КОЛЛОИДНАЯ  УСТОЙЧИВОСТЬ  ВОДНЫХ  СУСПЕНЗИЙ

ГЕКСАГОНАЛЬНЫХ  ФЕРРИТОВЫХ  ПОРОШКОВ

 

Андреев В. Г. ¹,  Гончар А. В. ²,  Егоров Р. Н. ²,

Летюк Л. М. ²,  Шишканов А. Н. ²,  Шипко М. Н. ³

 

1.      Кузнецкий колледж электронной техники

      Пензенская область, город Кузнецк, 442513, улица Белинского, дом 4

2.      Московский государственный институт стали и сплавов

      Москва, 117936, Ленинский проспект, дом 4, телефон 8 – (095) – 230 – 44 – 51 .

      E – mail: letyuk@mail.ru   

3.      Ивановский государственный энергетический университет

      Иваново, 153003, улица Рабфаковская, дом 34.

 

Гексагональные ферриты весьма перспективны в производстве магнитных жидкостей бла­годаря большим размерам однодоменных частиц (0,8 мкм). Это обеспечивает высокую энер­гию взаимодействия однодоменных частиц с внешним магнитным полем [1]. Существенным недостатком концентрированных водных суспензий гексагональных ферритовых порошков (с содержанием твёрдой фазы более 40 объёмных %) является низкая коллоидная устойчи­вость, что тормозит их широкое использование в качестве магнитных жидкостей.

Основными причинами, вызывающими нестабильность водных суспензий порошков гек­сагональных ферритов являются дипольное взаимодействие между близко расположенными намагниченными частицами [2] и растворимость катионов щелочноземельных металлов Sr ^{2 +} и Ba ^{2 +} в воде (8 кг / м ³ и 17 кг / м ³ соответственно, при 20°С) с последующим проявлением вяжущих свойств, вызывающих снижение вязкости суспензий [3].

Механизм проявления вяжущих свойств может быть представлен следующим образом. Из-за диффузии катионов Sr ^{2 +} и Ba ^{2 +} из гексаферрита в воде поверхность частиц заряжа­ется отрицательно. Отрицательно заряженные частицы выступают в роли основания и вызы­вают гидролиз с присоединением ионов H+ к этой поверхности [4]. Реакция гидролиза ком­пенсирует отрицательный заряд частиц, а свободные ионы OH ^– создают щелочную среду. При пересыщении катионами Sr ^{2 +} и Ba ^{2 +} в растворе образуются полимерные цепи по схеме [4]:     Me ^{2 +} + 2 OH ^–  > HO – Me – OH  

           HO – Me – OH + HO – Me – OH > HO – Me – O – Me – OH + H ₂ O

           HO – Me – OH + HO – Me – O – Me – OH > HO – Me – O – Me – O – Me – OH + H ₂ O

Формирование полимерных цепочек вызывает увеличение вязкости суспензии при её хра­нении. Со временем эти цепи создают пространственный каркас и переходят в конденсаци­онно-кристаллизационные структуры, проявляя вяжущие свойства. Для предотвращения этого явления необходимо ограничить рост цепей и их взаимодействие.

В процессе механического перемешивания суспензий гексаферритов происходит частич­ное разрушение полимерных цепочек, что вызывает снижение вязкости. Процесс такого об­ратимого изменения вязкости суспензии называется тиксотропией. Для контроля этого про­цесса используется коэффициент тиксотропного упрочнения K( = (2 / (1, где (1 - вязкость суспензии сразу после её приготовления, (2 - вязкость суспензии после хранения (в течение 10 минут).

Заметное уменьшение вязкости суспензий гексаферритов и их стабилизация достигается при введении в состав суспензии 0<1–0,3 массовых % полиакрилата триэтаноламмония (ПАКТЭА). Эта соль в воде подвергается гидролизу с образованием недиссоциированных ионогенных групп (– COOH) и может выполнять роль ионита, снижая концентрацию катио­нов Sr ^{2 +} и Ba ^{2 +} в растворе:  2 (– COOH) + Sr ^{2 +} > – COO – Sr – OOC ^– + 2 H +     или

                                                  2 (– COOH) + Ba ^{2 +} > – COO – Ba – OOC ^– + 2 H +

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Образование двойного электрического слоя

на поверхности частиц гексаферрита при введении в суспензию ПАКТЭА.

 

 

Рисунок 2. Зависимость вязкости свежеприготовленных суспензий гексаферритов с объёмным содержанием твёрдой фазы 0,5 и размером частиц 0,8 мкм от количества вводимого ПАКТЭА: 1 – феррит стронция; 2 – феррит бария.

 

Рисунок 3. Зависимость коэффициента тиксотропного упрочнения суспензий гексаферритов с объёмным содержанием твёрдой фазы 0,5 и размером частиц 0,8 мкм от количества вводимого ПАКТЭА: 1 – феррит стронция; 2 – феррит бария.

 

В результате образуется малорастворимое соединение, которое, адсорбируясь на поверх­ности частиц гексаферрита, образует прослойку и тормозит дальнейшую диффузию катионов Sr ^{2 +} и Ba ^{2 +} в воде с поверхности феррита. С другой стороны, наличие диссоциированных ионогенных групп  (– COO – ) у ПАКТЭА усиливает отрицательный заряд на поверхности гексаферрита. Адсорбированные полианионы ПАКТЭА и противоионы триэтаноламмония (C ₄ H ₄ OH) ₃ NH ⁺ формируют двойной электрический слой у поверхности частиц (рисунок 1), что вызывает возникновение кулоновских сил взаимного отталкивания отрицательно за­ряженных частиц. Всё это обеспечивает стабилизацию и снижение вязкости суспензий (ри­сунки 2 и 3).

Оптимальное количество вводимого в суспензию ПАКТЭА зависит от дисперсности гек­саферрита. Увеличение удельной поверхности вызывает возрастание количества центров, на которых адсорбируются молекулы, и поэтому оптимальная концентрация примерно пропор­циональна удельной поверхности.

Формирование немагнитных прослоек ПАКТЭАВ на поверхности частиц гексаферрита снижает магнитное взаимодействие между частицами, номагнитная коагуляция частиц пол­ностью не исключается, что подтверждается сохранением высоких значений констант тиксо­тропии (КТ = 1,8 – 2,6).

Для полного исключения магнитной коагуляции в суспензии необходимо ввести дисперс­ные частицы (со средним размером частиц 0,2 – 0,3 мкм) парамагнитного оксида, например, оксид железа (III) в количестве до 0,1 объёмной доли (рисунки 4 и 5). Благодаря тепловому движению и энтропийному фактору эти частицы вклиниваются между частицами гесафер­рита и препятствуют их магнитной коагуляции. Это значительно снижает вязкость суспензий и повышает коллоидную устойчивость.

 

Библиографический  список:

 

1.      Бибик Е. Е. Коллоидные ферромагнетики // Журнал всесоюзного химического общества, 1989, - Т. 34, - № 2, - С. 68 - 74.

2.      Rosenszveig R. E., Kaiser R., Miskolczy G. // Journal of colloid and interface science. 1969,  V.24, -  № 4, - P.680 - 686.

3.      Slalaugh W. and Parson T. General chemistry. / John wiley and sons, inc. 1976, N. Y. - London.

4.      Гончар А. В., Таравко М. В., Андреев В. Г., Летюк Л. М. // Известия вузов. Серия :

      материалы электронной техники, 1998, № 1, С. 38 - 41.