专利名称：基于磷酸铁的组合物及其制备和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于磷酸盐的组合物，这种组合物可用于木材的生物防护和防火保 护、可用作抗菌消毒剂、以及可用作金属防腐蚀用的锈转化剂(rust converter)。
背景技术：
磷制剂及其应用是已知的(David Dzneladze等人于2002年获得专利权的美国专 利6350474B1，A01N 59/00)，但是该磷制剂的组成为100质量份的正磷酸、20-41质量份的 氧化铁、0. 5-2. 5质量份的铝粉、30-70质量份的水。为了获得该制剂，将水、氧化铁和铝粉 与正磷酸混合，由此发生放热反应。所释放的热量足以使氧化铁和铝粉溶解。所获得的含磷制剂对环境绝对无害。可将其用作浸渍剂以提高材料的耐火性，以 及提高混凝土和陶瓷的强度和耐热性，也可将其用作防腐剂和防锈剂。这种制剂的缺点在于其稳定性和润湿能力相对较差，从而限制了该制剂的广泛 应用。还已知这样一种含磷制剂(Gennadi Nikolaev于2004年获得专利权的实用新 型EE 00444U1, AOlN 59/ )，其特征在于为了提高其稳定性和润湿能力，按照美国专利 6350474B1中公开的比例将一定量的正磷酸、氧化铁、铝粉和水混合，并向该混合物中加入 0. 05-0. 2质量份的乙醇或丙三醇。在将所获得的这种制剂用作表面保护用涂层材料时，其不利之处在于被这种制 剂覆盖的材料(例如，木材、纸、纺织品和金属的表面)的耐火性较差，并且防腐性和防潮性 不足。还已知的是Gennadi Nikolaev等人于2005年获得专利权的实用新型EE 00549U1, C09D 5/18，其涉及具有如下组成的表面保护用涂层材料正磷酸60-80质量份氧化铁50-60质量份铝粉5-10质量份水40-60质量份硝酸铵7-10质量份硫酸铜7-10质量份着色颜料F%03、Ti02、MnA虽然用这种含磷制剂的溶液涂覆材料能够提高材料的耐火性并降低发生腐烂和 受湿度影响的风险，但是该制剂对含有纤维素的材料的防火保护作用和生物防护作用仍不 够，不能满足(例如)根据标准EN 13823 :2002和EN ISO 11925-2测定的木质结构的耐火 等级B-sl-dO的要求。上述David Dzneladze等人的专利US 6350474B1可看成是与本发明较为接近的 已知技术方案，该专利涉及基于磷酸铁的组合物，该组合物由正磷酸、氧化铁(III)、铝粉和 水构成，并且是通过将水、氧化铁和金属铝与正磷酸混合而获得的。
发明内容
本发明的任务是获得基于磷酸铁的组合物，使用这种组合物可大幅提高含纤维素 材料的耐火性和生物防护性。通过如下方式完成了这一任务为了获得基于磷酸铁的组合物，将100质量份的 正磷酸与水、氧化铁和铝原料(使用5-10质量份的氧化铝(Al2O3)粉作为所述的铝原料) 混合在一起，由此将反应温度维持为60°C至70°C。由于发生放热反应，因此无需额外的 能量源便可将这些成分溶解。氧化铁的量为10-20质量份，水的量为100质量份，该组合 物的特征在于混合物中加入了 0.5质量份的选自银、铜或燧石的至少一种纳米粉末。因 为在本发明的各成分比例中，氧化铝的相对百分比含量提高，这大大改善了最终浓缩物 (concentrate)的性质，从而使得涂覆有所述组合物的含纤维素材料的耐火性和耐生物性 得以提高。在如下化学过程中形成了本发明的硫酸铁组合物。将水、粉状氧化铁!^e2O3和氧化铝粉末A1203、以及银纳米粉末、铜纳米粉末和燧石 纳米粉末加入正磷酸中，同时持续搅拌，将反应区内的温度维持为60°C至70°C。直至金属 氧化物溶解为胶态时，才开始合成磷酸铁，即，在反应过程中，反应体系为均勻的液体，无明 显的沉淀物形成。在放热反应条件下，所述液体被氧化铁、氧化铝和其他氧化物饱和，因此在这种工 艺过程中无需由外部能源引入电能或热能，这样便降低了该组合物的成本。该组合物的成分比例(质量份)如下正磷酸H3PO4 (85 % )100氧化铁Fii2O310-20氧化铝Al2O35-10选自Ag、Cu、Si的至少一种纳米粉末0. 5水100优选的是，在60°C至70°C的温度范围内进行该反应，并且通过控制氧化铝和纳米 粉末的添加量来对反应加以控制。反应产物为呈液体形式的磷酸二氢铁(III) 二水合物！^ (H2PO4) 3 · 2H20。本发明的一个区别特征是将氧化铝的量增至占总质量的10份。已知这种成分可 起到催化剂的作用，能够调节化学和物理过程向指定方向进行的速度。在本发明所基于的 工艺中，氧化铝的主要功能为在合成过程中，有助于使磷酸根和铁以更高的反应活性形成 中间化合物，这样便降低了活化能，并促使形成具有指定结构的化合物。在这种情况中，氧 化铝提高了合成反应的速率，并且将组合物的制备时间由4小时缩短至2小时。组合物中 氧化铝含量的增加使所得混合物的酸度(酸度为所得混合物的一个重要指标)降低，其中 使PH值由0.2变为1。此外，氧化铝使木材的某些性质也得到改善。爱沙尼亚微生物中心 实验室(Estonian Central Laboratory of Microbiology)等其他实验室的研究表明，向 组合物中加入氧化铝可提高木材的防腐性、抗菌性和防霉性，并使得涂覆有这种制剂的材 料具有更高的耐火性而且不会发生生物降解。本发明的另一区别特征是加入了诸如A g、Cu和燧石之类的纳米粉末成分，这增强了组合物的杀菌性能，并提高了所施加的涂层的强度。在制备这种组合物时，优选使用85%的正磷酸，这种正磷酸经过了工业处理且被 广泛使用，可购买得到这种正磷酸，并可在生产中有效地使用。本发明的另一特征为磷酸二氢铁(III) 二水合物通过与纤维素发生化学反应从 而起到改性剂的作用。在改性状态下，磷酸二氢铁(III) 二水合物固定于木材表面上，并形 成保护性表面覆盖层。根据本发明，可将该组合物用作木材以及其他含有纤维素的材料的防火保护剂。根据本发明，可将该组合物用于对木材进行生物防护，以免其腐烂腐朽。根据本发明，可将该组合物用作消毒抗菌剂。根据本发明，可将该组合物用作锈转化剂和金属防腐蚀保护剂。实际件能的实例将100质量份的85 %正磷酸倒入反应器中，然后在持续混合的同时，加入100质量 份的水、10-20质量份的氧化铁(III)粉末、5-10质量份的氧化铝粉末、以及0.5质量份的 银纳米粉末、铜纳米粉末和燧石纳米粉末，这些纳米粉末是被粉碎成50nm至IOOnm的颗粒。 该混合物发生放热反应，在这一过程中，过量的酸被中和，并且金属氧化物溶解。该放热反 应所释放的热量足以使氧化铁粉末和铝粉末溶解。通过氧化铝的加入量来控制反应温度， 并使反应温度维持为60°C至70°C。通过该合成过程，由纳米尺寸的铁、铝以及银、铜、硅金属获得了正磷酸盐的胶态 溶液，该胶态溶液包含由铁和铝的磷酸盐狗(H2PO4) 3及Al (H2PO4) 3形成的组合物，其中所述 金属的颗粒尺寸为50nm至lOOnm。该合成过程发生了如下化学反应6H3P04+Fe203+H20 —催化剂一2Fe (H2PO4) 3 · 2H20。当铁与正磷酸发生反应时，形成了一系列的盐，其中也包括磷酸二氢铁(III) Fe (H2PO4) 3。可将这些盐看做通式为!^e (H2PO4) 3 · 2H20的氧化物混合物。所得的组合物为浅棕色的半透明状粘性液体，其可以方便地用作材料的覆盖层。该组合物所包含的磷酸二氢铁(III)为木材的生物防护及防潮改性剂，磷酸二氢 铁(III)通过与纤维素发生化学反应而发挥其作用。在改性状态下，磷酸二氢铁(III)固 定在木材的表面上。可将所述基于磷酸铁的组合物用作浸渍剂，以增加木材以及其他含有纤维素的材 料的耐火性；可将所述基于磷酸铁的组合物用于对木材进行生物防护以免其腐烂腐朽；可 将所述基于磷酸铁的组合物用作消毒抗菌剂、以及用作抑制金属生锈的锈转化剂。磷酸二氢铁(III) 二水合物不具有致癌性，不具有积聚效应(accumulating effect)，也不会引发局部刺激。在塔尔图大学于2003年4月7日发表的报告“I^roperties of Fe (H2PO4) 3”(参见 附件)中给出了关于磷酸二氢铁(III)的信息。铁(III)与磷酸形成了一系列的盐，其中也包括!^(H2PO4)315可将这些盐看做通式 为Fe2O3 · XP2O5 · yH20的氧化物混合物，其中χ和y为各种各样的整数。Fe2O3 · 3Ρ205 · 6H20 这种组成对应于按照上述标记方式表示的物质狗(H2PO4) 3。已经有人提出，这种物质实际上 是组成SH6(Fe(PC)4)3的铁磷酸(ferriphosphoric acid)。还描述了其他类似的化合物Fe (H2PO4) 3 · H2O (Fe2O3 · 3P205 · IOH2O)以及 FeH3 (PO4) 2 · 2. 5H20 (Fe2O3 · 2Ρ205 · 8H20)。除 了 具有 特定组成的盐(其可根据条件而相互转化)以外，还存在多种不同的中间化合物。总而言 之，在!^e2O3 · XP2O5 · yH20这种形式的体系中，涉及到极为复杂的体系，不容易从这种体系中 获得单一的盐(其液相具有粘性，其中的固体沉淀物具有吸湿性)。上面的数据解释了为何鲜有关于物质!^e(H2PO4)3的讨论，以及为何化学品供应商 不会提供这种物质。该物质可溶解于水，其水溶液呈棕色。!^e(H2PO4)3在溶液中因水解作用而分解。主要发生如下反应
权利要求
1.一种基于磷酸铁的组合物，其是通过将100质量份的正磷酸、氧化铁(III)、铝和水 混合在一起而获得的，其特征在于使用5-10质量份的氧化铝粉末作为铝原料，氧化铁的 量不超过20质量份、优选为10-20质量份，并且水的量为100质量份，其中，向所形成的混 合物中加入0. 5质量份的选自银、铜或燧石的至少一种纳米粉末。
2.根据权利要求1所述的组合物，特征在于所述反应在60°C至70°C的温度范围内进 行，并且通过所述氧化铝和所述纳米粉末的加入量来控制该反应；通过这样的合成过程，由 纳米尺寸的铁、铝以及银、铜、硅金属获得正磷酸盐的胶态溶液，该溶液包含由铁和铝的磷 酸盐!^e (H2PO4) 3及Al (H2PO4) 3形成的组合物，其中所述金属的颗粒尺寸为50nm至lOOnm。
3.根据权利要求1所述的组合物，特征在于使用85%的正磷酸。
4.根据权利要求1所述的组合物，特征在于所述纳米粉末的颗粒尺寸为50纳米至 100纳米。
5.根据权利要求1所述的组合物，特征在于主要成分为磷酸二氢铁(III)二水合物。
6.根据权利要求1所述的组合物作为木材及其他含纤维素材料的防火剂的应用。
7.根据权利要求1所述的组合物用于对木材进行生物防护的应用，以免木材腐朽和腐IA二 ο
8.根据权利要求1所述的组合物作为消毒抗菌剂的应用。
9.根据权利要求1所述的组合物作为锈转化剂和金属防腐蚀保护剂的应用。
10.根据权利要求1所述的组合物通过与纤维素发生化学反应而作为改性剂的应用。
全文摘要
本发明涉及基于磷酸铁的组合物，为了得到该组合物，将100质量份的正磷酸、10-20质量份的氧化铁(III)、5-10质量份的氧化铝粉与100质量份的水混合，其中在60℃至70℃的温度范围内进行反应，并且向该混合物中加入0.5质量份的选自银、铜或燧石的至少一种纳米粉末。该基于磷酸铁的组合物可用于木材的生物防护和防火保护、可用作抗菌消毒剂以及可用作金属防锈用的锈转化剂。
文档编号C23F11/18GK102046526SQ200980119966
公开日2011年5月4日 申请日期2009年8月19日 优先权日2008年8月22日
发明者根纳季·尼古拉耶夫 申请人:伊里娜·尼古拉耶娃