پودر اکسید آهن: موارد استفاده، ایمنی، رنگ ها و نحوه ساخت آن

پودر اکسید آهن گروهی از ترکیبات شیمیایی متشکل از آهن و اکسیژن است که یا به طور طبیعی از مواد معدنی غنی از آهن یا به صورت مصنوعی برای مصارف صنعتی و تجاری تولید می شود. در بیشتر کاربردها - از جمله لوازم آرایشی و مواد غذایی که در تماس با غذا هستند - زمانی که در محدوده های تنظیم شده استفاده می شود، ایمن است. ده‌ها کاربرد عملی در پوشش‌های ساختمانی، هنری، لوازم آرایشی و صنعتی دارد و بسته به شکل شیمیایی آن در طیف وسیعی از رنگ‌ها وجود دارد.

آیا اکسیدهای آهن بی خطر هستند؟

بله - اکسیدهای آهن به طور گسترده توسط نهادهای نظارتی بزرگ در سراسر جهان، از جمله سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) و سازمان ایمنی غذای اروپا (EFSA) به عنوان ایمن شناخته می شوند. نکته کلیدی زمینه است: شکل، اندازه ذرات، و مسیر قرار گرفتن در معرض همه چیز هستند.

• لوازم آرایشی و بهداشتی: FDA اجازه می دهد تا اکسیدهای آهن در لوازم آرایشی روی صورت، لب ها و چشم ها اعمال شود (21 CFR 73.2250). آنها از رایج ترین رنگ های مورد استفاده در زیرسازی، سایه چشم، رژگونه و رژ لب هستند. مقررات لوازم آرایشی اتحادیه اروپا (EC No 1223/2009) آنها را به عنوان رنگ‌های تایید شده تحت CI 77489، CI 77491، CI 77492، و CI 77499 فهرست می‌کند.
• استفاده از غذا: اکسیدهای آهن به عنوان رنگ های غذایی در اتحادیه اروپا (E172) برای استفاده در غذاهای خاص مانند خمیر زیتون و جایگزین های ماهی قزل آلا تایید شده است. FDA به طور گسترده آنها را به عنوان افزودنی های مستقیم غذایی در ایالات متحده تأیید نکرده است، اگرچه آنها در پوشش های دارویی خاص مجاز هستند.
• محیط های صنعتی: استنشاق گرد و غبار ریز اکسید آهن در دوره های طولانی با وضعیتی به نام مرتبط است سیدروزیس - نوعی پنوموکونیوز (بیماری ریوی) ناشی از تجمع گرد و غبار آهن. به طور کلی در مقایسه با قرار گرفتن در معرض سیلیس یا آزبست خوش خیم در نظر گرفته می شود، اما حفاظت تنفسی (N95 یا بالاتر) در محیط های تولید یا پردازش گرد و غبار توصیه می شود.
• ذرات در اندازه نانو: نانو اکسیدهای آهن (زیر 100 نانومتر) مورد استفاده در کاربردهای زیست پزشکی مانند عوامل کنتراست MRI در معرض ارزیابی ایمنی جداگانه قرار دارند. آنها مانند پودرهای فله رنگدانه نیستند.

به طور خلاصه: پودرهای اکسید آهن با درجه آرایشی و رنگدانه برای مصارف مورد نظرشان بی خطر هستند. خطر اولیه ناشی از استنشاق طولانی مدت گرد و غبار ریز در محیط های شغلی است، نه از تماس پوستی یا بلعیدن در سطوح تنظیم شده.

کدام اکسید آهن سیاه است؟

اکسید آهن سیاه مگنتیت - Fe3O4 است (اکسید آهن (II,III)). این یک اکسید با ظرفیت مخلوط است که حاوی یون‌های Fe2+ و Fe3+ در ساختار کریستالی خود است که به آن رنگ سیاه عمیق و خواص مغناطیسی می‌دهد.

درک رابطه رنگ به ترکیب هنگام تهیه یا کار با رنگدانه های اکسید آهن ضروری است:

اکسید آهن سیاه (Fe3O4) به دو دلیل غیر از رنگ قابل توجه است:

• هست فری مغناطیسی - به میدان های مغناطیسی پاسخ می دهد و آن را به طور منحصر به فردی در رسانه های ضبط مغناطیسی، فروسیال ها و کاربردهای زیست پزشکی مفید می کند.
• هنگامی که در دمای بیش از 300 درجه سانتیگراد در یک محیط اکسید کننده گرم می شود، Fe3O4 به Fe2O3 (اکسید آهن قرمز) تبدیل می شود که درک آن در کاربردهای دمای بالا مانند سرامیک و سیمان در کوره بسیار مهم است.

آیا اکسید آهن کاربرد دارد؟

پودر اکسید آهن یکی از پرکاربردترین ترکیبات معدنی در مصارف صنعتی و تجاری است. در زیر دسته بندی های اصلی برنامه با مثال های خاص آورده شده است.

ساخت و ساز و رنگدانه بتن

این تنها بزرگترین استفاده از پودر اکسید آهن مصنوعی در سطح جهان است. بر اساس برآوردهای صنعت، بیش از 300000 تن رنگدانه اکسید آهن مصنوعی سالانه در کاربردهای ساختمانی در سراسر جهان مصرف می شود. برای رنگ آمیزی استفاده می شود:

• بلوک های بتنی، سنگفرش و پانل های پیش ساخته
• کاشی سقف و آجر سفالی
• رندرها و ملات های پایه سیمانی
• آسفالت و آسفالت (اکسید آهن در برابر اشعه ماوراء بنفش بسیار پایدار است و مانند رنگدانه های آلی محو نمی شود)

دوز معمولی در بتن: 1-5٪ وزن سیمان ، با رنگ قرمز و زرد بیشتر برای اثرات ماسه‌سنگ و سفالین رایج است.

رنگ ها، پوشش ها و آغازگرها

اکسید آهن قرمز (Fe2O3) ماده فعال در آغازگرهای سنتی فلزات اکسید قرمز است. غیرفعال سازی ملایم سطوح فولادی را فراهم می کند. آغازگرهای آلکیدی و اپوکسی مدرن اغلب هنوز اکسید آهن را با غلظت حجمی رنگدانه 10 تا 30 درصد (PVC) برای مقاومت در برابر خوردگی، پایداری UV و کدورت ترکیب می‌کنند.

• آغازگرهای ضد خوردگی برای کاربردهای فولادی سازه ای و دریایی
• رنگ‌های تزئینی بیرونی (رنگدانه‌های اکسید آهن در نور سریع هستند - مانند رنگ‌های ارگانیک در معرض اشعه ماوراء بنفش تخریب نمی‌شوند)
• کفپوش های صنعتی

لوازم آرایشی و بهداشتی و مراقبت شخصی

اکسیدهای آهن رنگ های پایه در فرمولاسیون آرایش هستند. سه نوع اصلی - قرمز (CI 77491)، زرد (CI 77492) و مشکی (CI 77499) - برای دستیابی به طیف گسترده ای از رنگ های پوست مورد استفاده در فونداسیون ها، کانسیلرها و مرطوب کننده های رنگی با هم ترکیب شده اند.

• فونداسیون و کانسیلر: اکسیدهای آهن مخلوط شده با دی اکسید تیتانیوم تمام سایه های رنگ طبیعی پوست از چینی تا آبنوس عمیق را ایجاد می کند.
• خط چشم و خط چشم: اکسید آهن سیاه رنگدانه اصلی خط چشم سیاه و جایگزین ریمل در لوازم آرایشی معدنی است.
• ضد آفتاب های معدنی: برخی از رنگدانه های اکسید آهن محافظت بیشتری در برابر آن ایجاد می کنند نور مرئی (VL) و نور مرئی با انرژی بالا (HEV). - برای بیماران مبتلا به ملاسما یا شرایط پوستی حساس به نور مفید است.

سرامیک و سفال

اکسید آهن یکی از قدیمی ترین رنگ های سرامیکی است. در شیمی لعاب:

• اکسید آهن قرمز در 1-3٪ در اتمسفرهای پخت کاهشی، سبزی سلادون تولید می کند
• در 5-10٪ ، تنموکو و قهوه ای و مشکی اشباع از آهن تولید می کند
• اکسید آهن سیاه رنگ مشکی مات متمایز تولید می کند و در رنگ آمیزی بدنه ظروف سنگی و چینی استفاده می شود.

زیست پزشکی و فناوری پیشرفته

ذرات اکسید آهن در مقیاس نانو (SPIONs - نانوذرات اکسید آهن سوپرپارامغناطیس) در مرز تحقیقات پزشکی قرار دارند:

• مواد حاجب MRI: نانوذرات Fe3O4 کنتراست بافت نرم را در تصویربرداری رزونانس مغناطیسی بهبود می بخشد.
• تحویل هدفمند دارو: نانوذرات مغناطیسی را می توان با استفاده از میدان های مغناطیسی خارجی به محل های تومور هدایت کرد
• هیپرترمی مغناطیسی: SPION ها را می توان با میدان های مغناطیسی متناوب برای از بین بردن سلول های سرطانی گرم کرد

طرز تهیه پودر اکسید آهن

راه های مختلفی برای تولید پودر اکسید آهن وجود دارد، از روش های ساده DIY تا سنتز صنعتی. این روش اندازه ذرات، خلوص، قوام رنگ و کاربرد مورد نظر را تعیین می کند.

استخراج طبیعی (معدن و فرآوری)

اکسیدهای آهن طبیعی - اخرا و چتر - از ذخایر معدنی غنی از آهن استخراج می شوند، سپس:

• خرد شده و آسیاب شده تا اندازه ذرات مورد نیاز (معمولاً 1-10 میکرون برای استفاده از رنگدانه)
• برای حذف ناخالصی های محلول شسته شده است
• کلسینه شده (عملیات حرارتی) در دمای 400 تا 800 درجه سانتیگراد برای تنظیم رنگ و کاهش رطوبت

گریدهای طبیعی رنگ ثابت کمتری نسبت به گریدهای مصنوعی دارند و ممکن است حاوی ناخالصی هایی از جمله منگنز، سیلیس و اکسیدهای آلومینیوم باشند. آنها هنوز به طور گسترده در رنگدانه های هنرمندان و ساخت و ساز استفاده می شود.

تولید مصنوعی: فرآیند Laux

فرآیند Laux روش صنعتی غالب برای تولید اکسید آهن زرد (FeO(OH)) و متعاقباً اکسید آهن قرمز (Fe2O3) است. شامل:

• اکسیداسیون آهن فلزی (معمولا ضایعات آهن یا پودر آهن) در حضور آنیلین و نیتروبنزن در محیط اسیدی آبی
• این واکنش باعث ایجاد رسوب اکسید آهن زرد در کنار آنیلین می شود که بازیابی و بازیافت می شود.
• کلسینه کردن محصول زرد در دمای تقریباً 500 تا 700 درجه سانتیگراد، آن را به اکسید آهن قرمز (Fe2O3) تبدیل می کند.
• اکسید آهن سیاه (Fe3O4) با کاهش جزئی کنترل شده یا رسوب همزمان تولید می شود.

روش بارش (آزمایشگاهی و مقیاس کوچک)

یک مسیر بارش ساده‌تر مناسب برای آزمایشگاه، استودیوی هنری یا تولید دسته‌ای کوچک:

• سولفات آهن (II) (FeSO4) یا کلرید آهن (III) (FeCl3) را در آب حل کنید.
• محلول هیدروکسید سدیم (NaOH) را به آرامی اضافه کنید تا هیدروکسید آهن رسوب کند
• کنترل pH (PH هدف 8-10) و شرایط اکسیداسیون (حباب زدن هوا یا افزودن پراکسید هیدروژن) برای تعیین اینکه کدام فاز اکسید آهن تشکیل می شود.
• رسوب را فیلتر کنید، بشویید و در دمای 80 تا 120 درجه سانتیگراد خشک کنید
• با استفاده از آسیاب گلوله ای یا هاون و هاون برای دسته های کوچک به اندازه ذرات دلخواه آسیاب کنید

روش اولیه DIY (تبدیل زنگ زدگی)

ساده ترین راه برای تولید اکسید آهن قرمز خام در خانه، زنگ زدگی کنترل شده است:

• براده های پشم فولادی یا آهن تمیز را در معرض هوا و رطوبت قرار دهید (برای تسریع با آب نمک اسپری کنید)
• پس از چند روز، زنگ (مخلوطی از Fe2O3 و FeO(OH)) روی سطح ایجاد می شود.
• زنگ را خراش دهید، خشک کنید و آسیاب کنید تا به پودر ریز تبدیل شود
• برای رنگ قرمز یکدست تر، پودر را در فر با دمای 300 تا 400 درجه سانتیگراد به مدت 1 تا 2 ساعت گرم کنید تا کاملاً به Fe2O3 بی آب تبدیل شود.

این روش یک محصول ناخالص و متغیر را تولید می کند که فقط برای استفاده تزئینی یا صنایع دستی مناسب است - نه برای لوازم آرایشی، مواد غذایی یا کاربردهای صنعتی دقیق.

هنگام خرید پودر اکسید آهن به چه نکاتی توجه کنیم؟

چه برای رنگدانه های ساختمانی، فرمولاسیون لوازم آرایشی و یا لعاب سرامیکی منبعی داشته باشید، این مشخصات مهم هستند: