КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 69, № 2, с. 201-205
УДК 532.135:531.212
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СУСПЕНЗИЙ НА ОСНОВЕ ГИДРАТИРОВАННЫХ ОКСИДОВ
АЛЮМИНИЯ
© 2007 г. Е. В. Коробко*, Л. С. Ещенко**, Н. А. Бедик*, Г. М. Жук**
*Государственное научное учреждение "Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова"
Национальной академии наук Беларуси 220072 Минск, ул. П. Бровки, 15 **Белорусский государственный технологический университет 220630 Минск, ул. Свердлова, 13а Поступила в редакцию 28.02.2006 г.
Исследованы электрореологические жидкости (ЭРЖ), в которых дисперсной фазой служили частицы гидратированного оксида алюминия, полученные химическим осаждением из алюминийсодер-жащих растворов и термически обработанные при различных температурах. Показана зависимость электрореологической активности суспензий от химического и фазового состава дисперсной фазы. Оценена роль воды, входящей в различных формах в гидратированные оксиды алюминия, в проявлении электрореологического эффекта суспензий. Установлено, что максимальный прирост эффективной вязкости ЭРЖ связан с молекулами воды, образующими водородные связи в межслоевом пространстве решетки бемита.
ВВЕДЕНИЕ
Применение электрореологических жидкостей (ЭРЖ) для различных технических целей имеет большие перспективы, в частности, они смогут заменить часть жидкостей, используемых для гидравлических систем. Так, уже разработаны и внедряются различные гидравлические устройства на основе ЭРЖ, такие как гидроприводы роботов, тормоза, бесступенчатые муфты сцепления, клапаны без движущихся деталей и др. [1].
Электрореологические суспензии состоят из твердых частиц дисперсной фазы, непроводящей жидкости и, при необходимости, добавок ПАВ и активаторов. Дисперсная фаза играет определяющую роль в свойствах ЭРЖ: диэлектрическая проницаемость и поверхностная проводимость твердых частиц должны быть существенно выше, чем у дисперсионной среды [2].
Анализ известных рецептур ЭРЖ показал, что в качестве дисперсной фазы могут использоваться частицы разнообразных соединений - оксидов, солей металлов, в частности, алюмосиликатов, тита-натов, карбонатов, полимерных материалов - полианилина, полипарафенилина, целлюлозы и ее производных. Среди оксидов металлов, используемых в качестве наполнителей ЭРЖ, особый интерес представляет оксид алюминия, так как он обладает высокой электрореологической активностью (ЭР-активностью), под которой понимают способность к увеличению эффективной вязкости при наложении электрического поля, и
низкой себестоимостью. В работах [3-4] были исследованы ЭРЖ, в которых применялся порошкообразный и волокнистый оксид алюминия. Было отмечено [3], что оксиды алюминия, выдержанные в атмосфере водяного пара или водной среде, содержат постоянное количество связанной воды, которая является активатором электрореологических свойств дисперсий. В работах [3-4], однако, не были приведены данные о фазовом составе оксидов алюминия, которые, в зависимости от условий их получения, могут существовать как в виде у-А1203 состава А1203 • пН20, где 0 < п < 0.6 так и в виде практически безводных 0- и а-А1203.
Вопрос о состоянии и характере связи воды, присутствующей в гидратированных оксидах алюминия, получаемых гидратацией оксидов А1 и используемых в качестве наполнителей ЭРЖ, ранее подробно не изучался, хотя на важную роль воды как активатора электрореологических свойств дисперсий было указано в ряде работ [5-7]. Представленные в [5-7] результаты относятся не только к гидратированным оксидам алюминия, но и к другим соединениям, в частности, алюмосиликатам цеолитного типа, ионообменным смолам и т.д.
Целью данной работы явилось изучение влияния химического и фазового состава гидратированных оксидов алюминия, используемых в качестве дисперсной фазы ЭРЖ, на проявление электрореологического эффекта.
Таблица 1. Условия получения гидроксидов алюминия и результаты их исследования
Условия Результаты исследования
№ осаждения старения гидроксидов алюминия
образца рН температура, °С температура, °С продолжительность, ч мольное соотношение Al2O3 : H2O тип структуры
1 9.0-9.2 20 20 24 1.0 : 2.9 Низкокристаллич-ный псевдобемит
2 100 8 1.0 : 2.2 Псевдобемит
3 150 7 1.0 : 2.1 Бемит
4 180 7 1.0 : 2.0 Бемит
ЭКСПЕРИМЕНТ
Гидроксиды алюминия получали по следующей схеме: химическое осаждение —► старение —► —«- фильтрация —» промывка —«- сушка — —- термообработка. Осаждение проводили непрерывным способом, используя 1 М раствор сульфата алюминия и 25%-ный раствор аммиака. Старение осадков осуществляли при комнатной температуре и в гидротермальных условиях в интервале температур 100-180°С с целью получения гидратирован-ных оксидов алюминия заданных химического и фазового состава. После старения твердую фазу отделяли от жидкой и отмывали от сульфат-ионов. Воздушно-сухие осадки гидроксидов алюминия просеивали через сито, диаметр ячеек которого составлял 0.063 мм, затем проводили термическую обработку при разных температурах.
Исследование процессов, связанных с отщеплением H2O при нагревании гидроксидов алюминия, осуществляли с помощью термогравиметрического анализа на дериватографе 0D-102 фирмы МОМ (Венгрия) при скорости нагрева 10 град/мин, массе навески 0.5-1.0 г при чувствительности ДТА 1/10. Фазовый состав исследуемых образцов определяли рентгенофазовым методом на дифрактометре ДРОН-3 на полосе CuKa. Скорость записи составляла 1-2 град/мин в области углов 20 = 10-70°.
Определение содержания Al2O3, SO4 , H2O в образцах проводили по стандартным методикам [8].
В качестве дисперсионной среды использовали трансформаторное масло, обладающее необходимыми свойствами - неполярностью, нетоксичностью, высоким электрическим сопротивлением, диэлектрической проницаемостью £ = 2.3, максимумом диэлектрических потерь на частоте 10 Гц, пробойным напряжением 50 кВ/см, доступностью. ПАВ и активаторы в суспензию не добавляли. Содержание частиц дисперсной фазы составляло 20 мас. % и было для всех опытов постоянным. Экспериментальную оценку электрореологической чувствительности ЭРЖ проводили на ротацион-
ном вискозиметре Реотест-2 с рабочим узлом соос-но-цилиндрического типа с радиальным зазором между цилиндрами, равным 0.7 мм, модифицированным для подачи электрического поля от специально разработанного источника высокого напряжения в диапазоне и = 0-2.5 кВ. Для измерения тока в зазоре между цилиндрами использовали миллиамперметр М1109. Максимальная вариация показаний датчика момента вискозиметра для исследуемой структурируемой среды составляла 30%. В опытах измеряли напряжение сдвига т, ка-жущую скорость сдвига у и силу тока. Поскольку данная среда под воздействием электрического поля становится бингамовской средой, то проводили сравнительную оценку реологических показателей чувствительности по значениям эффек-
п т то + ^У
тивной вязкости п = - = -:-.
У У
Для исследования влияния количества и характера связи воды на ЭР-активность в гидратиро-ванных оксидах алюминия, входящих в состав ЭРЖ, был получен ряд гидроксидов алюминия (табл. 1), на основе которых приготовлены образцы наполнителей (табл. 2), которые отличались количеством и характером связи молекул воды, входящей в их состав.
Известно, что по химическому составу гидроксиды алюминия подразделяются на тригидраты (гидраргиллитт, байерит), моногидраты (бемит, диаспор), аморфные и плохо окристаллизован-ные гидроксиды переменного состава (псевдобе-мит, аморфный гидроксид). Как следует из экспериментальных данных, представленных в табл. 1, условия получения исходных образцов № 1-4 отличались лишь температурой и продолжительностью старения свежеосажденных осадков гидроксидов алюминия. Согласно рентгенофазовому анализу, гидроксид алюминия, осажденный при рН = 9.0-9.2 и старевший при 20°С, является низ-кокристалличным псевдобемитом, имеющим рентгенограмму с набором широких малоинтенсивных пиков, по расположению сходных с ана-
логичными для бемита. В данном воздушно-сухом образце на 1 моль А1203 приходится 2.9 моль Н20. Повышение температуры старения до 100°С приводит к формированию высококристалличной псевдобемитной структуры гидроксида алюминия. Воздушно-сухой продукт в этом случае содержит воду (из расчета 2.2 моль Н20 на 1 моль А1203), часть которой удаляется без изменения структуры. Так, при нагреве исследуемого псев-добемита до 350°С в результате его дегидратации удаляется 1.2 моль Н20 и образуется продукт, содержащий 1 моль Н20 на 1 моль А1203 (табл. 1), имеющий рентгенограмму, аналогичную рентгенограмме исходного образца. По всей вероятности, различие в содержании Н20, приходящейся на 1 моль А1203 в полученных гидроксидах алюминия, может быть связано с различной степенью их кристалличности. Как следует из данных, количество воды в воздушно-сухих образцах псев-добемита значительно больше, чем в моногидрате алюминия (бемите), описываемом формулой А100Н, т. е. в его составе присутствует так называемая "нестехиометрическая" вода. Существуют различные мнения относительно формы связи воды данного типа в псевдобемите. Согласно [9], "нестехиометрическая" вода находится в виде химически несвязанной молекулярной воды. В то же время, авторы [10] указывают на то, что молекулы воды, входящие в состав псевдобемита, образуют прочные водородные связи в межслоевом пространстве решетки бемита. Согласно [10], поглощение 1 моль Н20 на 1 моль А1203 сверх сте-хиометрического состава АЮОН увеличивает межплоскостное расстояние вдоль оси с на 1.2 А. Удаление внедренной межслоевой воды при нагревании сопровождается уменьшением расстояния между слоями решетки бемита.
Старение свежеосажденного гидроксида алюминия в щелочной среде при 150 и 180°С (табл. 1) приводит к формированию высококристаличного бемита, в котором количество молей Н20 больше стехиометрического (табл. 1).
Согласно данным термического анализа (рис. 1), на термограмме образца № 2 (псевдобемит) присутствует три эндотермических эффекта в диапазонах 80-170, 170-350 и 350-520°С. В области первого эндоэффекта удаляется 0.55 моль Н20, которая находится в виде физически адсорбированны
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.