ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2013, том 87, № 4, с. 697-701
ФОТОХИМИЯ И МАГНЕТОХИМИЯ
УДК 544.77,54.056
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕИ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ МАСЕЛ
© 2013 г. В. В. Королев*, А. Г. Рамазанова*, В. И. Яшкова***, О. В. Балмасова*,
*Российская академия наук, Институт химии растворов им. Г.А. Крестова, Иваново
**ООО "НаноМагнетик", Иваново
E-mail: agr@isc-ras.ru Поступила в редакцию 22.03.2012 г.
Приведена методика синтеза магнитных жидкостей на основе синтетического масла "Алкарен". Выбраны оптимальные условия синтеза магнетита, проведен расчет количественного соотношения магнитная фаза — стабилизатор. Выполнен синтез магнитной жидкости на основе синтетического углеводородного масла, определены ее физико-химические характеристики.
Ключевые слова: магнитная жидкость, синтез, магнетит, синтетическое углеводородное масло "Алкарен", термогравиметрический анализ, адсорбция.
DOI: 10.7868/S0044453713040146
Магнитная жидкость (МЖ) — это уникальная устойчивая коллоидная система, состоящая из твердых магнитных наночастиц в жидкости-носителе. Магнитная жидкость сочетает в себе свойства магнитного материала и жидкости, она изменяет свои теплофизические, реологические и оптические характеристики при воздействии магнитного поля. Дисперсионной средой в магнитной жидкости может быть практически любая жидкость — вода, углеводороды, синтетические и минеральные масла, кремнийорганические и фтороргани-ческие жидкости. Дисперсная фаза магнитной жидкости состоит из частиц ферромагнитных материалов (ферритов железа, никеля, кобальта и т.д.) размером 5—10 нм. С целью предотвращения агрегации и укрупнения наночастиц их поверхность покрывают мономолекулярным слоем поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Основным свойством, которое определяет возможность длительного практического применения магнитной жидкости, является устойчивость этой коллоидной системы в сочетании с высокой дисперсностью магнитной фазы. Условия качественной стабилизации магнитной фазы: активность поверхности частиц магнитной фазы, сродство молекул ПАВ-стабилизатора с дисперсионной средой и строгое соблюдение количественного соотношения магнитная фаза — стабилизатор.
Рядом авторов было доказано, что избыток ПАВ, как и его недостаток, оказывают негативное влияние на устойчивость магнитных жидкостей [1—4]. Поэтому изучение процессов адсорбции ПАВ на поверхности магнитных наночастиц
крайне важно. Знание параметров процесса адсорбции позволит создать основы направленного, научно обоснованного синтеза МЖ, успешно выбирать новые ПАВ, которые можно использовать при синтезе стабильных, качественных магнитных жидкостей.
Состав и свойства магнитных жидкостей обусловливают возможность их практического применения в различных областях науки и техники. Благодаря невероятному сочетанию высокой намагниченности и текучести МЖ могут использоваться в качестве рабочего тела в технических устройствах различного назначения: в магнитных холодильных устройствах, магнитожидкостных герметизаторах, датчиках угла наклона и в качестве магнитных смазок в узлах трения и т.д. В последнее время ведутся интенсивные исследования по разработке и созданию широкого спектра многофункциональных МЖ на различных основах. Создаются МЖ, обладающие инертностью по отношению к агрессивным средам, высокой термостабильностью, намагниченностью насыщения, высокой гидрофобностью, текучестью, низкой летучестью, вязкостью, электропроводностью и низким коэффициентом трения.
В данной работе проведена разработка условий направленного синтеза многофункциональных МЖ. Выбраны оптимальные условия синтеза магнитной фазы — магнетита, проведен расчет количественного соотношения магнитная фаза — стабилизатор. Выполнен направленный синтез МЖ на основе синтетического углеводородного масла "Алкарен", определены ее физико-химические характеристики.
Таблица 1. Значения предельной адсорбции (ат, моль/г) жирных кислот из растворов в органических растворителях на магнетите, рассчитанные по ТОЗМ [10, 12]
Растворитель Олеиновая кислота Линолевая кислота Линоленовая кислота
Циклогексан 4.5 ± 0.2 3.0 ± 0.1 2.8 ± 0.1
Гептан 2.4 ± 0.2 3.0 ± 0.1 3.2 ± 0.1
СС14 1.2 ± 0.05 1.4 ± 0.05 1.6 ± 0.05
Гексан 1.6 ± 0.05 1.3 ± 0.05 1.1 ± 0.05
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Компоненты МЖ (магнетит, олеиновая кислота, масло) готовили и очищали по известным методикам [5]. Получение магнетитовой МЖ начинается с синтеза высокодисперсного магнетита. Свойства поверхности магнетита (например, удельная поверхность, адсорбционная способность) во многом зависят от метода его получения [6]. Магнетит синтезировали методом химической конденсации путем соосаждения солей Fe(II) и Fe(Ш) в среде гидроксида аммония, с последующей тщательной отмывкой образовавшегося осадка. При этом размер получаемых частиц составляет 6—10 нм, удельная поверхность составляет 130 м2/г [7]. Авторы [8] показывают, что повышение температуры синтеза магнетита до 43°С приводит к интенсификации процесса образования частиц магнетита. Однако нами в результате проведения рентгеноструктурного анализа водных суспензий магнетита [6, 9], синтезированного в диапазоне температур 5—75°С в однородном магнитном поле с индукцией 0—1.0 Тл, было установлено, что повышение температуры и наложение магнитного поля в процессе синтеза приводит к росту кристаллитов магнетита (например, с 5.6 нм при 5°С и нулевой индукции до 9.2 нм при 75°С и 1.0 Тл [6,9]), что, в свою очередь, негативно влияет на качество магнетитовой МЖ.
Изучение процессов адсорбции олеиновой кислоты из растворов в органических растворителях на поверхности магнетита проводили равновесно-адсорбционным методом [10—12]. Причем при подготовке образцов магнетита была исключена стадия сушки, которая приводила бы к агрегации частиц и искажала бы полученные адсорбционные данные [13]. Суть данного метода заключается в экспериментальном определении равновесной концентрации ПАВ в растворе, которая достигается после установления адсорбционного равновесия в системе твердое тело-жидкость. Экспериментальные изотермы обрабатывали с помощью уравнения теории объемного заполнения микропор (ТОЗМ), в результате чего получали величины предельной адсорбции жирных кислот на поверхности магнетита [14]. Син-
тез МЖ проводили по методике, защищенной патентами РФ [15, 16].
После синтеза исследовали физико-химические свойства синтезированных магнитных жидкостей (объемную концентрацию магнитной фазы, плотность, динамическую вязкость, намагниченность насыщения, термостабильность). Объемную концентрацию магнитной фазы рассчитывали по формуле:
ф5 = (Р мж - Рмасло)/(Р 8 pмасло), где рмж, рмасло, р8 — плотности магнитной жидкости, жидкости-носителя и магнитной фазы соответственно.
Плотность магнитной жидкости определяли пикнометрическим методом [17, 18]. Вязкость магнитных жидкостей определяли на вискозиметре "Реотест-2.1" с использованием конусо-пластинчатого измерительного устройства в диапазоне скоростей сдвига от 900 до 4860 с-1. Седи-ментационную устойчивость оценивали по методике [17].
Намагниченность насыщения МЖ измеряли дифференциально - баллистическим методом определения статических магнитных характеристик [17].
Для исследования термостабильности магнитных жидкостей на различных основах использовали метод термогравиметрического анализа, основанный на регистрации изменения массы образца в зависимости от его температуры в условиях программированного изменения температуры среды. При проведении термогравиметрического эксперимента использовали динамический метод, т.е. изменяли температуру печи во времени при постоянной скорости нагрева. Исследования проводили на дериватографе с термомикровесами TG 209 F1 (Германия). Точность поддержания температуры составляла 0.1 К, погрешность массы навески ±0.00005 г.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На основе экспериментальных данных, полученных в ходе изучения процесса адсорбции, были построены изотермы адсорбции олеиновой, линолевой и линоленовой кислот. Проводя линеаризацию изотерм в рамках ТОЗМ, определили величины предельной адсорбции ненасыщенных жирных кислот данного ряда, которые представлены в табл. 1. Анализируя полученные данные можно сделать вывод о том, что величина предельной адсорбции олеиновой кислоты на поверхности магнетита из растворов циклогексана выше, чем из растворов других растворителей. Необходимо отметить, что влияние растворителя наиболее сильно проявляется при адсорбции олеиновой кислоты и уменьшается с ростом числа двойных связей в молекуле жирной кислоты.
Из адсорбционных данных было получено количественное соотношение магнетит — стабилизатор, показывающее количество ПАВ адсорбированного на единице поверхности твердой магнитной фазы (табл. 1). С использованием данного соотношения нами были синтезированы четыре образца магнитных жидкостей. Известно, что свойства МЖ во многом определяются свойствами дисперсионной среды. В качестве дисперсионной среды нами было выбрано новое синтетическое углеводородное высоковакуумное масло "Алкарен", которое используется в качестве рабочего тела в вакуумных насосах (диффузионных, бустерных, форвакуумных). По химическому составу — это смесь полиалкилдифенилов с двумя— четырьмя боковыми цепями С8—С14. Алкарены — это новые отечественные синтетические масла, которые обладают низкой упругостью пара, высокой термоокислительной стойкостью, имеют хорошие триботехнические характеристики, не склонны к гидролизу под действием влаги, воздуха, инертны, нетоксичны, поэтому могут найти широкое применение в различных областях техники, в том числе и при синтезе МЖ. В настоящее время производятся три типа масел "Алкарен", их сравнительные характеристики приведены в табл. 2. При синтезе МЖ нами были использованы "Алкарен Д11" и "Алкарен Д24С".
Практическое применение МЖ обусловлено наличием у них набора определенных качественных показателей, наиболее важный из них — термостабильность. Чем большей термической стойкостью обладает жидкость, тем более широкий спектр ее применения в магнитожидкостных технических устройствах. Согласно [19], под термостойкостью понимают
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.