КОЛЛОИДНО – ХИМИЧЕСКИЕ  ЗАКОНОМЕРНОСТИ   ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ  ЧАСТИЦ   МАГНИТНЫХ  ЖИДКОСТЕЙ  С  ПОВЕРХНОСТЯМИ  НАТУРАЛЬНЫХ  ВОЛОКОН

 

Лунина  Мария  Александровна (руководитель),

Байбуртский  Феликс  Степанович (исполнитель).

 

Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева

Российская Федерация, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

E – mail: Bayburt@mail.ru

 

Общая характеристика работы

 

Актуальность  проблемы. Магнитные жидкости (МЖ) – это коллоидные системы (чёрного или коричневого цвета), содержащие высокодисперсные фер­ромагнетики, частицы которых распреде­лены в высококон­цен­трированных рас­творах поверхностно-активного вещества (ПАВ) или поли­мера. Такие системы, благодаря высокому уровню стабилизации, в практике ведут себя как гомо­генные жидкости, обладая при этом уникальными свойст­вами ферромагнетика, благодаря чему они получили большое распространение во мно­гих об­ластях науки и тех­ники (как герметизаторы в демпфирующих устройствах и как сма­зочно-охлаж­даю­щие жидкости в трущихся частях различ­ных  механиз­мов), в ме­дицине (как средство магнитоуправляемой доставки лекарственных препа­ратов к поражён­ным органам).

Перспективным направлением в этой области исследований является соз­да­ние магнитоуправ­ляемых материалов путём нанесения магнитных покрытий на поверхности твёрдых (волокнистых) немагнитных тел, включая на­ту­ральные во­локна и ткани.

С этой точки зрения большие возможности представляет процесс гетеро­коа­гуляции дисперсных частиц на посторонней поверхности. Изучению этого во­проса посвящено много исследований (Дерягин, Чернобережский, Перцов). Нане­сение магнитных слоёв на натуральные немагнитные материалы без  раз­рушения их структуры возможно методом гетерокоагуля­ции (Лунина, Хачату­рян), по­скольку остальные методы получения магнитных волокон и ни­тей из полимер­ных мате­риалов включают операцию введения магнитных час­тиц на стадии фор­мова­ния волокна.

Цель работы: Экспериментально установить и обосновать возможность создания магнитоуправляемых материалов путём нанесения слоёв магнитных частиц на поверхности немагнитных тел, используя самопроизвольный процесс гетеро­коагуляции. Исследовать влияние на агрегативную устойчивость магнит­ных жидко­стей присутствия электролита и посторонней по­верхности, а также из­менения рН среды. Установить зависимости намагниченности полученных мате­риалов от массы и распределения магнитного коагулята на поверхности волокна и определить опти­мальные усло­вия формирования поверхностных магнитных слоёв на выбранном объекте. 

Научная новизна: Установлено, что кинетика процесса гетерокоагуляции определяется исход­ным соотношением поверхностей взаимодействующих фаз. Показано, что различие электропо­верхностных и молекулярных сил на межфаз­ных границах объектов с дисперсионной средой (магнитная частица – среда и во­локно – среда) может являться движущей силой процесса гетеро­коагуляции. Ус­тановлено, что предварительное модифицирование поверхности натурального во­локна существенно изменяет массу и распределение магнитного коагулята, выде­лившегося на его поверхности после контакта с магнитной жидкостью. Показана зависи­мость намагниченности по­крытых магнитными частицами волокон от со­става магнитной жидкости, степени стабилизации и от способа предварительного мо­дифицирования волокон. Наилучшие результаты по намагничен­ности нату­раль­ных волокон достигнуты предварительным модифицированием их поверхно­сти частицами высокодисперсных металлов или молекулами ионоген­ных поверх­ностно-активных ве­ществ, которые способствуют усилению заряда, его нейтрали­зации или приводят к изменению знака заряда поверхности волокон. Анализ энер­гетических кривых подтверждает правильность выбора модификаторов.   

Практическая ценность работы. Результаты, отражающие условия нане­се­ния поверхностных слоёв магнитной фазы на немагнитных материалах могут быть использо­ваны при составлении технологических регламентов получения но­вых магнито­управляемых мате­риалов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывали на: VII  Ме­ждународной Плёс­ской конференции по магнитным жидкостям (10 – 12 Сентября 1996 года, г. Плёс); XI Междуна­родной конферен­ции моло­дых учёных по химии и химиче­ской технологии. (8 – 11 Декабря 1997 года, Мо­сква, РХТУ им. Д. И. Мен­делеева); VIII  Международной Плёсской кон­ферен­ции по маг­нитным жидкостям (7 – 10 Сентября 1998 года, г. Плёс); Московской Международной  Конферен­ции по коллоидной химии и фи­зико-химической механике, посвящённой 100-летию  П. А. Ребин­дера (4 – 8 Октября 1998, Москва, МГУ им. М. В. Ломоносова); XII Ме­ждународной конфе­ренция молодых учёных по химии и хими­че­ской технологии. (8 – 11 Декабря 1998 года, Москва, РХТУ им. Д. И. Менделеева). По теме диссертации опубликовано  5  научных статей.

 

На защиту выносятся:

1.      Кинетика гетерокоагуляции частиц магнитных жидкостей: а) в зависимости от соотношения исходных поверхностей взаимодействующих фаз; б) в зависимо­сти от характера поверхности натуральных волокон  (предварительно модифи­цированной и немодифицированной).

2.      Электрокинетические характеристики объектов исследования и влияния на них изменения рН среды.

3.      Изотермы гетерокоагуляции магнитных жидкостей различных способов полу­чения на предва­рительно модифицированных и немодифицированных поверх­ностях волокон.  

4.      Зависимости удельной намагниченности волокон (с предварительно модифи­цированными и немодифициро­ванными поверхностями) от степени их покры­тия выделившимся магнитным коа­гулятом  после контакта с маг­нит­ными жид­костями. Анализ этих зависимостей.

5.      Анализ энергетических зависимостей (в случаях парного взаимодействия маг­нитных частиц в стабилизированных магнитных жидкостях и в случаях взаи­модействия частиц с предвари­тельно модифицированными и немодифициро­ванными поверхностями волокон).

 

Основное содержание работы.

 

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель диссертаци­он­ной работы. Ука­зана практическая значимость и научная новизна получен­ных ре­зультатов.  Приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор  литературных источников.  В обзоре даны сведения о способах синтеза магнитных жидкостей,  их применении в народном хо­зяйстве; широко освещены вопросы агрегативной устойчивости и коагуляции вы­сокодисперсных систем (включая металлосодержащие и магнитные) в соот­вет­ст­вии с теорией ДЛФО (Дерягин) и отмечено важное значение структурно-механического барьера (стерического фактора отталкивания) в агрегативной устойчивости  дисперсных  систем  (Ребиндер, Фишер, Неппер)  на  примере МЖ; представлены основные положения тео­рии ге­те­рокоагуляции лиофобных систем и развитие её применительно к раз­лич­ным дис­персным системам (Муллер, Чер­нобережский, Бибик, Мади и Тамаи).  

 Во второй главе описаны объекты и методы исследования.

Объектами исследования явились МЖ,  полученные методом пептизации, но с различными ти­пами стабилизации высокодисперсных маг­нитных частиц. МЖ₁ содержала частицы магнетита (Fe₃O₄) сфериче­ской формы, стабилизированные в водной среде анионным ПАВом  (А – ПАВ) – олеа­том натрия с концентра­цией, значи­тельно превышающей ККМ₂ (70 г/л). Стабилизированные частицы МЖ₁ имели отрицательный электростатический заряд. МЖ₂ со­держала частицы гамма-ок­сида железа (g - Fe₂O₃) сфе­рической [u1] формы, стаби­лизированные в водной среде по­ли­мером – дек­стра­ном, с концентрацией 200 г/л. Стабилизированные частицы МЖ₂ имели положительный элек­тростатический заряд. Выбор магнитных жидко­стей основан на том, что МЖ₁ широко используется в промышленности, а МЖ₂ – пред­ставляет большой интерес для медицины.

 

Таблица № 1. Основные характеристики магнитных жидкостей.

 

 

 

 

r –  плотность МЖ; С – концентрация магнитной фазы; D₁, D₂ – диаметры магнитных частиц без учёта и с учётом толщины стабилизирующего слоя ПАВ или полимера, соответственно; S_уд –  удельная поверхность магнитных частиц, h – вязкости МЖ, B_S – намагниченность МЖ, s_S – удельная намагниченность МЖ.

       

В качестве натуральных волокон были выбраны шерсть и кетгут.

 

Таблица № 2. Основные  характеристики волокнистых материалов.

 

 

Методы исследования. Приготовление МЖ проведено двумя способами, сущность которых со­стояла в  получении  методом  соосаждения  солей  Fe ^{2 +} и Fe ^{3 +} в  щелочной  среде частиц маг­нитной фазы,  их  стабилизации  поверхностно-активным  веществом или по­лимером, и пептиза­ции полученных концентратов в дисперсионной среде с по­следующим центрифугированием для отделения частиц грубо­дис­персных фрак­ций. В резуль­тате получали структурированные магнит­ные сис­темы с высокой концентрацией (11,4% для МЖ₁ и 14,3 % для МЖ₂) по магнитной фазе и (7% и 20%, соответственно) стабилизатору, обла­даю­щие боль­шой агрегатив­ной устой­чивостью (в течение 3 лет).

Плотность магнитных жидкостей и волокнистых материалов была найдена пикнометрическим методом. Концентрацию магнитных жидкостей определяли гравиметрическим методом. Размер и удельная поверхность частиц магнитных жидкостей были опре­делены с помощью поточного ультрамикро­скопа и фотон-корреляционного спектрометра модели 4300 фирмы Малверн (Англия). Удельную поверхность волокнистых материалов устанавливали по сорбции красителя (метиленового голубого). Электрокинетические потенциалы частиц магнитных жидкостей  и  по­верх­ности  волокон  были определены по из­вестным ме­тодикам с помощью электро­фореза и по­тенциала протекания соот­ветственно. Ис­следования гетерокоагуляции частиц МЖ с поверхностью воло­кон про­водили оптическим  методом  с помощью  фотоэлектрического концентрацион­ного колориметра КФК – 2МП после прямого контакта разбавленных (до концентрации 1,0 кг/м³) маг­нит­ных жидкостей с волокном. Намагниченность магнитных жидкостей и волокон (с выделившимся на них магнитным коагулятом) определяли с помощью индукционного магнитометра BHMETER – 3000А и феррографа 1.033 лабора­то­рии доктора Фёрстера (ФРГ).

Третья глава  посвящена результатам эксперимента и их об­суж­дению.

В ходе проделанной работы была исследована агрегативная устойчивость магнитных жидко­стей (МЖ) двух типов (с положительно и отрицательно заря­женными частицами) и влияние на неё рН среды и присутствия электролита. Была исследована кинетика в различных условиях: в при­сутствии электролитов и без них, при различных массах волокон с предварительно модифициро­ванными и не­модифицированными поверхностями. В ходе экспериментов установили, что рав­но­весие в системе МЖ – волокно наступает лишь на 5 сутки. Это объясняется хо­рошей стабилиза­цией частиц дисперсной системы  ПАВ и полимером.

В ходе эксперимента установлено,  что  МЖ  взаимодействуют со всеми мак­рофазами,  но в разной мере.  Рассматривая  гетерокоагуляцию  частиц МЖ на по­верхности макрофазы как само­произвольно протекающий равновесный про­цесс опреде­лили значения равновесной концентрации С_Р для всех испытанных объек­тов. Большое значение имеет в этом случае  исходное соотношение по­верхностей взаимодействующих фаз, определяемое параметром q:

 

q = S_1уд ^. m₁ / S_2уд ^. m₂ = S_1общ / S_2общ             ( 1 )

 

где S_1уд,  S_2уд  – значения удельных поверхностей магнитных частиц и волокна (м²/кг), m₁, m₂  – значения масс магнитной фазы и волокна (кг), S_1общ , S_2общ – зна­че­ния общих поверхностей нахо­дящихся в контакте фаз (м²).

Ранее было показано, что гетерокоагуляция высокодисперсных ферромагне­тиков на твёрдой поверхности проявляется в двух, одновременно, но с различной скоростью протекающих процес­сах: гетероадагуляции – непосредственном взаи­модействии частиц с точками поверхности, и го­мокоагуляции – взаимодействии частиц МЖ с частицами и их агрегатами, зафиксировавшимися на поверхности. Кинетика процесса зависит от массы взятого волокна при неизменной концентра­ции магнитной жидкости. Очевидно, что изначально планируемая степень покры­тия поверхности волокна в расчёте на монослой будет определять характер проте­кающего процесса (преобладание гетероадагуляции или гомокоагуляции).

На рисунке 1 представлены результаты кинетики гетерокоагуляции в зависи­мости от массы введённого волокна при постоянной концентрации МЖ. Иссле­до­вания взаимодействия магнит­ных частиц и во­локон проводи­ли при значении рН среды  в интервале 6,0 – 8,0. Данные показывают, что процесс протекает по типу медленной коагуляции. В связи с тем, что процесс непосредствен­ного взаи­модей­ствия частиц и поверхности волокна может быть выражен (в соответствие с пред­ставлениями Мади)  уравнением С_t = С_О exp ( – K t), были рассчитаны кон­станты скорости коагу­ляции по зависимости ln (C_O / C_t) = K t.  Здесь C_O – начальная концентрация магнитной жидкости (кг/м³), C_t - концентрация в опре­делённый момент времени (кг/м³), t - время контакта магнитной жидкости с во­локном (се­кунды, с), K – константа скорости гетерокоагуляции процесса (с ^{– 1}). Ве­личины констант  скорости  гетерокоагуляции  приведены  в  таблице 3.  Данные кине­тики пока­зывают важное значение состояния поверхности волокна для этого процесса.

На рисунке 2 представлены результаты, полученные для нескольких образ­цов, включающих волокна  с  предварительно модифицированными  и  немодифицированными  поверхностями.  По­лученные  тем же  способом расчёта константы скорости K показывают, что процесс протекает наиболее эффективно при условии предварительного модифицирования поверхности волокна (в случае шерсти) вы­сокодисперсным ферромагнетиком (никель) и катионным поверхностно-актив­ным веществом  (К – ПАВ: катамин).

 

Таблица № 3. Константы скорости гетерокоагуляции частиц МЖ₁ и МЖ₂ при контакте с предварительно модифицированными и немодифицированными по­верхностями волокон в условии постоянства их масс (q = 0,02).

 

Волокно	Контакт МЖ1 с поверхностями волокон в условиях их обработки:
	При  добавлении электролита (HCl)	Пропанолозолем никеля (дисперсный магнетик)	Раствором катамина (К – ПАВ)
Шерсть	5,8 . 10 – 6   с – 1	6,9 . 10 – 6   с – 1	7,7 . 10 – 6   с – 1
Кетгут	5,5 . 10 – 6   с – 1	6,7 . 10 – 6   с – 1	7,7 . 10 – 6   с – 1
Волокно	Контакт МЖ2 с поверхностями волокон в условиях их обработки:
	При  добавлении электролита (NaOH)	Раствором (А – ПАВ)  додецилсульфата натрия	Раствором (А-ПАВ) соли Na – КМЦ
Шерсть	4,2 . 10 – 6   с – 1	5,3 . 10 – 6   с – 1	6,4 . 10 – 6   с – 1
Кетгут	3,8 . 10 – 6   с – 1	5,0 . 10 – 6   с – 1	5,8 . 10 – 6   с – 1

 

Этот вывод имеет важное практическое значение: он указывает на возмож­ность регулирования поверхности волокна и определяет выбор условий для наи­более эффективного нанесения магнит­ных слоёв.

Исследования кинетики показывают, что агрегативная устойчивость магнитной жидкости нарушается в присутствии волокна, хотя уровень этого про­цесса определяется условиями экспе­римента (например, рН среды). Это обстоя­тельство позволяет заключить, что движущей силой взаимодействия частиц МЖ с поверхностью волокна является различие поверхностных сил на границах «час­тица магнитной фазы – среда» и «поверхность во­локна – среда». В связи с этим были определены значения электрокинетических потенциалов магнитных жидко­стей и волокон при различных значениях рН среды. На рисунке 3 показано, что при  одних  и тех же  рН  сущест­вует различие  в величине  и знаке z - потенциала двух использованных жидкостей. В границах ра­бочей области рН 6 – 8  z - потен­циал МЖ₁ составил – 20 мВ, а для МЖ₂  + 8 мВ. Значения z - по­тенциала исполь­зованных волокон приведены на рисунках 4 и 5. В тех же условиях они составили: для шерсти  – 10 мВ, для кетгута – 15 мВ. После предварительной обработки по­верхности шерсти и кетгута золем высокодисперс­ного ферромагнетика (никеля) значения их z - потенциалов соста­вили соответст­венно:  – 6 мВ и  – 10 мВ,  а после предварительной обработки этих волокон раство­ром К – ПАВ (катамина) значе­ния их z - потенциалов составили – 3 мВ для шерсти и  – 7 мВ для кетгута. Такое предварительное модифицирование волокон эффективно сказалось в про­цессе ге­терокоагуляции на их поверхности частиц из МЖ₁. Анало­гично, после предвари­тельной обра­ботки поверхности шерсти и кетгута раство­ром А – ПАВ  (додецил­сульфата натрия) значения их z - потенциалов составили соответст­венно – 20 мВ и – 24 мВ,  а  после предварительной обработки этих волокон рас­твором А – ПАВ (натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы) значения их z - по­тенциалов соста­вили – 36 мВ для шерсти и – 30 мВ для кетгута. И в этом случае предварительное модифицирование волокон эффективно сказалось в процессе гетерокоагуляции на их поверхности частиц из МЖ_{2 .} Различие в величинах z - потенциалов МЖ и во­локон, таким образом, уве­личива­ется, что подтверждает предположение о влия­нии электроки­нетических характеристик взаимодей­ствующих фаз на процесс гетерокоагу­ляции, происходящий по нейтрализационному меха­низму.

Экспериментальные результаты коагуляции частиц МЖ на поверхности во­локон представлены на рисунках 6 и 7. Здесь А (адагуляция) – количество маг­нит­ного коагу­лята, перешедшего на 1 м² поверхности волокна:  

 

A = [(C_O – C_P) V / m₂)] ^. (S₁ / S₂)     или     A = [(C_O – C_P) / C_O] ^. q,    ( 2 )

 

где С_O – концентрация раствора МЖ (кг/м³), C_P – равновесная концентрация (кг/м³), V – объём МЖ  в каждой пробе (м³), m₂ – масса навески волокна (кг), S₁  -  удель­ная поверхность частиц магнитной фазы (м²/кг), S₂ – удельная по­верхность во­локна (м²/кг), q – параметр соотношения удельных по­верхностей кон­тактирую­щих фаз. Величина А характеризует степень покрытости по­верхности волокна дисперсными магнитными частицами в рас­чёте на его монослойное  заполне­ние. В соответствие с представлениями Гиббса о формировании поверхностного слоя  масса  вы­делившегося коагулята  на  1 м²  поверхности  выражается  уравнением:

 

Г = [(C_O – C_P) V ] / (m S),             ( 3 )

 

где m – масса волокна (кг), S – его удельная поверхность (м²/кг). Сравнительный анализ изотерм A = f (C_P) и Г = f (C_P)  показывает их полную идентичность: на всех изотермах просматрива­ется рез­кий подъём вверх, что свидетельствует о су­ществовании определённых концентраций (для всех случаев), при которых и выше масса (или степень покрытия) выделившегося коагулята воз­растает. 

Этот подход позволяет оценить как массу коагулята, сформировавшегося на волокне (кг/м²), так и степень покрытия поверхности  волокна магнитными части­цами  в расчёте на монослой, то есть определить распределение частиц магнитной фазы  по поверхности волокна.

После определения коллоидно-химических характеристик гетерокоагуляции были оценены энергетические параметры этого процесса. Проведённые экспери­ментальные исследования пока­зали важность значения электроповерхностных сил. Для проверки этого положения были рассчи­таны и построены потенциальные кривые, позволяющие оценить данные по гетерокоагуляции. На рисунках 8 и 9 приведены потенциальные энергетические кривые  парного взаимодействия «частица – частица» в магнитной жидкости без добавле­ния элек­тролита и с его добавлением; взаимодействия «частица – поверхность во­локна» в случаях добавления электролита в систему или предварительного моди­фицирова­ния поверхности волокна веществами, способствующими нарушению агрегатив­ной устойчивости магнитной жидкости. Рисунок 8 показывает, что МЖ имеет оп­ределённые барьеры электростатического отталкивания в области сред­них рас­стояний  (от 5 до 15 нм). Этот барьер несколько понижается в присутствии элек­тролита, однако, он сохраняет достаточно высокое значение. Присутствие волокна в системе резко изменяет картину. В этом случае барьер отталкивания отсутствует, увеличивается размер первого потенциального минимума, присутст­вуют силы дальнодействия, хотя их величина несколько меньше. При выбранных условиях поверхность волокна значительно больше поверхности магнитной фазы и энергетические кривые отражают преимущественно процесс гетероадагуляции, который осуществляется при непосредственном контакте частиц с поверхностью во­локна  на  коротких  расстоя­ниях.  На  энергетических  кривых  про­слеживается влияние предварительного  мо­дифици­рования поверхно­сти волокон.  Наибольшее различие  потенциа­лов  на  границе  МЖ  –  волокно со­провож­дается  наи­большей энергией притяжения (как в случае обработки поверх­ности К – ПАВ ка­тамином). Можно отметить, что при даль­нейшем протекании процесса, когда об­разуются агре­гаты, вид кривых изменяется, преобладает второй процесс (взаимо­действие агрегатов со свобод­ными части­цами) и тогда формиру­ется значительная область дальнодействия, что показано на ри­сунке 9. Это при­близи­тельно соответ­ствует концентрации МЖ, при которой формируются поли­слои частиц. 

Предложенные разработки являются основой для нанесения слоёв магнитных частиц на по­верхность волокон. На рисунках 10 и 11 показана зависимость удель­ной намагниченности образ­цов волокон (на примере шерсти с предварительно модифицированной и немодифицированной поверхностью) от степени покрыто­сти поверхности частицами магнитного коагулята s_S = f (A) после контакта с маг­нитными жидкостями с различным типом стабилизации и знаком заряда час­тиц. Намагниченность значительно изменяется в зависимости от способа предвари­тельного моди­фицирования волокна. По сравнению с немодифицированной по­верхностью шерсти (рисунок 10) удельная намагниченность предварительно мо­дифицированных образцов  значительно возрастает при формировании на по­верхности волокна слоёв высокодисперсного ферромагнетика (никеля) или моле­кул К – ПАВ (катамина) после контакта волокна с МЖ₁, частицы кото­рой стаби­лизиро­ваны олеатом натрия. Подобный эффект прослеживается и в случае кон­такта волокна с МЖ₂ (ри­сунок 11), частицы которой стабилизированы декстра­ном. И в этом случае мы имели резкое уве­личение удельной намагниченности во­локна при предварительном модифицировании его поверх­ности молекулами А – ПАВ доде­цил­сульфата натрия или натриевой соли карбоксиметилцеллю­лозы. Всё выше сказан­ное приводит к окончательному заключению о том, что невыравнен­ность элек­троповерхностных сил в системе «магнитная жидкость – волокно» яв­ляется осно­вой протека­ния процесса гетерокоагуляции. 

Анализ полученных результатов приводит к заключению, что в самопроиз­вольном процессе ге­терокоагуляции в системе «МЖ – волокно» определяющее значение имеет разность уровней по­верхностных сил (молекулярных и электро­поверхностных). Чем  больше это различие, тем интен­сивнее идёт процесс гете­рокоагуляции. Возможность регулирования этого процесса заключается в предва­рительном модифицировании поверхности волокон перед контактом с магнитной жидко­стью с учё­том характера стабилизации, величины и знака заряда её частиц.

 

 

Рисунок 1. Кинетика гетерокоагуляции частиц МЖ1 на поверхности шерсти в присутствии электролита (HCl) при различных значениях параметра q.

Рисунок 2. Кинетика гетерокоагуляции частиц    МЖ1 на поверхности шерсти в случае раз­личной предварительной обработки поверхности волокна при значении параметра q = 0,10.

 

 

Рисунок 3. Зависимость z– потенциала частиц МЖ от рН среды.

Рисунок 4. Зависимость z – потенциала шерсти от рН среды.

Рисунок 5. Зависимость z - потенциала кетгута от рН среды.

 

Рисунок 6. Изотермы гетерокоагуляции частиц МЖ₁ на поверхности шерсти, вы­раженные в единицах массы и поверхности коагулята, отнесённых к площади по­верхности волокна                  (-○- и -●- МЖ₁ с электролитом в контакте с волокном, -7- и -8- МЖ₁ в контакте с волокном, обработанным золем никеля, -□- и -■- МЖ₁ в контакте с волок­ном, обрабо­танным катамином).

 

      

 

Рисунок 7. Изотермы гетерокоагуляции частиц МЖ₂ на поверхности шерсти, вы­раженные в единицах массы и поверхности коагулята, отнесённых к площади по­верхности волокна (-○- и -●- МЖ₂ с электролитом в контакте с волокном, -7- и -8- МЖ₂ в контакте с волокном, обработанным додецилсульфатом натрия, -□- и -■- МЖ₂ в контакте с волок­ном, обрабо­танным натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы).

 

   

 

Рисунок 8                                                       Рисунок 9

Потенциальные кривые взаимодействия частиц магнетита, стабилизированных олеатом натрия в водной среде. Парное взаимодействие частиц по типу «сфера – сфера» -o- в МЖ₁ без добавления электролита HCl; -□- в МЖ₁ при добавлении электролита HCl. Взаимодействие частиц с поверхностью волокна (шерсти) по типу «маленькая сфера – большая плоскость» -■- при добавлении в систему элек­тролита HCl; -▲- при предварительной обработке поверхности шерсти про­пано­лозолем никеля; -u- при предварительной обработке поверхности шерсти раство­ром катамина. На рисунке 8 радиус частиц 6 ^. 10 ^{– 9}  м, на рисунке 9:  60 ^. 10 ^{– 9}  м.    

 

 

 

Рисунок 10. Зависимость удельной намагниченности шерсти от степени покрытости магнит­ным коагу­лятом (магнетитом), выделившимся на волокне из МЖ1 (-●- МЖ1 с электролитом в контакте с волокном, -8- МЖ1 в контакте с волокном, обработан­ным золем никеля, -■- МЖ1 в контакте с волок­ном, обрабо­танным катамином).

Рисунок 11. Зависимость удельной намагниченности шерсти от степени покрытости магнит­ным коагу­лятом (гамма-оксидом железа), выделившимся на волокне из МЖ2        (-●- МЖ2 с электролитом в контакте с волокном, -8- МЖ2 в контакте с волокном, об­работан­ным додецилсульфатом натрия, -■- МЖ2 в контакте с волок­ном, обрабо­танным натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы).

 

Выводы:

 

1.    Установлено, что процесс гетерокоагуляции зависит от количества взятого в эксперименте во­локна и от характера его поверхности. При больших количест­вах волокна (по отношению к массе частиц в магнитной жидкости, q <<1)), процесс протекает по типу прямого взаимодейст­вия частиц с поверхностью (ге­тероадагу­ляция) и при этом происходит заполнение монослоя. При малых ко­личествах  во­локна  (по  отношению  к  массе  частиц в магнитной жидкости,       q >1)), формируются полислои магнитной фазы на поверхности волокна. Коли­че­ственно это подтвер­ждается данными по кинетике гетерокоагуляции и расчё­том констант скорости про­цесса.

2. Установлено важное значение предварительного модифицирования волокна  для формирования на нём магнитных слоёв. Оно влечёт изменение электропо­верхностных характеристик волокна. Показано, что различие послед­них явля­ется необходимым условием  для эффективного форми­рования слоёв магнит­ных частиц, происходящего по типу нейтрализационной гетерокоагуля­ции.

3. Экспериментально установлены критические концентрации (для различных систем МЖ – во­локно) при которых масса выделившегося на поверхности коа­гулята воз­рас­тает. Полученные изотермы гетерокоагуляции МЖ₁ и МЖ₂  на во­локнах с предва­рительно модифицированной и немодифицированной поверх­ностью имеют  в об­ласти  критических концентраций выраженный подъём вверх, при­чём значения выше этих концентраций соответствуют условиям формирова­ния полислоёв маг­нитных частиц на поверхности волокна.

4. Расчёт потенциальных зависимостей U_ВЗ = f (H) показывает, что в системах  «магнитная жид­кость – волокно» барьер электростатического отталкивания пол­ностью отсутствует и гетеро­коагуляция частиц на волокне определяется ис­клю­чительно энергией притяжения. Анализ энергетических кривых хорошо со­гласу­ется с закономерностями предварительной обработки волокон.

5. Результаты расчёта энергетических кривых хорошо согласуются с данными, полученными по намагниченности. Уровень намагниченности волокна в зави­си­мости от степени покрытия по­верхности образца (адагуляции) невелик, од­нако при модифицировании достаточно резко воз­растает. Увеличение намагни­ченно­сти волокон непосредственно связано с изменением элек­трокинетиче­ского потен­циала, вызываемого  модифицированием их по­верхности­.

6. Экспериментально показана и обоснована практическая возможность нанесе­ния слоёв магнит­ных частиц на поверхности твёрдых немагнитных тел. Пред­ло­жены экспериментальные крите­рии, позволяющие подобрать  оптимальные усло­вия при проведении эксперимента на практике.     

 

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

 

1. Лунина М. А., Байбуртский Ф. С., Ромина Н. Н. Коагуляция высоко­дис­персных частиц ферро­магнетика на поверхностях твёрдых и волок­нистых тел // VII Ме­ж­дународная Плёсская конфе­ренция по магнит­ным жидко­стям. Тез. Докл. 10  – 12 Сентября 1996 года, с.22.

2. Блинов С. В., Байбуртский Ф. С., Потапенко С. В., Лунина М. А. Гете­роа­дагу­ля­ция высокодис­персных ферромагнетиков на поверхности во­локон различной при­роды: структура поверхност­ного слоя // XI Меж­дународная конференция молодых учёных по химии и химической техноло­гии. Тез. Докл. 8 – 11 Декабря 1997 года, Москва, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Ч. 1., c. 161 – 162.

3. Байбуртский Ф. С., Лунина М. А., Никитин Л. В., Миронова Л. С., Ро­мина Н. Н. Принципы мо­дифицирования волокон различной природы части­цами магнит­ной жидкости // VIII  Междуна­родная Плёсская кон­ференция по магнитным жидко­стям. Тез. Докл. 7 – 10 Сентября 1998 года, с.30 – 32.

4. Лунина М. А., Никитин Л. В., Байбуртский Ф. С., Миронова Л. С.  Коа­гу­ляци­он­ное модифици­рование натуральных и синтетических волокон как основа соз­дания новых магнитоуправляе­мых материалов //  Мос­ковская Международная конфе­ренция по коллоидной химии и физико-химиче­ской механике, посвящён­ная 100 – летию  П. А. Ребин­дера. Тез. Докл. 4 – 8 Октября 1998 года, Москва, МГУ им. М. В. Ломоносова, с. 353.

5. Байбуртский Ф. С., Лунина М. А. Вопросы применения магнитных жид­костей для разработки новых магнитоуправляемых материалов на основе волокон  // XII Ме­ждународная конференция молодых учёных по химии и химической технологии. Тез. Докл. 8 – 11 Декабря 1998 года, Мо­сква, РХТУ им. Д. И. Мен­делеева, Ч. 3., c. 94.