拌，將反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度維持為60°C至70°C。直至金屬 氧化物溶解為膠態(tài)時，才開始合成磷酸鐵，即，在反應(yīng)過程中，反應(yīng)體系為均勻的液體，無明 顯的沉淀物形成。在放熱反應(yīng)條件下，所述液體被氧化鐵、氧化鋁和其他氧化物飽和，因此在這種工 藝過程中無需由外部能源引入電能或熱能，這樣便降低了該組合物的成本。該組合物的成分比例(質(zhì)量份)如下正磷酸H3PO4 (85 % )100氧化鐵Fii2O310-20氧化鋁Al2O35-10選自Ag、Cu、Si的至少一種納米粉末0. 5水100優(yōu)選的是，在60°C至70°C的溫度范圍內(nèi)進行該反應(yīng)，并且通過控制氧化鋁和納米 粉末的添加量來對反應(yīng)加以控制。反應(yīng)產(chǎn)物為呈液體形式的磷酸二氫鐵(III) 二水合物！^ (H2PO4) 3 · 2H20。本發(fā)明的一個區(qū)別特征是將氧化鋁的量增至占總質(zhì)量的10份。已知這種成分可 起到催化劑的作用，能夠調(diào)節(jié)化學和物理過程向指定方向進行的速度。在本發(fā)明所基于的 工藝中，氧化鋁的主要功能為在合成過程中，有助于使磷酸根和鐵以更高的反應(yīng)活性形成 中間化合物，這樣便降低了活化能，并促使形成具有指定結(jié)構(gòu)的化合物。在這種情況中，氧 化鋁提高了合成反應(yīng)的速率，并且將組合物的制備時間由4小時縮短至2小時。組合物中 氧化鋁含量的增加使所得混合物的酸度(酸度為所得混合物的一個重要指標)降低，其中 使PH值由0.2變?yōu)?。此外，氧化鋁使木材的某些性質(zhì)也得到改善。愛沙尼亞微生物中心 實驗室(Estonian Central Laboratory of Microbiology)等其他實驗室的研究表明，向 組合物中加入氧化鋁可提高木材的防腐性、抗菌性和防霉性，并使得涂覆有這種制劑的材 料具有更高的耐火性而且不會發(fā)生生物降解。本發(fā)明的另一區(qū)別特征是加入了諸如A g、Cu和燧石之類的納米粉末成分，這增強了組合物的殺菌性能，并提高了所施加的涂層的強度。在制備這種組合物時，優(yōu)選使用85%的正磷酸，這種正磷酸經(jīng)過了工業(yè)處理且被 廣泛使用，可購買得到這種正磷酸，并可在生產(chǎn)中有效地使用。本發(fā)明的另一特征為磷酸二氫鐵(III) 二水合物通過與纖維素發(fā)生化學反應(yīng)從 而起到改性劑的作用。在改性狀態(tài)下，磷酸二氫鐵(III) 二水合物固定于木材表面上，并形 成保護性表面覆蓋層。根據(jù)本發(fā)明，可將該組合物用作木材以及其他含有纖維素的材料的防火保護劑。根據(jù)本發(fā)明，可將該組合物用于對木材進行生物防護，以免其腐爛腐朽。根據(jù)本發(fā)明，可將該組合物用作消毒抗菌劑。根據(jù)本發(fā)明，可將該組合物用作銹轉(zhuǎn)化劑和金屬防腐蝕保護劑。實際件能的實例將100質(zhì)量份的85 %正磷酸倒入反應(yīng)器中，然后在持續(xù)混合的同時，加入100質(zhì)量 份的水、10-20質(zhì)量份的氧化鐵(III)粉末、5-10質(zhì)量份的氧化鋁粉末、以及0.5質(zhì)量份的 銀納米粉末、銅納米粉末和燧石納米粉末，這些納米粉末是被粉碎成50nm至IOOnm的顆粒。 該混合物發(fā)生放熱反應(yīng)，在這一過程中，過量的酸被中和，并且金屬氧化物溶解。該放熱反 應(yīng)所釋放的熱量足以使氧化鐵粉末和鋁粉末溶解。通過氧化鋁的加入量來控制反應(yīng)溫度， 并使反應(yīng)溫度維持為60°C至70°C。通過該合成過程，由納米尺寸的鐵、鋁以及銀、銅、硅金屬獲得了正磷酸鹽的膠態(tài) 溶液，該膠態(tài)溶液包含由鐵和鋁的磷酸鹽狗(H2PO4) 3及Al (H2PO4) 3形成的組合物，其中所述 金屬的顆粒尺寸為50nm至lOOnm。該合成過程發(fā)生了如下化學反應(yīng)6H3P04+Fe203+H20 —催化劑一2Fe (H2PO4) 3 · 2H20。當鐵與正磷酸發(fā)生反應(yīng)時，形成了一系列的鹽，其中也包括磷酸二氫鐵(III) Fe (H2PO4) 3?？蓪⑦@些鹽看做通式為!^e (H2PO4) 3 · 2H20的氧化物混合物。所得的組合物為淺棕色的半透明狀粘性液體，其可以方便地用作材料的覆蓋層。該組合物所包含的磷酸二氫鐵(III)為木材的生物防護及防潮改性劑，磷酸二氫 鐵(III)通過與纖維素發(fā)生化學反應(yīng)而發(fā)揮其作用。在改性狀態(tài)下，磷酸二氫鐵(III)固 定在木材的表面上。可將所述基于磷酸鐵的組合物用作浸漬劑，以增加木材以及其他含有纖維素的材 料的耐火性；可將所述基于磷酸鐵的組合物用于對木材進行生物防護以免其腐爛腐朽；可 將所述基于磷酸鐵的組合物用作消毒抗菌劑、以及用作抑制金屬生銹的銹轉(zhuǎn)化劑。磷酸二氫鐵(III) 二水合物不具有致癌性，不具有積聚效應(yīng)(accumulating effect)，也不會引發(fā)局部刺激。在塔爾圖大學于2003年4月7日發(fā)表的報告“I^roperties of Fe (H2PO4) 3”(參見 附件)中給出了關(guān)于磷酸二氫鐵(III)的信息。鐵(III)與磷酸形成了一系列的鹽，其中也包括!^(H2PO4)315可將這些鹽看做通式 為Fe2O3 · XP2O5 · yH20的氧化物混合物，其中χ和y為各種各樣的整數(shù)。Fe2O3 · 3Ρ205 · 6H20 這種組成對應(yīng)于按照上述標記方式表示的物質(zhì)狗(H2PO4) 3。已經(jīng)有人提出，這種物質(zhì)實際上 是組成SH6(Fe(PC)4)3的鐵磷酸(ferriphosphoric acid)。還描述了其他類似的化合物Fe (H2PO4) 3 · H2O (Fe2O3 · 3P205 · IOH2O)以及 FeH3 (PO4) 2 · 2. 5H20 (Fe2O3 · 2Ρ205 · 8H20)。除 了 具有 特定組成的鹽(其可根據(jù)條件而相互轉(zhuǎn)化)以外，還存在多種不同的中間化合物?？偠?之，在!^e2O3 · XP2O5 · yH20這種形式的體系中，涉及到極為復雜的體系，不容易從這種體系中 獲得單一的鹽(其液相具有粘性，其中的固體沉淀物具有吸濕性)。上面的數(shù)據(jù)解釋了為何鮮有關(guān)于物質(zhì)!^e(H2PO4)3的討論，以及為何化學品供應(yīng)商 不會提供這種物質(zhì)。該物質(zhì)可溶解于水，其水溶液呈棕色。!^e(H2PO4)3在溶液中因水解作用而分解。主要發(fā)生如下反應(yīng)
權(quán)利要求
1.一種基于磷酸鐵的組合物，其是通過將100質(zhì)量份的正磷酸、氧化鐵(III)、鋁和水 混合在一起而獲得的，其特征在于使用5-10質(zhì)量份的氧化鋁粉末作為鋁原料，氧化鐵的 量不超過20質(zhì)量份、優(yōu)選為10-20質(zhì)量份，并且水的量為100質(zhì)量份，其中，向所形成的混 合物中加入0. 5質(zhì)量份的選自銀、銅或燧石的至少一種納米粉末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，特征在于所述反應(yīng)在60°C至70°C的溫度范圍內(nèi)進 行，并且通過所述氧化鋁和所述納米粉末的加入量來控制該反應(yīng)；通過這樣的合成過程，由 納米尺寸的鐵、鋁以及銀、銅、硅金屬獲得正磷酸鹽的膠態(tài)溶液，該溶液包含由鐵和鋁的磷 酸鹽!^e (H2PO4) 3及Al (H2PO4) 3形成的組合物，其中所述金屬的顆粒尺寸為50nm至lOOnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，特征在于使用85%的正磷酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，特征在于所述納米粉末的顆粒尺寸為50納米至 100納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，特征在于主要成分為磷酸二氫鐵(III)二水合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物作為木材及其他含纖維素材料的防火劑的應(yīng)用。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物用于對木材進行生物防護的應(yīng)用，以免木材腐朽和腐IA二 ο
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物作為消毒抗菌劑的應(yīng)用。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物作為銹轉(zhuǎn)化劑和金屬防腐蝕保護劑的應(yīng)用。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物通過與纖維素發(fā)生化學反應(yīng)而作為改性劑的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于磷酸鐵的組合物，為了得到該組合物，將100質(zhì)量份的正磷酸、10-20質(zhì)量份的氧化鐵(III)、5-10質(zhì)量份的氧化鋁粉與100質(zhì)量份的水混合，其中在60℃至70℃的溫度范圍內(nèi)進行反應(yīng)，并且向該混合物中加入0.5質(zhì)量份的選自銀、銅或燧石的至少一種納米粉末。該基于磷酸鐵的組合物可用于木材的生物防護和防火保護、可用作抗菌消毒劑以及可用作金屬防銹用的銹轉(zhuǎn)化劑。
文檔編號C23F11/18GK102046526SQ200980119966
公開日2011年5月4日 申請日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月22日
發(fā)明者根納季·尼古拉耶夫 申請人:伊里娜·尼古拉耶娃