Υλικά Γραφικών Τεχνών (Ε) Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Αθήνας Υλικά Γραφικών Τεχνών (Ε) Ενότητα 10: Οξείδια του σιδήρου και εφαρμογή τους στις γραφικές τέχνες Βασιλική Μπέλεση Τμήμα Γραφιστικής Κατεύθυνση Τεχνολογίας Γραφικών Τεχνών Το περιεχόμενο του μαθήματος διατίθεται με άδεια Creative Commons εκτός και αν αναφέρεται διαφορετικά Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Μαγνητικές ιδιότητες οξειδίων του σιδήρου Από τα οξείδια του σιδήρου εκείνα που εμφανίζουν μαγνητικές ιδιότητες είναι μόνο τα: γ-Fe2O3 (μαγκεμίτης, maghemite) και Fe3O4 (μαγνητίτης, επιτεταρτοξείδιο του σιδήρου, magnetite) Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθούν και μικτά συστήματα όπως Cο-γ-Fe2O3 κ.α.

Κρυσταλλική δομή μαγνητίτη Στα υλικά Fe3O4 και γ-Fe2O3 τα ανιόντα οξυγόνου έχουν κυβική διάταξη. Στην δομή του μαγνητίτη ενυπάρχουν Fe2+ και Fe3+ (γι αυτό μπορεί και να συμπεριφερθεί και ως οξειδωτικό και ως αναγωγικό μέσο). Ειδικότερα, στον Fe3O4 τα ιόντα Fe3+ τοποθετούνται τυχαία (ισοδύναμα) στα οκταεδρικά και τα τετραεδρικά κενά ενώ τα Fe2+ στα οκταεδρικά. Κρυσταλλική δομή μαγνητίτη

“Magnetite-usa51d”, από RKBot διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 3.0 Δομή Fe3O4 Η διατεταγμένη δομή του Fe3O4 περιγράφεται ως (Fe3+)[Fe2+Fe3+]O4 (για την μοναδιαία κυψελλίδα (Fe3+)8[Fe2.5+]16O32), όπου με παρενθέσεις ( ) απεικονίζονται οι τετραεδρικές θέσεις και με αγκύλες [ ] οι οκταεδρικές. “Magnetite-usa51d”, από RKBot διαθέσιμο με άδεια CC BY-SA 3.0

Mαγνητικά μελάνια Βασική εφαρμογή των μαγνητικών υλικών είναι η χρήση τους ως πιγμέντα στα μαγνητικά μελάνια που χρησιμοποιούνται για την εκτύπωση εντύπων ασφαλείας. citidel.org

tradeindia.com

Επίσης, τα μαγνητικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υλικά για την απορρύπανση υδατικών διαλυμάτων (π.χ. αποχρωματισμός ή και διάσπαση χρωστικών που προέρχονται από βιομηχανίες εκτύπωσης ή παραγωγής χρωμάτων) με δυνατότητα απομάκρυνσής τους με την χρήση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. V. Belessi, D. Lambropoulou, I. Konstantinou, R. Zboril, J. Tucek, D. Jancik, T. Albanis and D. Petridis, “Structure and photocatalytic performance of magnetically separable titania photocatalysts for the degradation of propachlor” Appl. Catal. B Envir. 87 (2009) 181–189.

Mαγνητική απομελάνωση χαρτιού Τα μαγνητικά υλικά χρησιμοποιούνται επίσης για την μαγνητική απομελάνωση χαρτιού (magnetic de-inking) δηλαδή για την απομάκρυνση σωματιδίων του τόνερ (πολλά τόνερς περιέχουν μαγνητικά σωματίδια) από τις ίνες του χαρτιού. Προφανώς εφαρμόζεται εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Να σημειωθεί ότι μπορεί να επιτευχθεί απομελάνωση έως 93% με αυτή την μέθοδο, ακολουθούμενη βέβαια από τη διαδικασία της επίπλευσης.

Εικόνα SEM που απεικονίζει την τομή laser-printed πολτού χαρτιού σε διαδικασία ανακύκλωσης.

Επίσης, όπως προαναφέρθηκε τα μαγνητικά οξείδια χρησιμοποιούνται σε συστήματα εκτύπωσης με ξηρής κατάστασης μελάνι (toner). Το σύστημα toner χαρακτηρίζεται σαν υλικό ενός αγώγιμου συστατικού. Τα σωματίδια του toner που χρησιμοποιούνται για εκτύπωση με απόθεση ιόντων είναι μαγνητικά και αγώγιμα μεγέθους 4-45 μm. Το ανώτερο όριο μεγέθους τους καθορίζει την ακρίβεια της εκτύπωσης. Η σύνθεση τυπικά είναι 50-70% μαγνητικό οξείδιο μαζί με πολυμερές σαν συνδετικό, μαύρο του άνθρακα και πρόσθετα καθαρισμού. Τα toners μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα με απόθεση ιόντων ή με σύστημα μαγνητογραφικής μεθόδου.

Μαγνητικό χαρτί Μαγνητικά υλικά χρησιμοποιούνται και για χαρτί με μαγνητικές ιδιότητες (όχι απαραίτητα οξείδια του σιδήρου)

Να σημειωθεί ότι είναι τεράστιες οι τεχνολογικές εφαρμογές των μαγνητικών υλικών αλλά και οι δυνατότητες αυτών με την νανοσωματιδιακή τους μορφή. Μεγάλο ρόλο στις μαγνητικές ιδιότητες των υλικών παίζει εκτός από το μέγεθος των νανοσωματιδίων, το σχήμα τους και κατά συνέπεια η μέθοδος παρασκευής των υλικών. oasys2.confex.com

Γενικά, τα μαγνητικά υλικά που παρασκευάζονται είναι νανοσωματιδιακής φύσης λόγω των ιδιαίτερων ιδιοτήτων που εμφανίζουν. Προφανώς καθοριστικός παράγοντας για την αποτελεσματικότητα αυτών των υλικών (π.χ. ως προς τις μαγνητικές τους ιδιότητες ή την ικανότητα αποδόμησης χρωστικών/μελανιών) είναι η μέθοδος παρασκευής τους μια και επηρεάζει το μέγεθος των σωματιδίων, το σχήμα τους και την μορφολογία τους.

Ουσιαστικά, η μέθοδος παρασκευής υλικών που σχεδιάζεται και τελικά πραγματοποιείται εξαρτάται άμεσα από την εφαρμογή στην οποία πρόκειται να χρησιμοποιηθούν τα υλικά. Για παράδειγμα, υπάρχουν εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται επιφανειακά τροποποιημένα μαγνητικά σωματίδια (υδρόφοβα). Ορισμένες από τις κοινές μεθόδους παρασκευής μαγνητίτη είναι η συγκαταβύθιση, η οξείδωση Fe(OH)2, η αναγωγή του αιματίτη με θέρμανση παρουσία H2, η αλκαλική υδρόλυση θειϊκών αλάτων και έψηση τους, η οξείδωση θειικών αλάτων σιδήρου σε αλκαλικές συνθήκες παρουσία KOH κ.α. Τα δε οξείδια Fe3O4 ή γ-Fe2O3 μπορούν να σχηματιστούν μέσω καταβύθισης από υδατικά διαλύματα δισθενούς ή τρισθενούς σιδήρου με προσθήκη βάσης.

Τον τύπο των πρόδρομων διαλυμάτων που χρησιμοποιούνται. Οι παράμετρες που επηρεάζουν το σχήμα, την σύσταση και το μέγεθος των σωματιδίων εξαρτώνται από: Τον τύπο των πρόδρομων διαλυμάτων που χρησιμοποιούνται. Τις αναλογίες τρισθενούς και δισθενούς σιδήρου. Το pΗ. Την ιοντική ισχύ του μέσου. Ο χαρακτηρισμός των υλικών γίνεται με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), SEM, TEM, μαγνητικές μετρήσεις, φασματοσκοπία Mössbauer, μέτρηση ειδικής επιφάνειας κ.α.

Πειραματικό μέρος Παρασκευή γ-Fe2O3 Συσκευές – Όργανα Ποτήρια ζέσεως Θερμαντικό μέσο με δυνατότητα μαγνητικής ανάδευσης Φυγόκεντρος Υλικά-Αντιδραστήρια Fe(NH4)2(SO4)2 6H2O KOH K2S2O8 HCl Απιονισμένο H2O

Πειραματικό μέρος Πειραματική πορεία: Ζυγίζονται 2g Fe(NH4)2(SO4)2 6H2O 1.14g KOH και 0.2g K2S2O8 τα οποία και διαλύονται σε 50, 30 και 20 ml απιονισμένο H2O, αντίστοιχα. Στη συνέχεια, προστίθεται αργά το διάλυμα KOH στο διάλυμα Fe(NH4)2(SO4)2 6H2O και τέλος στάγδην το διάλυμα K2S2O8. Σχηματίζεται ίζημα και παραμένει υπό ανάδευση επί 1h στους 60 οC. Στη συνέχεια το ίζημα αφήνεται να ψυχθεί σε θερμοκρασία δωματίου και μετά φυγοκεντρείται για 2 min. Τέλος, εκπλένεται 2 φορές (x 50 ml) με απιονισμένο νερό. Ακολουθεί η παραμονή του μαγνητικού πολτού σε διάλυμα HCl 0.01 Μ υπό ανάδευση επί 1 h και τελική του έκπλυση.

Βιβλιογραφία 1/3 https://www.youtube.com/watch?v=14DrqMcE3oM http://www.physicscentral.com/experiment/physicsathome/movemoney.cfm http://www.pentapostagma.gr/2012/03/ringtones.html#ixzz1zC6E2Wrb V. Belessi, R. Zboril, J. Tucek, M. Mashlan, V. Tzitzios and D. Petridis, “Ferrofluids from magnetic-chitosan hybrids” Chemistry of Materials 20(10) (2008) 3298-3305. V. Belessi, D. Lambropoulou, I. Konstantinou, R. Zboril, J. Tucek, D. Jancik, T. Albanis and D. Petridis, “Structure and photocatalytic performance of magnetically separable titania photocatalysts for the degradation of propachlor” Appl. Catal. B Envir. 87 (2009) 181–189. V. T. Peikov, K. S. Jeon, A. M. Lane, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 193 (1999b) 311-313. V. T. Peikov, K. S. Jeon, A. M. Lane, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 193 (1999a) 307-310. E. Papirer, E. Walter, A. Vidal, B. Siffert, H. Jakusch, J. Colloid and Inter. Sci. 193 (1997) 291–299. The printing ink manual, R.H. Leach and R.J. Pierce (editors), 5th Edition, Blueprint 1993.

Βιβλιογραφία 2/3 http://www.smartprintmedia.com/index.php/el/psifiakiektypwsi http://www.snsfox.com/technology-news/how-to-make-a-ferrofluid-magnetic-liquid/ I.Gusev, A. S.Kurlov . Nanotechnology 19 (2008). Κ. Συμεωνίδης, Διδακτορική Διατριβή, Τμήμα Φυσικής Α.Π.Θ., (2009). http://www.google.com/patents/US5849074 P. Roonasi, “Adsorption and Surface Reaction, Properties of Synthesized Magnetite Nano-Particles”, LICENTIATE THESIS, Luleå University of Technology, Department of Chemical Engineering and Geosciences, Division of Chemistry, 2007:67, Sweden. K. Deshpande, M. Nersesyan, A. Mukasyan, A. Varma, “Novel Ferrimagnetic Iron Oxide Nanopowders” Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 6196-6199.

Βιβλιογραφία 3/3 J.K. Borchardt,I J.D. Miller, M. Augusta D Azevedo, “Office paper de-inking” Current Opinion in Colloid & Interface Science, 3 (1998) 360-367. J.D. Miller, M. Azevedo, X. Nie, J. Drelich, “Recycling office waste - recovered paper deinking research at the university of Utah”. In Paper Recycling Challenge Deinking & Bleaching vol II. Edited by MR. Doshi, JM. Dyer, Wisconsin: Doshi & Associates. Inc; 1997:167,182. http://archives.sensorsmag.com/articles/1101/26/main.shtml http://www.royalsovereign.com/shoppers-guide/how-to-detect-counterfeit-us-money-with-a-royal-sovereign-counterfeit-detector.html

Τέλος Ενότητας

Σημειώματα

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Αθήνας, Βασιλική Μπέλεση 2014. Βασιλική Μπέλεση. «Υλικά Γραφικών Τεχνών (Ε). Ενότητα 10: Οξείδια του σιδήρου και εφαρμογή τους στις γραφικές τέχνες (Σύνθεση μαγνητικού οξειδίου του σιδήρου)». Έκδοση: 1.0. Αθήνα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: ocp.teiath.gr.

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό. Οι όροι χρήσης των έργων τρίτων επεξηγούνται στη διαφάνεια «Επεξήγηση όρων χρήσης έργων τρίτων». Τα έργα για τα οποία έχει ζητηθεί άδεια αναφέρονται στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

Επεξήγηση όρων χρήσης έργων τρίτων Δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, παρά μόνο εάν ζητηθεί εκ νέου άδεια από το δημιουργό. © διαθέσιμο με άδεια CC-BY Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου και η δημιουργία παραγώγων αυτού με απλή αναφορά του δημιουργού. διαθέσιμο με άδεια CC-BY-SA Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού, και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια. διαθέσιμο με άδεια CC-BY-ND Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η δημιουργία παραγώγων του έργου. διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού και διάθεση του έργου ή του παράγωγου αυτού με την ίδια άδεια. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου. διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-SA διαθέσιμο με άδεια CC-BY-NC-ND Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου με αναφορά του δημιουργού. Δεν επιτρέπεται η εμπορική χρήση του έργου και η δημιουργία παραγώγων του. διαθέσιμο με άδεια CC0 Public Domain Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, η δημιουργία παραγώγων αυτού και η εμπορική του χρήση, χωρίς αναφορά του δημιουργού. Επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου, η δημιουργία παραγώγων αυτού και η εμπορική του χρήση, χωρίς αναφορά του δημιουργού. διαθέσιμο ως κοινό κτήμα χωρίς σήμανση Συνήθως δεν επιτρέπεται η επαναχρησιμοποίηση του έργου.

Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.

Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση περιεχομένου από τα ακόλουθα έργα: https://www.youtube.com/watch?v=14DrqMcE3oM http://www.physicscentral.com/experiment/physicsathome/movemoney.cfm http://www.pentapostagma.gr/2012/03/ringtones.html#ixzz1zC6E2Wrb V. Belessi, R. Zboril, J. Tucek, M. Mashlan, V. Tzitzios and D. Petridis, “Ferrofluids from magnetic-chitosan hybrids” Chemistry of Materials 20(10) (2008) 3298-3305. V. Belessi, D. Lambropoulou, I. Konstantinou, R. Zboril, J. Tucek, D. Jancik, T. Albanis and D. Petridis, “Structure and photocatalytic performance of magnetically separable titania photocatalysts for the degradation of propachlor” Appl. Catal. B Envir. 87 (2009) 181–189. V. T. Peikov, K. S. Jeon, A. M. Lane, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 193 (1999b) 311-313. V. T. Peikov, K. S. Jeon, A. M. Lane, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 193 (1999a) 307-310. E. Papirer, E. Walter, A. Vidal, B. Siffert, H. Jakusch, J. Colloid and Inter. Sci. 193 (1997) 291–299. The printing ink manual, R.H. Leach and R.J. Pierce (editors), 5th Edition, Blueprint 1993.

Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση περιεχομένου από τα ακόλουθα έργα: http://www.smartprintmedia.com/index.php/el/psifiakiektypwsi http://www.snsfox.com/technology-news/how-to-make-a-ferrofluid-magnetic-liquid/ I.Gusev, A. S.Kurlov . Nanotechnology 19 (2008). Κ. Συμεωνίδης, Διδακτορική Διατριβή, Τμήμα Φυσικής Α.Π.Θ., (2009). http://www.google.com/patents/US5849074 P. Roonasi, “Adsorption and Surface Reaction, Properties of Synthesized Magnetite Nano-Particles”, LICENTIATE THESIS, Luleå University of Technology, Department of Chemical Engineering and Geosciences, Division of Chemistry, 2007:67, Sweden. K. Deshpande, M. Nersesyan, A. Mukasyan, A. Varma, “Novel Ferrimagnetic Iron Oxide Nanopowders” Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 6196-6199. J.K. Borchardt,I J.D. Miller, M. Augusta D Azevedo, “Office paper de-inking” Current Opinion in Colloid & Interface Science, 3 (1998) 360-367. J.D. Miller, M. Azevedo, X. Nie, J. Drelich, “Recycling office waste - recovered paper deinking research at the university of Utah”. In Paper Recycling Challenge Deinking & Bleaching vol II. Edited by MR. Doshi, JM. Dyer, Wisconsin: Doshi & Associates. Inc; 1997:167,182. http://archives.sensorsmag.com/articles/1101/26/main.shtml http://www.royalsovereign.com/shoppers-guide/how-to-detect-counterfeit-us-money-with-a-royal-sovereign-counterfeit-detector.html

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.