第40卷第l3期 2012年7月 广州化工 Vo1.40 No.13 Guangzhou Chemical Industry Mn3 O4的制备及其应用 汪志勇 (贵阳医学院化学教研室,贵州 贵阳550004) 摘 要:随着四氧化三锰应用范围的不断拓展,特别是电子信息工业的飞速发展,Mn30 市场越来越被人们看好。本文从工艺 特点及反应性质归纳出Mn,0 的制备方法,并对其应用与发展前景进行了简要论述。 关键词:四氧化三锰;制备方法;应用 中图分类号:0611.4 文献标识码:A 文章编号:1001—9677(2012)13—0022—03 The Manufacturing Methods and Application of Mn3 O4 WANG Zhi—yong (Section of Chemistry,Guiyang Medical University,Guizhou Guiyang 550004,China) Abstract:With the continous expansion of the application scope of manganic manganous oxide(Mn3 O4),especially the rapid development of electronic information industry,the Mn3 O4 market was optimistic grandually.The manufacturing methods of Mn3 O4 was described detailedly,and the economic target and developing prospect of Mn3 04 production were presented briefly. Key words:Mn3 04;manufacturing methods;application 高纯四氧化三锰或者说电子级四氧化三锰(以下简称四氧化 三锰)是电子工业生产锰锌铁氧体软磁材料的重要原料。Mn 0 是电子工业生产锰锌铁氧体软磁材料的重要原料。它与三氧化 二铁、氧化锌一起按一定的配比混合后,制模烧结成型,制成高性 能的导磁材料——软磁铁氧体。该导磁材料具有狭窄的剩磁感 应曲线,可以反复磁化。且其直流电阻率很高,可以避免涡流损 失。因此可用制造于高品质电感器、电视回扫变压器、电话用变压 器、磁放大器、天线棒等,也可用来制造计算机存储信息,的磁芯、 磁盘、磁带、磁头等。Mn 0 的制备方法从工艺特点及反应性质大 致可归纳成4类:焙烧法、还原法、氧化法和电解法。 度小、减少烧结过程的结晶性;高纯p—MnO。在沸腾炉中加热 至1000 oC并保持1 h,然后冷却,可制得 一Mn 0 。取EMD在 不同温度下(900—1200 )进行焙烧、冷却,测定生成物含锰量, 发现随温度升高,含锰量有上升趋势,生成Mn O 的适宜温度为 950~1100℃;产品研细并过180目筛子,然后用0.1—0.3 M的 H:SO 在40—50℃洗涤,并用蒸馏水冲洗至pH 6~7,烘干得酸 洗后产品,该产品含Mn 71.7%,除Mg偏高外,其余杂质含量均 符合电子级产品要求。为避免产后处理工艺带入杂质(如Mg), 以及高温焙烧后冷却回氧和Mn O 在酸洗时发生歧化反应,以 EMD雷磨半成品为原料,在4—6 M HNO 中于40~60℃条件下 洗涤,用蒸馏水冲洗10次,直到pH 6左右;再经105℃烘干并在 1050℃左右焙烧50~130 min后,炉外封盖真空快冷,制得的 Mn 0 再经0.1~0.3 M HNO 于4O一60℃下洗涤3次,接着用 1 Mn3O4的制备方法 1.1 高价锰氧化物法 锰系列氧化物中相对于Mn,0 较高价态的氧化物称为高价 氧化物,如Mn0 ,Mn 0 ,MnOOH等。原则上锰的高价氧化物都 可以通过还原制成Mn 0 ,一般可将MnO:(或Mn 0,)加热至 950 oC以上进行脱氧(还原)反应而制得Mn 0 ;MnO 在空气中 及丙烯和氧气中高温焙烧而制得Mn,0 ;热分析表明,p—MnO。 于935℃焙烧转换成Mn 0 ,用现代物理化学方法(x一射线、热 分解、IR光谱)确认于1100℃空气中热分解MnO 6~8 h,可得 Mn 0 。将氧锰比大于1.33(Mn,0 可表示为MnO。 )的高价 锰氧化物(MnO ,Mn:0,,MnOOH)以甲烷为还原气体在250— 550℃温度下还原生成Mn 0 ;甲烷气比其它还原气(CO,H )反 应温度低,容易在反应生成Mn 0 后终止进一步反应;随初始锰 氧化物不同,反应温度稍有差别,MnO:宜在250~400℃,而 Mn,O 或MnOOH宜在300~500℃,低的反应温度可使产品粒 作者简介:汪志勇(1980一),男,讲师,硕士,主要从事材料化学研究。 水冲洗至pH 6~7,经105 oC烘干,而后又在955~1170℃焙烧 10 min左右,最后炉外封盖真空快冷得Mn 0 成品,该成品锰含 量71.36%~71.80%,杂质含量均符合电子级产品要求。研究 还发现,Mn 0 经瓷磨后颜色由棕黑变成棕黄色,含锰量降低, 这是由于Mn,0 磨样时,局部温度升高,与氧结合生成Mn:0,的 缘故;熔烧得到的Mn 0 随着冷却速度增加和不断提高真空度, 可减少冷却时的“回氧”,即降低产品中Mn 0 含量;为避免产 品中含硫量偏高,漂洗酸宜选HNO ,而不用H SO 。 般来说,从氧化物制造的Mn O ,其质量是较好的,含杂 一较低,粒度较细,活性较好。 1.2锰盐法 原则上,多种锰盐如硫酸盐、碳酸盐,硝酸盐及高锰酸盐在 空气中或者在氧气中烧至1000℃左右时,均能转变成Mn 0 。 第40卷第13期 汪志勇:Mn 0 的制备及其应用 锰盐中最重要的是碳酸锰和硫酸锰。由碳酸锰焙烧制 Mn 04,适宜的焙烧温度是950~1050 oC,它经酸洗后,含杂量较 低,密度和比表面积较大。 水硫酸锰在200℃以上开始失去结晶水,500℃左右失去 一的电解金属Mn粉在含sO;一(MnSO )或cl一(MnC12、HC1)的溶 液中通气加热或不加热反应,通过改变氧化条件(通氧量、氧化 时间、温度、s0;一或cl一量、Mn粉粒径)可以获得Mns0 、 MnOOH以及它们的混合物。例如500 g(100目)的金属Mn粉 在300 mL、0.2 M HC1的溶液中通02 2~4 h,可得到550 g Mn 0 。另外,200目的金属Mn粉在含MnSO 的水溶液中加热 通气4 h氧化反应后,沉淀物反复4次(共16 h)吹入空气氧化, 得到含50.2%Mn 0 、49.7%MnOOH的锰混合产品。 全部结晶水而成无水盐,700%时成熔融物,850 oC开始分解,因 条件不同而放出SO,和S0:或S02和0 ,1050℃时完全分解, 残留黑色的Mn 0 。 硫酸锰水溶液与氨水溶液反应并氧化,可以制得高质量的 Mn 0 ,条件是:一边吹氧,一边将MnSO 溶液加入氨水溶液中; 氨水溶液40—8O℃;氨水溶液中NH,的浓度是硫酸锰浓度的 1.4 Fe—Mn合金法 在转炉吹炼高碳锰铁制造中低碳锰铁时,在收尘系统收集 2~3倍;硫酸锰溶液的加入速度为0.3~1.6 L/h。 以铂为电极,控制电流密度为0.3 mA/em ,电解含有甲酸 的硫酸锰溶液,可获得高纯Mn。0 。 1.3金属Mn(粉、粒、片)法 金属锰与H 0及盐类反应生成Mn,0 以盐和氨基酸为催 化剂在5O一70℃下,Mn与H 0在鼓泡通气条件下反应几小时 得到高纯Mn 0 ,催化剂与Mn形成络合物,致使Mn“活性减 小,反应速度增大。金属锰与H:0加热处理一段时间,再干燥除 H 0、空气接触氧化,可以低成本生产高纯Mn,0 ;金属锰粒度以 小于l0目为好,加热处理的温度在80℃以上为理想,反应时间 10 h以上,若反应时低于3 h,则会有未反应的金属Mn残留;加 水量最好在1.5~5.0 L/kg Mn。例如:将市场购金属锰 (99.9%),粉碎至250目,加水量2.5 L/kg lVln,反应温度100 oC, 反应时间96 h,再在100 oC蒸发掉残留水,再在空气中搅混 10 min加以氧化,产品化学分析结果:Mn 70.84%,SiO 0.002%,Ca2 <0.O0l%,Na <0.001%,SO,一40.12%,产品平 均粒径1 m以下,x射线衍射图谱表明,产品为Mn,0 。该法 工序简单,成本低,含sO 一低,具工业价值。100目的商业高纯 金属锰加人含有可溶性盐1—5 g/L的水溶液形成悬浮液,连续 导人含氧气体并加热至30~100 oC,反应1~4 h使金属锰粒完 全氧化成所希望的Mn 0 产品,然后过滤、干燥。例如,10 g Mn 金属悬浮在250 mL水中,并加入1.0 g盐类,导入氧气并加热 100℃反应2 h,由x~衍射测定产品为Mn,0 ,而另一例其它条 件同,但是悬浮液中没有盐类的,产品仍为金属锰。因此,水溶 性盐在此过程中是很关键的试剂。该工艺过程简单、产品易过 滤、反应时间短。进一步的验证试验表明,金属锰的磨细度是影 响反应速率的首要因素;随反应速度增大,产品密度(细度)减 小,同时色泽变浅。以300目电解金属锰粉为原料、设立正交试 验探讨该体系合成Mn 0 的合成条件与性能关系,发现影响产 品中锰含量的最主要因子为盐类添加剂量,其余影响大小依次 为:反应时间、加料时间、加料量;影响产品中MnO 含量的主要 因子为添加剂量;影响产品敲实密度的主要因子为加料时间和 加料量;因此,实验的最优条件为:加产量400 g锰粉加在 1600 mL水中,加料时间为60 arin,温度60℃,铵盐添加剂20 g, 反应时间3 h,所得产品Mn 70.90%,MnO:含量37.29%,松装密 度0.637 g/(3m ,敲实密度1.282 g/em。以片状电解金属锰 (99.8%~99.9%)与去离子水吸收NH 和CO:制成的氨基甲 酸盐溶液反应得MnCO 沉淀,然后在1000℃焙烧/ ̄InCO 并保 温1 h制成Mn 0 。金属锰粉(平均粒径150 m)分散在含有水 溶性有机氨基酸(甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、丁氨二酸、谷氨酸、精 氨酸、赖氨酸、甘氨酰替甘氨酸等)或无机铵盐或甲酸铵、醋酸铵 的水溶液中,并伴随搅拌和吹入空气氧化,在常温(最好加热50 —60℃)常压下生成rvln,0 ,由于上述氨基酸、无机铵盐和有机 铵盐是作为催化剂使用,因此,滤液加以调整可反复使用。磨细 的粉尘,是一种超细球形颗粒,平均粒度为0.1~3/a,m,含四氧化 二锰超过90%,含锰大于60%。转炉产生的粉尘,经布袋收尘器 收集的粉尘就是四氧化三锰粉末,其平均粒径为0.06 m。Fe— Mn合金也可通过加酸溶解、除杂、氧化等湿法工艺来制取锰氧 化物。 1.5 MnO“锰盐法 MnO2微粉( 一MnO2、13一]dnO2、天然MnO2、电解MnO2 等),搅拌均匀分散在含锰盐(MnS04、l ̄lnCl:、Mn(OAC)2等)的 水溶液中,然后在隔绝大气的情况下以一定速度滴加碱液 (NaOH、KOH、NH OH)至pH>7,搅拌保温(或室温)2 h,过滤、 用水反复洗涤,可得单相Mn 0 产品。 1.6金属锰粉悬浮液氧化法 我国Mn 0 现基本采用此法生产。在氨盐存在(如 (NH ) SO )时,金属锰悬浮液中发生反应生成的MnSO 、 NH4OH作用生成锰铵络合物Mn(NH )SO+,锰铵络合物Mn (NH3)s0 不稳定,受热析出氨和Mn(OH):沉淀,Mn(on) 遇 空气变成lVln30 。 2 Mn304的应用 四氧化三锰主要用于电子工业生产软磁铁氧体 J,利用四 氧化三锰制备的软磁材料具有狭窄的剩磁感应曲线,可以反复 磁化同时其直流电阻率很高,可以避免涡流损失且在高温下不 易产生裂痕,在电子工业中有着广泛的用途。四氧化三锰可作 为某些油漆厂或涂料的色料 J,含有四氧化三锰的油漆或涂料 喷洒在钢铁上比含有二氧化钦或含三氧化二铁的油漆或涂料表 现出更好的抗腐蚀性能 。四氧化三锰是合成铿锰氧阴极材料 众多原料中较好的一种。纳米四氧化三锰粉末可作为分解氮氧 化物和一氧化碳的催化剂和选择性还原硝基苯的还原剂。随着 人们对四氧化三锰研究的深入,四氧化三锰的优越性能和广泛 的用途越来越引起人们的重视。四氧化三锰自身的应用范围也 得到了进一步拓宽。尖晶石型四氧化三锰是合成尖晶石结构锂 锰氧阴极材料众多原料中的较好一种,具有极低的孔隙率,较高 的敲实密度 。纳米四氧化三锰粉末可作为还原氮氧化物、氧 化甲烷的催化剂等 ,纳米级四氧化三锰还可作为廉价易得 的清除CO高效催化剂 。 3 结语 随着人们对四氧化三锰磁性材料的研究深入,四氧化三锰 磁性材料制备越来越受到重视,如何在保证较低生产成本的条 件下,尽可能地提高四氧化三锰的纯度;提高比表面积,降低粒 径,更好发挥其作为药物等载体的载药效果,已经成为制备四氧 化三锰磁性材料主要考虑的因素。随着其应用范围的不断拓 展,特别是电子信息工业的飞速发展,相信末来的Mn 0 市场将 24 广州化工 2012年7月 会越来越被人们看好。 ¨ { { [7j chopra,K.S.,Pappas,N.J.,Belg.Be893677(C1.CO9D).18 OCT, 1982. 参考文献 伍喜庆,丁九生.四氧化三锰的制备方法[J].中国锰业,1996(2): 37—41. 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