ПОЛУЧЕНИЕ  И  ИССЛЕДОВАНИЕ  МАГНИТНЫХ  СВОЙСТВ  МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ  НА  ОСНОВЕ  СПИРТОВЫХ  И  ВОДНЫХ  ЖИДКИХ  НОСИТЕЛЕЙ.

 

Doina Bica ¹, L. Vékás ¹, M. Raşa ²

 

1.      Laboratory of Magnetic Fluids, Center for Fundamental and Advanced Technical Research, Romanian Academy - Timişoara Branch, Bd. Mihai Viteazul no.24, 1900 Timişoara, Romania. E – mail: vekas@flumag2.mec.utt.ro

2.      Institute for Complex Fluids - "Politehnica" University of Timişoara, Bd. Mihai Viteazul no.1, 1900 Timişoara, Romania.

 

PREPARATION  AND  MAGNETIC  PROPERTIES  OF  CONCENTRATED

MAGNETIC  FLUIDS  ON  ALCOHOL  AND  WATER  CARRIER  LIQUIDS

 

Перевод c английского языка

Байбуртского Феликса Степановича

 

Резюме

 

В настоящем исследовании представлена процедура получения высококонцентрирован­ных магнитных жидкостей (МЖ) на различных полярных жидкостях, особенно на основе спиртов с количеством атомов углерода C₃-C₁₀ (пропанол – деканол), используемых в каче­стве основных носителей (дисперсионной среды). Двойной стерический слой в механизме стабилизации гарантировал высокую коллоидную стабильность образцов, позволял довести концентрацию содержания магнитной фазы в коллоиде до 65 %; магнитным коллоиды при такой концентрации обладали намагниченностью насыщения примерно 70 кА / м. Самая ма­лая область гистерезиса кривой намагничивания и самые большие значения намагниченно­сти насыщения соответствовали образцам, в которых в качестве дисперсионной среды выступал пропиловый спирт (по сравнению с образцами на основе воды и других спиртов).

 

Ключевые слова:

 

Полярные магнитные жидкости, процедура получения, магнитные свойства.

 

Введение.

 

Получение устойчивой дисперсии магнитных наночастиц на основе полярных носителей подразумевает очень тщательную процедуру стабилизации, особенно в том случае, когда не­обходимо достигнуть высоких значений намагниченности насыщения магнитных жидкостей в условиях приближения концентрации гидродинамической фракции магнитных частиц к верхнему пределу (примерно 65 %) или когда предусмотрено использование очень полярных носителей. В этом случае возможны различные механизмы стабилизации частиц в коллои­дах, что было описано в литературе [1 – 4].

В качестве полярных жидких носителей, которые были рассмотрены в работах [1, 2, 4] и в этой работе, выбраны следующие: высоковакуумное масло, содержащее полярные компо­ненты, малополярное синтетическое масло, керосин, спирты, кетоны и амины, а также вода. Большинство из них представляет интерес для различных технических и медико-биологиче­ских применений.

Среди полярных носителей, упомянутых выше (C₁ – C₁₀ ),  спирты и вода представляют особенный интерес, поскольку их степень полярности можно изменять в широких пределах. В [1] мы сообщили, что для получения высококонцентрированных магнитных жидкостей наиболее пригодными являются спирты с числом атомов углерода 4 – 10, в то время как в работе [3] Fujita с сотрудниками получал представленным методом магнитные жидкости, на спиртах с числом атомов углерода 1 – 4 , как и на ацетоне, однако концентрация магнитной фазы в них была крайне мала.

 

Материалы  и  методы.

 

1.  Главными шагами в процессе получения магнитных коллоидов на основе спиртовых носителей с общим числом атомов углерода 3 – 10 были: соосаждение ионов  Fe ^{2 +}, Fe ^{3 +} ионы в избытке концентрированного водного раствора аммиака NH₄OH при температуре 80°С ® субдоменные наночастицы Fe₃O₄ - первичная стерическая стабилизация (химическая адсорбция химически чистой олеиновой кислоты; температура 80°C) - разделение фаз - маг­нитная декантация ® монослой олеиновой кислоты охватывает наночастицы  Fe₃O₄ + сво­бодная олеиновая кислота - образование комочков/извлечение поверхности частиц - диспер­гирование в легком углеводороде (повторение процесса/продолжение) - извлечение избы­точного поверхностно-активного вещества (ПАВ) ® неполярная очищенная магнитная жидкость - образование комочков поверхности частиц - вторичная стабилизация (физиче­ская додецилбензилсульфоновой кислоты (ДБСК) и повторное диспергирование частиц Fe₃O₄ в жидкостях-носителях (спиртах) упоминаемых выше  ® магнитные жидкости на основе спиртов (C₃ – C₁₀).

Двойной слой стерического метода стабилизации применяли, используя химически чис­тую олеиновую кислоту как первичное (хемосорбируемое) ПАВ и техническую додецилбензилсульфоновую кислоту (ДБСК) как вторичное (физически адсорбируемое) ПАВ, что приводило к получению образцов высококонцентрированных магнитных коллоид­ных систем на основе спиртов (C₃ – C₁₀).

2.  Образцы магнитных коллоидов на основе воды получали по следующей схеме: Вода ба­зировалась, образцы были готовы, применяя различную процедуру: соосаждение ионов   Fe ^{2 +}, Fe ^{3 +} ионы в избытке концентрированного водного раствора аммиака NH₄OH при темпера­туре 80°С ® субдоменные наночастицы Fe₃O₄ - повторное мытье/очистка – двойной слой стерической стабилизации (ДБСК + ДБСК при температуре 80°C) ® двойной слой стерической и электростатической стабилизации наночастиц Fe₃O₄ - дисперсия магнитных наночастиц в воде - очистка ® получение магнитных коллоидов низкой и средней кон­центрации по магнитной фазе на основе воды.

 

Результаты  и  дискуссия.

 

Метод 1 показал свою эффективность при получении образцов высококонцентрированных магнитных жидкостей с концентрацией частиц магнитной фазы в коллоиде 60 – 65 % благо­даря использованию неводных носителей (средин них спирты с числом атомов углерода 3 – 10), в то время как метод 2 дал хорошие результаты при получении образцов магнитных жидкостей со средней концентрацией частиц магнитной фазы на основе воды.

В случае метода стабилизации 1 слои ПАВ имеют различный состав. Вторичный, физиче­ски адсорбируемый слой ДБСК выставляет – SO ₃ H группу в среду дисперсии. Сольватация имеет место из-за водородных связей между – ОН группами молекул спирта и  – ОН  груп­пами молекул – SO ₃ H.

В случае метода 2, когда основой магнитных жидкостей служила вода, слои ПАВ были иден­тичны (ДБСК + ДБСК), и стабилизация была смешанной, за счёт образования двойного сте­рического и электростатического защитных слоёв. Действительно, вторичный слой ДБСК имеет группы –SO ₃ ^{– 1}, ориентированные к среде дисперсии, и они охвачены гидратирован­ными NH ₄ ⁺ ионами. Следовательно, степень стабильности магнитных жидкостей на водной основе воды зависит от значений pH среды, и механизм стабилизации определяется только состоянием воды, как основного носителя частиц магнитной фазы коллоида.

Намагниченность насыщения образцов магнитных жидкостей на основе спиртов (C₃ – C₁₀) достигала 800 – 900  Гс, это самые высокие значения для магнитных жидкостей на основе спиртов из сообщавшихся ранее. Образцы магнитных жидкостей на основе воды имели на­магниченность насыщения приблизительно до 400 Гс, однако их стабильность уменьшалась с увеличением доли частиц магнитной фазы в составе коллоидной системы.

Магнитные, магнитооптические, реологические и магнитореологические методы исследо­ваниях характеристик в настоящее время представлены в прилагаемых работах [5 – 8]. В на­стоящей работе кривые намагничивания образцов представляют на обозрение их уникальные свойства. На рисунке 1 представлены полные кривые относительного намагничивания об­разцов магнитных жидкостей M / Ms = f (H) полученных на основе спиртов (C₃ – C₁₀) (M_s ~ j_p,  где M_s – намагниченность насыщения магнитной жидкости, j_p – концентрация частиц магнитной фазы). Невысокое значение гистерезиса кривой намагничивания этих кривых дифференцируется между наиболее полярным образцом магнитной жидкости на основе про­пилового спирта и другими спиртами, являющимися основами для других магнитных жид­костей, как показано на рисунке 2. Небольшое различие, представленное на рисунке 2 между МЖ на основе пропанола (C₃) и МЖ на основе других спиртов (C₄ – C₁₀) показывает, что в образце на основе пропанола C₃ тенденция к образованию агломератов из частиц магнитной фазы не так высока. На рисунке 3 показано, что высококонцентрированная МЖ на основе пропанола является более устойчивой к образованию агломератов из частиц магнитной фазы, чем МЖ на водной основе, причём последняя, вследствие этого явления обладала меньшей степенью стабильности, по сравнению с предыдущей.    Присутствие агломератов в МЖ на основе воды приводило к тому, что эта образцы этой МЖ обладали намного большей начальной магнитной чувствительностью (восприимчивостью) по сравнению с МЖ на ос­нове пропанола, где кривая намагничивания имела менее выраженный гистерезис, чем МЖ на основе воды (рисунок 3).

 

 

Рисунок 1. Уменьшение кривых намагничивания высококонцентрированных

МЖ на основе спиртов (C₃ – C₁₀). Рекомендованный фактор сокращения 0,45.

 

Поскольку это было показано скоростью отложения осадка и электрофоретическими ис­следованиями для МЖ на основе пентанола [9], высокая степень стабильности может объяс­няться как стерическим, так и электростатическим отталкиванием между дисперсными час­тицами, однако происхождение электростатического отталкивания не является аналогичным тому, что наблюдается в методе 2 (при получении МЖ на водной основе) и нуждается в дальнейших исследованиях.

Стабилизация МЖ на основе спиртов (C₃ – C₁₀) была достигнута за счёт оптимального  соотношения массы вторичного ПАВ относительно массы первичного ПАВ, охватывающего наночастицы Fe₃O₄. Это массовое отношение было найдено таки образом, чтобы быть при­близительно тем же самым для МЖ на основе спиртов (C₄ – C₁₀) и, приблизительно на 25 %, больше для более полярной МЖ на основе пропанола.

 

Рисунок 2.  Уменьшение кривых намагничивания высококонцентрированных МЖ на основе спиртов (C₃ – C₁₀) в области слабых полей. Рекомендованный фактор сокращения 0,45.

 

 

Рисунок 3. Уменьшение кривых намагничивания МЖ на основе пропанола

и воды в области слабых полей. Рекомендованный фактор сокращения 0,45.

 

Полученные образцы МЖ на основе ряда спиртов (C₃ – C₁₀) показали высокие значения намагниченности насыщения в сочетании с прекрасной коллоидной стабильностью.

 

Подтверждение

Авторы благодарят профессора Иоанна Антона за поддержку настоящих исследований по грантам № 121/1999 и № 64/2000 Румынской Академии Наук.

 

Библиографический  список:

 

1.      Doina Bica, L. Vékás, Magnitnaia Gidrodinamika (Magnetohydrodynamics), Riga, 30(1994) 194-196.

2.      Doina Bica, Romanian Reports in Physics, 47(1995) 265-272.

3.      T. Fujita, T. Miyazaki, H. Nishiyama, B. Jeyadevan, J. Magn. Magn. Mater., 201(1999) 14-17.

4.      Doina Bica, Romanian Patent, RO 90078, (1985).

5.      M. Raşa, Eur. Phys. J. E 2(2000) 265-275.

6.      L. Vékás, M. Raşa, Doina Bica, J. Coll. Int. Sci., 231(2000) 247-254.

7.      L. Vékás, Doina Bica, I. Potencz, Daniela Gheorghe, Oana Bălău, M. Raşa, Progr. Colloid Polym. Sci. (2001, to appear).

8.      V. Socoliuc, Doina Bica, Progr. Colloid Polym. Sci. (2001, to appear).

9.      L.N. Donselaar, A. P. Philipse, J. Suurmond, Langmuir, 13(1997), 6018.