Способ получения магнитной жидкости

Изобретение относится к получению магнитных жидкостей, а также к синтезу основного компонента магнитной жидкости феррофазы - высокодисперсного магнетита. Магнитную фазу магнитной жидкости получают электрохимическим растворением электродов из стали Ст 3, расстояние между которыми составляет 5-15 мм, в электропроводящем растворе поваренной соли с концентрацией NaCl 50-100 г/м³ при напряжении 24-36 В и плотности тока 15,6 А/мм². Поверхность частиц магнетита покрывают в водной среде адсорбированным слоем стабилизирующего вещества и подогревают полученную суспензию. Частицы магнетита отделяют от водной фазы и смешивают с неводной жидкостью-носителем. Обеспечивается простота аппаратурного оформления и возможность управления интенсивностью процесса образования магнетита путем изменения параметров электролиза. 1 табл.

 

Изобретение относится к области получения магнитных жидкостей, а также к области синтеза основного компонента магнитной жидкости феррофазы (высокодисперсного магнетита). Магнитная жидкость - устойчивая коллоидная система высокодисперсных частиц магнитного материала (ферро- или ферримагнитных веществ), стабилизированного поверхностно-активными веществами в жидкости-носителе, которая способна взаимодействовать с магнитным полем и во многих отношениях ведет себя как однородная жидкость.

Магнитные жидкости, благодаря необычному сочетанию свойств магнетиков, жидкостей и коллоидных растворов, являются перспективным материалом и могли бы найти применение в различных областях техники: при создании магнитно-жидкостных уплотнений в химической промышленности, в качестве магнитных смазок, в процессах магнитного обогащения немагнитных материалов, в биологии и медицине. Но их широкое применение ограничивается высокой стоимостью.

Получение магнитных жидкостей состоит из двух основных операций.

1. Получение высокодисперсных частиц магнетика.

2. Стабилизация частиц магнетика в жидкости-носителе с использованием диспергирующего вещества, предотвращающего агрегирование частиц магнетика в жидкости-носителе и обеспечивающего устойчивость магнитной жидкости.

Известен способ получения магнитной жидкости. Первоначально в качестве феррофазы при получении магнитной жидкости использовали материалы, обладающие более высокими магнитными свойствами - высокодисперсное металлическое железо, кобальт, мягкие магнитные сплавы типа пермендюр [Матусевич Н.П., Рахуба В.К. Получение магнитных жидкостей методом пептизации. - В кн.: Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей. - Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. Саласпилс, ин-т АН Латвийской ССР, 1980, - с.21-28]. Однако при использовании чистых металлов возникает ряд технологических трудностей, связанных как с получением высокодисперсных частиц и их защитой от окисления, так и с их стабилизацией с последующим диспергированием в жидкости-носителе. Поэтому наряду с металлами в качестве феррофазы все чаще используется магнетит (окид-закись железа), который хотя и уступает металлам по магнитным характеристикам, но благодаря простоте получения высокодисперсных частиц, хорошей адсорбционной способности и химической устойчивости позволяет получать магнитные жидкости, которые превосходят по магнитным параметрам магнитные жидкости на металлах.

Известен также способ получения магнитной жидкости, заключающийся в осаждении частиц магнетита из водных растворов солей Fe²⁺ и Fe³⁺ - избытком щелочи (NaOH и NH₄OH). Предпочтительными солями являются хлориды и сульфаты из-за их доступности и экономичности. Присутствие ионов других металлов - Mg²⁺, Cr³⁺, Ni²⁺, Cu²⁺ - не является вредным, если их содержание невелико.

Осадок магнетита промывают декантацией от избытка щелочи и удаления солей до достижения рН=7. Полученный магнетит обладает дисперсностью, легко стабилизируется и диспергируется. Магнитная жидкость получается добавлением к водной суспензии магнетита жидкости-носителя, в которой растворен стабилизатор - ПАВ. В качестве жидкости-носителя используется керосин, в качестве стабилизатора - олеиновая кислота. При хемосорбции олеиновой кислоты на поверхности частиц магнетита образуется адсорбционный слой. При этом происходит обезвоживание частиц магнетита и разделение фаз, то есть выделение магнетита из водной среды и его переход в среду жидкости-носителя [Матусевич Н.П., Рахуба В.К. Получение магнитных жидкостей методом пептизации. - В кн.: Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей. - Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. Саласпилс, ин-т АН Латвийской ССР, 1980, - с.21-28].

Известен также [Ахалая М.Г., Кокиашвили М.С., Берия В.П. Перспективы применения магнитных жидкостей в биологии и медицине. - В кн.: Физические свойства магнитных жидкостей: - Сб. статей. - Свердловск, УНУ АН СССР, 1983. - С.115-120] способ получения магнитной жидкости, в котором синтез феррофазы осуществляется как в книге: Матусевич Н.П., Рахуба В.К. Получение магнитных жидкостей методом пептизации. - В кн.: Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей. - Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. Саласпилс, ин-т АН Латвийской ССР, 1980, - с.21-28, затем производится удаление воды из осадка последовательной промывкой его ацетоном, толуолом. Для получения магнитной жидкости в требуемой жидкости-носителе толуол сливают с осадка магнетита, влажный осадок переносят в фарфоровую ступку, добавляют к нему стабилизатор - олеиновую кислоту. Из полученной смеси толуол выпаривают нагреванием до 90-110°С при непрерывном растирании осадка. После испарения толуола смесь продолжают тщательно растирать при той же температуре. Полученную массу переносят с помощью требуемого количества дисперсионной среды в мельницу и гомогенизируют в стальной мельнице, на 1/2 заполненной стальными шарами. Нужная степень пептизации достигается за 6-12 ч.

Известен способ получения магнитной жидкости, включающий образование суспензии магнетита путем соосаждения из растворов ионов двух- и трехвалентного железа, покрытие поверхности частиц магнетита адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, отделение от суспензии фракции, содержащей стабилизированные магнитные частицы в жидкости-носителе, а в качестве источника трехвалентного железа для получения магнитной феррофазы используется солянокислый раствор осадка-отхода очистки сточных вод гальванических цехов [Патент РФ №2182382, Бюл. №13, 2002, МПК Н01F 1/36].

Описанные способы получения магнитной жидкости отличаются трудоемкостью и длительностью процессов с получением дорогостоящего продукта.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения магнитной жидкости, выбранный нами за прототип [патент РФ №2193251, Бюл. №32, 2002, МПК H01F 1/28].

Он состоит из следующих стадий: смешение в требуемом

соотношении (Fe³⁺/Fe²⁺=3:2) солянокислого раствора осадка - гальваношлама и отработанного травильного раствора; получение суспензии магнитных частиц оксидов Fe²⁺ и Fe³⁺ коллоидного размера пептизацией смеси растворов добавлением гидроксида аммония 28%-ного; покрытие осажденных частиц оксидов Fe²⁺ и Fe³⁺ в водной среде стабилизирующим веществом, образующим в избытке гидроксида аммония аммонийную соль, растворимую в воде; подогрев суспензии стабилизированных частиц для преобразования стабилизирующего вещества (разложение его аммонийной соли с образованием аммиачного газа) и превращение в нерастворимую в воде форму и отделение их от водной фазы; образование магнитной жидкости при смешении коагулянта с неводными жидкими носителями, которые обладают некоторой растворимостью по отношению к стабилизирующему веществу.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование способа получения магнитной жидкости. Для этого магнитная фаза магнитной жидкости - магнетит - получается электрохимическим способом путем растворения электродов из Ст 3 в электропроводящем растворе поваренной соли. Электрохимический способ отличается простотой, дешевизной аппаратурного оформления и возможностью управления интенсивностью процесса образования магнетита путем изменения параметров электролиза.

Поставленная задача решается следующим образом: получение суспензии магнетита; покрытие поверхности частиц магнетита в водной среде адсорбированным слоем стабилизирующего вещества; подогрев суспензии частиц магнетита с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества, отделение их от водной фазы и смешение с неводной жидкостью-носителем нагрев суспензии и доведение до кипения при постоянном перемешивании; центрифугирование смеси после ее остывания для отделения крупнодисперсных частиц.

Способ получения магнитной жидкости иллюстрируется следующим примером.

В емкость, содержащую раствор поваренной соли (концентрация NaCI - 50-100 г/м³), погружались электроды из Ст 3, расстояние между которыми составляет 5-15 мм, подается напряжение 24-36 В, обеспечивающая плотность тока 15,6 А/мм². В результате электролизов в данных условиях образуется черный осадок магнетита, идентифицированного рентгенографическим анализом и Мёссбауэровской спектроскопией. Выход по току составляет 95-97% магнетита. Полученный магнетит обладает дисперсностью, легко стабилизируется и диспергируется. После наработки необходимого количества магнетита смесь подогревают до 95°С и добавляют 50 см³ керосина и 5 см³ олеиновой кислоты (при интенсивном перемешивании). Затем продолжают подогрев, и происходит отчетливое разделение водной и органической фаз. Водную фазу удаляют с помощью пипетки. Этим уменьшают время подогрева. Подогрев продолжают до тех пор, пока не истощится вода и температура органической фазы на возрастет до 130°С.

Жидкость охлаждают до комнатной температуры и сливают в мензурку. Добавляют керосин до объема 55 см³, чем компенсируют потерю керосина во время подогрева. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице - МЖ₁.

Для сравнения в таблице представлены показатели магнитной жидкости из патента №2193251, Бюл. №32, 2002, МПК: Н01F 1/28 - МЖ₂.

Таблица
Показатели магнитных жидкостей
Показатели	Магнитная жидкость
МЖ1	МЖ2
Объемная доля магнетита, %	5,76	3,08
Плотность, кг/м3	975	925
Вязкость, Па·с·103	3,112	2,909
Намагниченность насыщения, кА/м	7,44	4,35

Способ получения магнитной жидкости, включающий получение магнитной фазы магнитной жидкости в виде суспензии магнетита, покрытие поверхности частиц магнетита в водной среде адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, подогрев полученной суспензии, отделение частиц магнетита от водной фазы и их смешение с неводной жидкостью-носителем, отличающийся тем, что магнитную фазу магнитной жидкости получают электрохимическим растворением электродов из стали Ст 3, расстояние между которыми составляет 5-15 мм, в электропроводящем растворе поваренной соли с концентрацией NaCl 50-100 г/м³ при напряжении 24-36 В и плотности тока 15,6 А/мм².