РАЗРАБОТКА МЕТОДА СИНТЕЗА ДЕШЁВЫХ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Кекало Е. А., Горошко Н. Н.

Белорусский государственный университет,

Республика Белоруссия, Минск, 220050, ул. Ленинградская,

дом 14, лаборатория 517. E – mail: E_kekalo@mail.ru.

Данная работа посвящена разработке метода синтеза устойчивых

дешёвых магнитных жидкостей с водной дисперсионной средой.

Материал и методика.

В качестве феррофазы использованы магнитные оксиды железа, получаемые аммиачным гидролизом смеси солей железа (II) и железа (III). Образующийся при гидролизе осадок отмывался методом магнитной декантации до рН 8,5 – 9 и пептизировался при помощи олеата триэтаноламина при температуре 60°С в жидкости-носителе (вода).

Образцы коллоидов и продукты их термообработки на воздухе исследовались методами химического количественного и рентгенофазового анализа, просвечивающей электронной микроскопии. Проведены также дериватографические исследования образцов коллоидов и измерена их намагниченность насыщения.

Результаты и их обсуждение.

Полученные по предложенной методике образцы сохраняют устойчивость в течение длительного времени (более 5 – 7 лет) а также свои магнитные и плёнкообразующие свойства при хранении в ёмкостях из тёмного стекла. Содержание фазы в образцах достигает 20 – 25 % от массы магнитной жидкости, что сопоставимо с содержанием феррофоазы в наиболее концентрированных магнитных жидкостях с неводной дисперсионной средой [1,2]. Наиболее устойчивые и концентрированные магнитные жидкости синтезированы при рН стабилизации, равной 8,5. Введение стабилизатора в осадок (с небольшим количеством воды), отмытый до рН = 7, приводило к расслоению коллоида после центрифугирования с F = 4000g. Введение же стабилизатора в сильнощелочную среду (рН = 10) приводило либо к расслоению коллоида, либо к образованию низкоконцентрированных систем, непригодных для получения плёнок.

Большой избыток олеата ТЭА ведёт к уменьшению намагниченности, что одновременно сопровождается резким повышением вязкости раствора и заметным снижением его устойчивости. Оптимальным же соотношением феррофазы и олеата ТЭА, при котором достигается высокая намагниченность, является такое, при котором отношение их масс равно 1,5 – 2. Полученные нами данные хорошо согласуются с литературными. Аналогичная зависимость наблюдается и при использовании в качестве стабилизатора олеата натрия [3].

Можно предположить, что для стабилизации частиц феррофазы требуется образование двойного адсорбционного слоя: первый монослой, образованный молекулами олеата ТЭА, силами химической адсорбции связывается с поверхностью коллоидных частиц таким образом, что углеводородной цепочкой олеат ориентирован «наружу»; второй адсорбционный слой формируется из молекул олеата ТЭА, гидрофилизирующих поверхность коллоидной частицы в целом. Олеиновая кислота и ТЭА, взятые в стехиометрическом соотношении не обеспечивают получение достаточно концентрированного коллоида.

Таким образом, хорошей устойчивостью обладают магнитные жидкости, у которых обеспечено оптимальное соотношение феррофазы и поверхностно-активного вещества, избыток или недостаток стабилизатора ведёт к коагуляции системы, изменению её свойств и потере устойчивости.

С целью выяснения вопроса о возможности окисления Fe₃O₄ до g-Fe₂O₃ [4] проводился количественный и рентгенофазовый анализ.

Полученные данные говорят о том, что лишь в начальный момент времени состав дисперсионной фазы близок к стехиометрическому Fe₃O₄. С течением времени происходит окисление двухвалентного железа и магнетит переходит в маггемит (g-Fe₂O₃).

Проведённое дериватографическое исследование показало, что основная потеря массы образца (93 % от общей Dm) происходит в интервале температур 150 – 490°С, где наблюдаются сильные экзоэффекты с максимумами при температурах около 240, 380 и 430°С, соответствующие процессу окисления олеата ТЭА и продуктов его разложения, протекающим в этом интервале температур. Экзоэффектам предшествует слабый эндоэффект, который связан с испарением остатка воды, содержащегося в ФМЖ после их продолжительного подготовительного прогрева к дериватографическому исследованию, в процессе которого происходит удаление основной части воды. В интервале температур 520 – 550°С наблюдается слабый экзоэффект с максимумом при 530°С, не сопровождающийся потерей массы, который можно отнести к фазовому переходу g-Fe₂O₃ ® a-Fe₂O₃.

Данные электронного микроскопического анализа говорят о том, что средний размер частиц феррофазы составляет 8 – 10 нм.

Рисунок 1. Электронный микроскопический снимок полученной магнитной жидкости. Увеличение 40000.

Рисунок 2. Диаграмма распределения частиц феррофазы по размерам в магнитной жидкости.

Из полученных данных о намагниченности насыщения следует, что при длительном хранении (7 лет) намагниченность образцов магнитных жидкостей уменьшается незначительно. Это связано с переходом Fe₃O₄ в g-Fe₂O₃, намагниченность которого ниже чем у магнетита.

Путём многократного нанесения тонких слоёв полученных коллоидов и их прогрева получены плёнки оксидов железа толщиной до 3 – 4 мкм, переход g-Fe₂O₃ в a-Fe₂O₃ наблюдается при температурах выше 350°С.

Библиографический список.

1. Malechko S. N., Goroswhko N. N., Baikov M. V., Chudakov V. A., Ermolenko V. I. Formation of iron oxide films from stabilized magnetite sols – magnetic liquids // Thin Solid Films, 227 (1993) P.128 – 132.

2. Malechko S. N., Goroswhko N. N., Baran S. V., Ermolenko V. I., Vitenchik T. M. // Вести АН БССР, серия химических наук, 1 (1989) С. 115.

3. Матусевич Н. П., Рахуба В. К., Самойлов В. Б. Магнитная жидкость на воде. А. С. СССР № 988047.

4. Odenbach S. Magetoviscous effects in ferrofluids, Max Planck Institute for kohlenforschung; Mulheim a.d. Ruhr; Sprinder, 2002, P.43 – 49.