В настоящее время широко используются технические устройства, в которых в качестве рабочего тела выступают магнитные жидкости. Однако проблема нестабильности подобных субстанций остаётся актуальной, в связи с чем была проведена работа по созданию магнетитовой магнитной жидкости.
Что же такое ферромагнитная жидкость?
Феррожидкость — жидкая дисперсная система, коллоидный раствор с диспергированными в него твёрдыми частицами ферро- или ферримагнетика. Для предотвращения коагуляции в жидкую основу вводят ПАВ, которые образуют на магнитных частицах защитные адсорбционные слои, тем самым препятствуя расслоению жидкой и твёрдой фаз. Намагниченность возникает за счет внешнего магнитного поля.
Рис. 1. Адсорбционные слои ПАВ на поверхности частиц
Целью работы было найти лучший способ изготовления феррожидкости, чем раннее известные. Жидкие магниты не используется в технике так широко, как могли бы (далее вы поймете, как велик спектр их применения), из-за их неустойчивости. Задача исследования заключалась выборе условий для нахождения способа устранения этого недостатка и обеспечения оптимальной густоты и намагниченности. Для этого подбирались наилучшая основа, стабилизатор, определялись их соотношение и оптимизировались условия процесса приготовления феррожидкости.
Синтез магнитной жидкости происходил в 2 этапа: осаждение магнетита, выбор которого обусловлен наиболее частым его использованием в технике, и диспергирование его в базисную жидкость. Рассмотрим каждый этап подробнее.
Осаждение магнетита происходило конденсационно-химическим методом, поскольку он позволяет достичь наименьших размеров получаемых частиц, дешёв и технологичен [1, c.53]. Соли двухвалентного и трёхвалентного железа были растворены в воде, растворы нагреты до полного исчезновения осадка, пропущены через бумажные фильтры для отделения механических примесей, а далее осаждены 10 % раствором аммиака. Расчёт массы требуемых солей проводился по уравнению:
2 FeCl3 + FeCl2 + 8 NH3 + 4 H2O = Fe3O4 + 8 NH4Cl.
Полученный магнетит (Fe3O4) многократно промывали и декантировали до pH=9. На этапе осаждения часть образцов было подвергнуто центрифугированию на лабораторной центрифуге ОП-8У при 2000 об/мин для отделения воды от осадка. Вода отделялась также при пониженном давлении на фильтре Шотта, воронке Бюхнера и бумажных фильтрах. Обнаружено, что мельчайшие частицы магнетита при фильтровании под вакуумом просачивались через фильтровальную бумагу.
Следующий этап, диспергирование полученного магнетита в базисную жидкость, осуществлялся двумя путями: нагреванием на водяной бане или встряхиванием. У каждого метода есть достоинства и недостатки: так, например, нагревание на водяной бане требует жёсткого температурного контроля, а встряхивание, лишенное этого недостатка, плохо тем, что далеко не со всеми жидкостями пептизация идёт легко. На этом этапе удалось варьировать свойства получаемой феррожидкости, меняя компоненты и их комбинации, а также соотношение.
В качестве жидкости-носителя были опробованы глицерин, октан, бензин, моторное масло, масло И-20 (индустриальное, дистиллятное), поливиниловый спирт, полиметилсилоксан в различных комбинациях с ПАВ — себациновой, олеиновой кислотами, олеатом натрия. Недостаток феррожидкости, приготовленной в октане — быстрое испарение базисной жидкости, как результат — загустевание жидкости. Феррожидкость на основе поливинилового спирта при охлаждении застывала, так как поливиниловый спирт оседал, для предотвращения этого был добавлении глицерин, однако желаемого результата достичь не удалось, поскольку подвижность резко падала. Остальные основы так же оказались неудобными в использовании, за исключением И-20, обеспечивающего оптимальную намагниченность и вязкость, и полиметисилоксана, давшего наилучший результат. Силиконовое масло — устойчивая, инертная основа, не обладающая коррозийным действием по отношению к частицам железа [2, c.38]. Итак, оптимальными основами оказались октан, масло И-20 и полиметилсилоксан, в качестве ПАВ использовалась олеиновая кислота.
В ходе работы были созданы условия для получения мелких частиц Fe3O4 коллоидного размера (5–10 нм), а также определено соотношение жидкой основы, магнетита и ПАВ для приготовления наиболее устойчивого концентрата (70 % магнетита, 20 % основы и 10 % ПАВ по массе), проработан процесс пептизации. Так же были выявлены достоинства и недостатки основ и ПАВ, их совместимость. Акцентировано внимание на влияние основы на свойства ферромагнитной жидкости, так, например, при нагревании некоторые масла расширяются, а, значит, число частиц в единичном объёме уменьшается, что ведёт к снижению намагниченности.
В будущем планируется провести анализ стабилизирующих свойств ПАВ и полимеров для высокодисперсных частиц металлов с целью упрощения подбора ПАВ для каждой конкретной основы. Предполагается испытать больше основ (трансформаторные, конденсаторные, турбинные масла, фторорганическая основа) и ПАВ (анионоактивных, катионоактивных, неионоактивных) и приготовить магнитную жидкость с другими (не магнетитовыми) коллоидными частицами, например, MnZn и NiZn, соединениями кобальта.
Практическое применение ферромагнитных жидкостей велико: от печати денег до медицины и ракетостроения. Они могут использоваться для транспорта лекарств в больные органы [3, c.116] подачи топлива из баков в двигатель при бесконтактном управлении, обогащении горных пород, а также для сбора разлитой нефти.
Таким образом, благодаря различным вариациям компонентов, открываются перспективы для приготовления жидкостей с определёнными магнитными свойствами, что значительно расширяет возможности их использования.
Литература:
- Розенцвейг Р. Феррогидродинамика (1989).
- Фертман В. Е. Магнитные жидкости (1988).
- Такетоми С., Тикадзуми С. Магнитные жидкости (1993).
- Брук Э. Т., Фертман В. Е. «Ёж» в стакане (1983).
- Patricia Berger, Nicholas B.Adelman, Katie J.Beckman, Dean J. Campbell, Arthur B.Ellis, George C.Lisensky Preparation and Properties of an Aqueous Ferrofluid (1999).
- Сенатская И., Байбуртский Ф. Магнитные жидкости (2002).
