13.4 Выбор дисперсионной среды

Выбор дисперсионной среды, на основе которой готовят магнит­ную жидкость, диктуется ее назначением и местом использова­ния. В зависимости от решаемой задачи могут понадобиться магнитные жидкости на водной или водорастворимой основе, на основе углеводородов, кремнийорганических или фторорганических соединений. Получение устойчивого коллоида в каждом случае имеет особенности, связанные с выбором стабилизатора, оптимизацией соотношения феррофазы, стабилизатора и основы, переводом дисперсной феррофазы из одного типа среды в другой [11].

Легкие углеводороды

Первая магнитная жидкость была по­лучена в шаровой мельнице размолом магнетита в присутствии керосина и олеиновой кислоты С₁₇Н₃₃СООН. С тех пор магнит­ная жидкость на основе керосина стала классическим объектом исследования и получения.

В настоящее время МЖ на основе керосина получают, в основном, методом химической конденсации. Избавленная от воды паста является концентратом магнитной жидкости и име­ет намагниченность насыщения около 200 кА/м. Разбавление ее дисперсионной средой позволяет получить собственно магнитную жидкость.

Следует отметить сложности, возникающие при получении пасты и ее разбавлении. Во-первых, необходимо тща­тельное обезвоживание пасты, чтобы предотвратить образова­ние эмульсии, которая отрицательно влияет на устойчивость магнитной жидкости. С целью обезвоживания пасту подогрева­ют при постоянном перемешивании, обрабатывают на фильтр­прессах, в центрифугах. Удаление воды из пасты — операция, которая при качественном выполнении практически обеспечива­ет получение устойчивой магнитной жидкости.

Второй операцией, важной при получении магнитной жидко­сти, является разбавление пасты жидкостью-носителем. По­скольку стабилизатор растворим в дисперсионной среде, то при разбавлении возможна частичная десорбция молекул стабили­затора с поверхности частиц и, следовательно, агломерация последних, ведущая к укрупнению частиц, и в конечном счете — к расслоению магнитной жидкости. Чтобы избежать этого, раз­бавление проводят в растворе стабилизатора в жидкости-носи­теле, за счет чего обеспечивается компенсация десорбции стабилизатора с поверх­ности частиц и их полное покрытие слоем молекул ПАВ. Раз­бавление пасты проводят при подогреве до 60-70 °С и постоян­ном перемешивании в течение нескольких часов. Это дает воз­можность разъединить с помощью подвижных концов длинноцепочечных молекул стабилизатора частицы магнетита, объединившиеся в осадке под действием магнитных сил в кла­стеры. В результате удается получить устойчивую коллоидную систему, состоящую из отдельных частиц магнетита, покрытых слоем олеиновой кислоты, и жидкости-носителя.

В лабораторных условиях для повышения гарантии стабиль­ности системы из нее центрифугированием удаляют наиболее крупные частицы.

Полученные описанным способом магнитные жидкости с маг­нетитом в качестве дисперсной фазы обладают намагничен­ностью до 100 кА/м и высокой устой­чивостью в гравитационном и магнитном полях.

Нефтяные масла

Для ряда технических задач необходимы магнитные жидкости на основе масел — трансформаторного, конденсаторного, индустриального, турбинного, вакуумного и др. Получение жидкости с магнетитовыми частицами в этом случае почти не отличается от получения жидкостей на основе легких углеводородов: магнетит получают методом осаждения, а затем проводят его пептизацию раствором олеиновой кислоты в масле. Однако в связи с высокой вязкостью масел удаление воды из масел затруднено, а оставшаяся вода может препятст­вовать образованию устойчивого коллоида при разбавлении пасты. Поэтому для обезвоживания пасту обрабатывают поляр­ными растворителями, например, ацетоном или этиловым спир­том. Эта процедура дает возможность получать магнетитовые жидкости на основе таких вязких масел как турбинное или ва­куумное.

С ростом вязкости основы достигаемая намагниченность на­сыщения падает и для магнитных жидкостей на основе вязких масел составляет 40-50 кА/м.

Использование магнитных жидкостей в системах смазки и в герметизаторах требует их работоспособности при повышенных температурах, но применяемая чаще всего в качестве стабили­затора олеиновая кислота при этом окисляется, что может при­вести к коагуляции коллоида. Поэтому в настоящее время ве­дутся поиски стабилизаторов с низкой термоокислительной способностью, а также разрабатываются магнитные жидкости с антиокислительными присадками.

Процесс получения пасты на высоковязких основах трудое­мок и требует тщательного контроля за отделением воды. При неполном отделении воды в процессе разбавления вместо устой­чивого коллоидного раствора может образоваться гель. Поэто­му для получения магнитных жидкостей на высоковязких осно­вах, а также на основах, в которых стабилизатор плохо раство­рим, может оказаться полезным метод замены основы. Суть метода состоит в том, что в магнитную жидкость, полу­ченную на маловязкой, хорошо растворяющей стабилизатор основе, вводят полярный агент, вызывающий флокуляцию частиц с адсорбированным на них стабилизатором. Затем частицы выделяют из жидкости-носите­ля и проводят повторную пептизацию в другой основе.

Описанный способ дает возможность получать магнитные жидкости на основах, на которых другим способом их получе­ние затруднительно либо из-за высокой вязкости, либо из-за летучести или нестабильности. Однако замена возможна только при использовании основ одного класса, например, углеводоро­дов.

Кремнийорганические (силиконовые) жидкости

Для многих технических задач важно, чтобы рабочая жидкость имела низ­кое давление насыщенных паров, была работоспособна в широ­ком температурном интервале, при контактах с агрессивными средами. Этим требованиям во многом соответствуют кремний­органические жидкости, представляющие собой полимерные соединения, молекулы которых состоят из чередующихся ато­мов кремния и кислорода с присоединенными углеводородными радикалами по свободным связям кремния.

Магнитные жидкости на основе кремнийорганики получают различными методами, например, путем разложения пентакарбонила железа. Эти жидкости имеют намагниченность насыщения около 100 кА/м, а размеры частиц карбонильного железа достигают 20 нм. Последнее обстоятель­ство приводит к неустойчивости жидкости при длительном хра­нении — частицы железа таких размеров имеют высокую намаг­ниченность и не могут быть эффективно стабилизированы. Однако в уплотнениях, где жидкость постоянно перемешивается из-за биений и вибраций, такие жидкости могут с успехом ис­пользоваться.

Так как кремнийорганические жидкости взаиморастворимы с углеводородами, то для их получения с успехом используется метод замены основы.

Фторорганические соединения

Фторорганические соединения, в частности перфорированные жидкости, облада­ют рядом уникальных свойств, открывающих возможность их широкого применения в уплотнениях. Они не смешиваются ни с водой и водорастворимыми жидкостями, ни с маслами, что и позволяет использовать магнитные жидкости на их основе для уплотнения разделителей жидких сред. Кроме того, фторорганические соединения практически химически инертны, то есть их можно использовать для уплотнения химически агрессив­ных сред.

Стабилизатор для получения фторорганических магнитных жидкостей должен также иметь фторорганическую природу, так как маслорастворимые стабилизаторы типа олеиновой кислоты нерастворимы в перфорированных жидкостях.

Водная основа

Вода является уникальной жидкостью, обла­дающей рядом аномальных свойств, поэтому и магнитная жид­кость на ее основе — интересный объект, полезный в таких об­ластях, как медицина, теплотехника и др.

Особенностью получения магнитных жидкостей на основе воды является использование водорастворимых ПАВ. Другая, более существенная особенность состоит в том, что в воде, кото­рая является полярным растворителем, может происходить гидратация магнитных частиц, так что необходимо принимать специальные меры для защиты твердых частиц от окисления.

Наиболее прост способ получения магнитной жидкости на водной основе с использованием в качестве феррофазы магне­тита. Коллоидные частицы магнетита получают, например, осаждением солей железа. Для стабилизации коллоида окислов металлов в водной среде можно использовать мыла жирных кислот, сульфонаты, высокоатомные спирты и эфиры. Хотя магнитные жидкости были получены с использо­ванием почти всех этих стабилизаторов, однако в большинстве случаев их магнитные характеристики оставались чрезвычайно низкими. Высокомагнитные устойчивые коллоиды удается полу­чить, используя в качестве стабилизаторов лаурилсульфат натрия и олеат натрия.

При получении магнитных жидкостей на водной основе очень важно выдержать оптимальное соотношение магнетита и стабили­затора, так как отклонения от него приводят к резкому ухудше­нию либо магнитных свойств жидкости, либо ее устойчивости. Тем не менее, несмотря на указанные сложности, в ряде научных центров были получены образцы с хорошей ус­тойчивостью, которые не изменяли свои магнитные свойства после центрифугиро­вания и длительного хранения.

В магнитных жидкостях на воде частицы имеют двойной слой стабилизатора, поэтому намагниченность насыщения таких жидкостей ниже, чем у образцов на основе других носителей. Тем не менее, несмотря на невысокие магнитные свойства, такие жидкости широко используются в тех сферах, где требуется исключить какое-либо агрессивное воздействие на объект применения, например, живой организм.