НОВЫЕ  ПОДХОДЫ  В  ТЕХНОЛОГИИ  ПОЛУЧЕНИЯ  МАГНИТНЫХ  ЖИДКОСТЕЙ

И  МАГНИТНО - РЕОЛОГИЧЕСКИХ  СУСПЕНЗИЙ  ТЕХНИЧЕСКОГО  НАЗНАЧЕНИЯ.

 

Байбуртский Ф. С., Пятибратов Ю. П.

Институт биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН.

Москва, 119991, ул. Косыгина, д. 4. Телефон: 936 – 17 – 45. E – mail: Bayburt@mail.ru

Глухоедов Н. П., Степанов Г. В. 

Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений, Москва, 111123, шоссе Энтузиастов, д.38.

E – mail: Gstepanov@mail.ru 

 

Получение магнитных жидкостей (МЖ) и магнитно-реологических суспензий (МРС) с за­данными свойст­вами является важной задачей для современной промышленности и науки в целом. В настоящее время подоб­ные коллоидные системы, представляющие собой устойчи­вые взвеси наночастиц магнитных металлов и ферри­тов в соответствующих жидкостях-но­сителях (дисперсионных средах), могут быть использованы как рабочие среды в демпферных устройствах и в процессах магнитной сепарации немагнитных материалов (руд), как сма­зоч­ные и герметизирующие материалы и как теплоносители, поведение которых можно регули­ровать при по­мощи наложения сил внешнего магнитного поля.

В настоящей работе была поставлена задача получения устойчивых в гравитационном и магнитном полях МЖ и МРС технического назначения. Нами  были получены несколько об­разцов требуемых материалов. Все они изготовлены на основе ферритов, а также с примене­нием различных систем стабилизации магнитных нано­частиц в различных средах.

 

I . Магнитные жидкости.

I. 1. Магнитные жидкости на основе глицерина и смеси глицерина и этиленгликоля.

1.      Магнитные наночастицы дисперсной фазы (магнетита) получали реакцией соосаждения водорастворимых солей железа FeSO₄ и FeCl₃ (соотношение солей Fe (III) /  Fe (II) = 2 / 1) водным раствором аммиака (взятым в избытке по объёму или концентрации). Процесс проводили при интенсивном перемешивании. Частицы многократно отмывали от остат­ков солей, образовавшихся в ходе реакции осаждения, дистиллированной водой с маг­нитной декантацией частиц на постоянном магните (индукция поля 1500 Эрстед).

2.      В загущённую водную суспензию магнетита вводили расчётное количество поверхно­стно-активного веще­ства (ПАВ, на 10 г магнетита – 7,5 г ПАВ). В качестве последнего использовали натриевую соль олеиновой кислоты (олеат натрия). При постоянном пере­мешивании реакционную смесь прогревали при 80 – 90°С на водяной бане в течение од­ного часа, после чего давали остыть и подвергали центрифугированию при 3000 оборотах в минуту для отделения крупных частиц. Полученную водную магнитную жидкость ис­пользовали как полуфабрикат в процессах получения магнитных жидкостей на основе глицерина и смеси глицерина и эти­ленгликоля. Водная МЖ хорошо притягивалась маг­нитом и не содержала посторонних нестабилизирован­ных частиц.

3.       В водную магнитную жидкость добавляли глицерин (из расчёта 1 литр водной МЖ – 200 мл глицерина) и при постоянном перемешивании полученную смесь нагревали на песча­ной бане для выпаривания воды до тех пор, пока общий объём реакционной массы не со­ставлял около 400 мл.   Полученная МЖ на глицерине представляла собой густую, но достаточно текучую массу («патоку»), которая хорошо реагировала на воз­действие внешнего магнитного поля. В другом случае в водную магнитную жидкость добавляли этиленг­ликоль (или антифриз «Тосол» с голубой окраской, содержащий этиленгликоль (из расчёта на 1 литр вод­ной МЖ – 500 мл этиленгликоля или 1 литр «Тосола») и при постоянном перемешивании полученную смесь подвергали аналогичному выпариванию на песчаной бане до тех пор, пока общий объём реакцион­ной массы не достигал 600 мл. Для получения МЖ на основе смеси этиленгликоля и глицерина брали 50 мл МЖ на глице­рине, добавляли 10 мл  МЖ на водной основе и 10 мл МЖ на основе этиленгликоля, массу тщательно перемешивали и устанавливали в химическом стакане на постоянный магнит с индукцией 1500 Эрстед (зазор между полюсами 10 мм) на один час. После, удерживая стакан на магните, осторожно сливали верхнюю часть жидкости в отдельную ёмкость, а нижнюю, более намагничиваемую часть, собирали в специальный приёмник. Подобное концентрирование МЖ в поле постоянного магнита позволило полу­чить маг­нитный коллоид, в два раза превосходящий по намагниченности насыщения образцы МЖ на водной основе и сохраняющий хоро­шую текучесть, в сравнении с МЖ на основе гли­церина. Верхний «остаток» использовался для концентри­рования новой партии МЖ на песчаной бане для получения образца МЖ на глицерине. Полученные магнитные жидко­сти хорошо разбавлялись дистиллированной водой и также легко концентри­ровались при упаривании воды на песчаной бане. Характеристики полученных МЖ приведены в таб­лице 1.

 

Таблица 1. Характеристики МЖ на глицериновой и этиленгликоль-глицериновой основах.

 

Свойства МЖ	На основе глицерина	На основе смеси эти­ленгликоля и глице­рина
1. Плотность r, кг / м 3	1440	1350
2. Вязкость h, Па . с	1650 . 10 – 3	1280 . 10 – 3
3. Концентрация магнитной фазы С масс. %	28 – 33	22 – 25
4. Магнитный наполнитель	Магнетит (Fe3O4)	Магнетит (Fe3O4)
5. Диаметр магнитных частиц D, м	(10 – 20) . 10 – 9	(10 – 20) . 10 – 9
6. Намагниченность насыщения M ¥, кА / м.	30 – 35	24 – 28
7. Температурный диапазон эксплуатации.	От – 10 до + 200°С	От  – 15 до 150°С

 

I. 2. Магнитные жидкости на минеральном и силиконовом маслах.

Получение МЖ на минеральном и силиконовом маслах производили в несколько этапов.

1.      Операция получения частиц магнитной фазы была полностью аналогична операции в разделе I. 1.

2.      Операция получения водной МЖ была полностью аналогична операции в разделе I. 1.

3.      В водную МЖ при непрерывном перемешивании добавляли 10 – 15 % раствор серной или соляной кислот и устанавливали химический стакан с содержимым на постоянный магнит. После осаждения густой магнит­ной пасты процесс перемешивания прекращали и отбирали осветлённую верхнюю часть жидкости при по­мощи сифона (или груши). Затем стакан снимали с магнита, заливали дистиллированной водой густой оса­док магнитной массы и при постоянном перемешивании нагревали до начала кипения воды. Остатки об­ра­зовавшихся солей и свободной олеиновой кислоты экстрагировались из магнитной массы в процессе на­грева и выделялись в водной фазе над магнитным осадком. После этой операции снова устанавливали ста­кан на магнит и, с помощью сифона, отделяли ма­точный раствор от магнитного осадка. Затем кипятили дистиллиро­ванную воду и крутым кипятком снова заливали магнитный осадок и тщательно перемешивали содержи­мое. По­сле охлаждения содержимого маточный раствор снова удаляли с помощью сифона. Опе­рацию по­вторяли до тех пор, пока маточный раствор не приобретал абсолютно прозрач­ного вида и становился прак­тически бесцветным.  При этом магнитная фаза чёрного цвета хорошо отделялась от воды и напоминала собой асфальтоподобную массу. По окончании промывки и удаления последнего маточного раствора для удаления остатков воды стакан с магнитной фазой прогревали на песчаной бане при постоянном переме­ши­вании или промывали дисперсную фазу ацетоном или диоксаном (осушали). Затем маг­нитную пасту за­ливали (в расчёте на 20 г магнитной пасты) 100 мл смеси состава: гексан (10% об.), уайт-спирит (10% об.), минеральное (веретённое) масло или силиконовое (по­лиэтилсилоксановое) масло (70% об.), олеиновая кислота (10% об.) и , перемешивая, на­гревали на водяной бане в течение одного часа. После выкипания легкокипящего гексана процесс останавливали, реакционную массу охлаждали и центрифугировали при 3000 оборотах в минуту для отделения грубодисперсных частиц магнитной фазы. Отцентри­фугированные золи снова прогревали при постоянном перемешивании на песчаной бане для выкипания уайт-спирита. Та­ким образом, магнитная фаза концентрировалась в высо­кокипящих минеральном или силиконовом маслах.  Полученные магнитные коллоиды имели вид вязких жидкостей, сохранявших свою текучесть, и имевших хорошие значения намагниченности насыщения. Характеристики МЖ приведены в таблице 2.

 

Таблица 2. Характеристики МЖ на минеральном и силиконовом маслах.

 

Свойства МЖ	На  основе минерального (веретённого)  масла	На основе силиконового (полиэтилсилоксанового) масла
1. Плотность r, кг / м 3	1150	1250
2. Вязкость h, Па . с	30 . 10 – 3	40 . 10 – 3
3. Концентрация магнитной фазы С масс. %	35 – 40	30 – 38
4. Магнитный наполнитель	Магнетит (Fe3O4)	Магнетит (Fe3O4)
5. Диаметр магнитных частиц D, м	(10 – 20) . 10 – 9	(10 – 20) . 10 – 9
6. Намагниченность насыщения M ¥, кА / м.	30 – 35	24 – 28
7. Температурный диапазон эксплуатации.	От – 30 до + 170°С	От  –  30 до 130°С

 

II. Магнитно-реологические суспензии.

II. 1. Магнитно-реологическая суспензия на глицерин-этиленгликолевой основе.

Получение магнитно-реологической суспензии на глицерин-этиленгликолевой основе произ­водили в несколько этапов:

1.      Получали высокодисперсный магнетит по технологиям, рассмотренным в разделах I. 1. и I. 2. Сконцентрированную в магнитном поле суспензию подвергали фильтрованию, про­пуская пульпу через бу­мажный фильтр на воронке Бюхнера. Удержанный магнитный осадок, максимально отделённый от влаги, содержащий сферические частицы магнетита, переносили в химический стакан, в котором смешивали с равным по расчётной массе су­хим порошком гамма-окида железа (маггемита) (на 50 г магнетита – 50 г маг­гемита), по­сле чего смесь тщательно перемешивали шпателем до получения густой однородной массы.

2.      В полученную магнитную массу вводили специальный пластификатор для разжижжения бетонных смесей и цементного теста С – 3 (содержащий лигносульфонаты и полиметил­метакрилаты) в количестве 3 – 5 % по массе от массы магнитной пасты (3 – 5 г сухого порошка пластификатора на 100 г магнитной массы). После этого смесь тщательно пере­мешивали с помощью механического диспергатора (или миксера) с металличе­скими ме­шалками и устанавливали на постоянный магнит. Кристаллизационная вода отделялась сифоном.

3.      Смешивали 40 мл глицерина и 40 мл этиленгликоля и при 60°С (на водяной бане) в этой смеси растворяли 2 – 3 г полиэтиленгликоля (молекулярная масса 2000 Дальтон). После приготовления этой смеси ей, не да­вая остыть, заливали ожижженную магнитную массу и продолжали перемешивать при помощи механического диспергатора в течение получаса. По мере понижения температуры магнитная псевдогомогенная масса увеличивала свою вязкость. При очень большой вязкости в систему дополнительно вводили 20 – 30 мл смеси этиленгликоля и глицерина, взятых в соотношении 1:1, и массу снова перемешивали. В отсутствие полиэтиленгликоля можно было использовать про­дажное жидкое стекло (силикатный клей). Магнитно-реологическая суспензия имела вы­сокую намагниченность насыщения и «за­стывала» при индукции магнитного поля 1500 Эрстед, а при её снятии – свободно растекалась.

II. 1. Магнитно-реологическая суспензия на масляной основе.

Получение магнитно-реологической суспензии на масляной основе производили в несколько этапов:

1.      Как и в случае магнитно-реологической суспензии получали высокодисперсный магнетит и после отделения маточного раствора его дополнительно осушали  ацетоном или диоксаном. После этой операции магнетит смешивали с порошком игольчатого маггемита.

2.      Минеральное  (веретённое) масло (80 мл на 100 г магнитной фазы) разогревали на водя­ной бане до 60 – 80°С и при постоянном перемешивании в него вносили 10 мл олеиновой кислоты и 10 г специальной ваку­умной смазки (или солидола).

3.      Разогретой масляной смесью заливали высушенную магнитную массу и в течение одного часа её переме­шивали с помощью механического диспергатора. По мере понижения тем­пературы магнитная псевдогомо­генная масса увеличивала свою вязкость. При очень большой вязкости в систему вводили дополнительно 20 – 30 мл минерального масла и массу снова перемешивали. Магнитно-реологическая композиция имела высокую намаг­ниченность насыщения и «застывала» при индукции магнитного поля 1500 Эр­стед, а при её снятии – свободно растекалась. Характеристики полученных магнитно-реологических сус­пензий приведены в таблице 3.

 

 Таблица 3. Характеристики МРС на основах глицерин-этиленгликоля и минерального масла.

 

Свойства МРС	На глицерин- этиленглико­левой основе	На основе минерального (вере­тённого) масла
1. Плотность r, кг / м 3	1420	1250
2. Вязкость h, Па . с	1510 . 10 – 3	140 . 10 – 3
3. Концентрация магнитной фазы С масс. %	40 – 45	30 – 38
4. Магнитный наполнитель	Магнетит (Fe3O4) и маггемит ( g - Fe2O3)	Магнетит (Fe3O4) и маггемит ( g - Fe2O3)
5. Диаметр магнитных частиц D, м	20 . 10 – 9 (Fe3O4) и 2 . 10 – 6 ( g - Fe2O3)	20 . 10 – 9 (Fe3O4) и 2 . 10 – 6 ( g - Fe2O3)
6. Намагниченность насыщения M ¥, кА / м.	30 – 35	24 – 28
7. Температурный диапазон эксплуатации.	От – 30 до + 170°С	От  –  30 до 130°С

 

Полученные магнитные системы были использованы в процессах механической обра­ботки металлов (реза­нии, точении и сверлении, то есть как смазочно-охлаждающие материалы), а также в демпферных и амортизи­рующих устройствах и герметизаторах в каче­стве рабочей среды.

 

В настоящее время подана заявка на Патент Российской Федерации по технологии производства магнитных жидко­стей и магнитно-реологических суспензий указанными выше методами.