13 Методы получения магнитных жидкостей и ферросуспензий

Разработанные методы получения магнитных жидкостей да­ют возможность создавать разнообразные жидкости с заданны­ми свойствами [50]. Технологии получения магнитных жидкостей хорошо отработаны и позволяют организо­вать массовый выпуск достаточно дешевых магнитных жидко­стей с требуемыми свойствами. Созданы малоиспаряющиеся магнитные жидкости и, наоборот, обладающие высокой испаряе­мостью; способные смазывать поверхность и поглощать влагу из воздуха; нетоксичные — для медицинских целей и электро­проводные — для электромеханических систем. Такое многообра­зие открывает широкие возможности применения магнитных жидкостей в технических устройствах и технологических про­цессах.

В состав магнитной жидкости обязательно входят три компонента: жидкая основа (или, иными словами, жидкость-носитель), магнитные частицы коллоидных размеров (магнетик) и стабилизатор, препятствующий слипанию коллоид­ных частиц. Каждый компонент должен удовлетворять опреде­ленным требованиям, только при этом условии можно получить магнитную жидкость, пригодную для использования в конкрет­ном техническом устройстве [4].

Жидкую основу выбирают в зави­симости от области применения. Так, в системах смазки и гер­метизации используют магнитные жидкости на основе минераль­ных масел и кремиийорганических соединений, в системах сепарации и печатающих устройствах — на основе углеводоро­дов, в медицине — на водной основе. К жидкой основе предъяв­ляют требования малой испаряемости, нетоксичности, стойкости в агрессивных средах, нерастворимости в тех или иных сре­дах и т.д.

Размер магнитных частиц должен быть достаточно мал, по­скольку устойчивость магнитной жидкости как коллоидной сис­темы обеспечивается тепловым движением частиц, предотвра­щающим их слипание и оседание, а интенсивность такого дви­жения возрастает с уменьшением размера частиц. В то же время частицы не должны быть слишком малы, так как при размерах менее 1-2 нм они теряют магнитные свойства, переходя в парамагнитное состояние. Ма­териал частиц должен иметь высокую намагниченность и обеспе­чивать возможность получения малых частиц с небольшой дисперсией размеров.

Для грубодисперсных систем с размером частиц более 1 мкм броуновское движение не столь активно и в суспензиях с заметной вязкостью дисперсионной среды оно практически отсутствует. В этом случае определяющую роль играет скорость оседания частиц под действием силы тяжести (скорость седиментации). Скорость седиментации характеризуется законом Стокса:

,

где r - радиус частицы, ρ₁ - плотность жидкости-носителя, ρ₂ – плотность частицы, g - ускорение свободного падения, η - вязкость дисперсионной среды.

Седиментационная устойчивость ферросуспензий находится в зависимости от концентрации дисперсной фазы. Она обеспечивается как непосредственным структурированием системы в результате действия между частицами молекулярных сил, так и введением в систему дополнительных поверхностно активных веществ (ПАВ), которые образуют структурно – механические поверхности между частицами.

Все дисперсные системы (и микро-, и нано-) делятся условно на две группы по величине коэффициента межфазного поверхностного натяжения σ, которое может быть больше или меньше некоторого «критического» значения σ_с:

,

где γ^* - безразмерный множитель (γ^* ~ 30), δ – средний размер частиц, Т – абсолютная температура, k₀ – постоянная Больцмана. При комнатной температуре σ_с ~ 10^-4 Н/м.

К первой группе относятся лиофильные дисперсные системы, характеризуемые низкими значениями межфазной поверхностной энергии (σ<σ_с). Такие системы образуются самопроизвольно за счет коллоидного растворения, при этом происходит возрастание энтропии вследствие более равномерного распределения частиц дисперсной фазы.

Ко второй группе относятся лиофобные дисперсные системы, характеризуемые высоким межфазным натяжением (σ>σ_с), а поэтому резко выраженной границей раздела фаз. Молекулярные силы на поверхности лиофобных частиц вызывают коагуляцию (слипание) – процесс, ведущий к агрегативной неустойчивости таких термодинамически неравновесных систем. Агрегативная устойчивость лиофобных дисперсных систем достигается путем образования на частицах адсорбционно-сольватных слоев, которые препятствуют коагуляции частиц.

Для решения данной проблемы применяют различные стабилизаторы, в качестве которых используют вещества (полимеры или ПАВ) с длинноцепочечными молекулами, содержащими функциональные группы (ООН, Н₂ОН, H₂NH₂ и др.). Стабилизатор выбирают таким образом, чтобы его функ­циональные группы взаимодействовали с веществом магнитной частицы, образуя прочно связанную с ней мономолекулярную оболочку. Длинноцепочечная часть молекул стабилизатора должна быть сходна с жидкостью-носителем, чтобы участвовать в тепловом движении и тем самым предотвращать сближение частиц. Выбор стабилизатора представляет довольно сложную задачу, ре­шаемую в основном экспериментально.

В неполярных дисперсионных средах (масло, керосин, додекан, октан и т. д.) гибкие неполярные концы ПАВ, сродственные жидкости-носителю, направлены от частицы к жидкости – рис. 13а. Устойчивость диспергированных частиц в полярной жидкости, например, в воде, достигается характерным расположением двух слоев ПАВ (рис. 13б), при этом сродственные полярной жидкости-носителю полярные концы второго слоя ПАВ направлены от частицы к жидкости. В этом случае толщина защитной оболочки вдвое превышает толщину защитной оболочки, к примеру, магнетита, стабилизированного в углеводородных средах.

Варьируя состав магнитных жидкостей, то есть выбирая жид­кость-носитель, магнетик, стабилизатор, получают жидкости с необходимыми свойствами.