СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ НА ОСНОВЕ ВОДЫ Российский патент 2009 года по МПК C01G49/08 H01F1/28 

Изобретение относится к коллоидным системам, а именно к получению магнитных жидкостей на воде, и может быть использовано в различных технологических устройствах.

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 находят 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.

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.

Первоначально в качестве феррофазы при получении магнитной жидкости использовали материалы, обладающие более высокими магнитными свойствами - высокодисперсное металлическое железо, кобальт, мягкие магнитные сплавы типа пермендюр [1. Физические свойства магнитных жидкостей: Сб. статей. - Свердловск, УНУ АН СССР, 1983. - 128 с., 2. Черкасова О.Г., Петров В.И., Руденко Б.А. Рентгеноконтрастная ферромагнитная жидкость. - Формация. - 1986. - т.35, №3, - С.31-34. 3. 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 (окись-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 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 являются вредными, если их содержание невелико.

Осадок магнетита промывают деконтацией от избытка щелочи и удаления солей до достижения pH 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 мгнетита из водной среды и его переход в среду жидкости-носителя [Физические свойства магнитных жидкостей: Сб. статей. - Сверловск, УНУ АН СССР, 1983. - 128 с].

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 [Физические свойства магнитных жидкостей: Сб. статей. - Сверловск, УНУ АН СССР, 1983. - 128 с], 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 ступню, добавляют к нему стабилизатор - олеиновую кислоту. Из полученной смеси толуол выпаривают нагреванием в ступне 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.

Также известен способ получения магнитной жидкости на основе воды [А.с. СССР №1074826 А, БИ №7 от 23.02.84, C01G 49/08, H01F 1/28.], в котором синтез феррофазы осуществляется, как в [Физические свойства магнитных жидкостей: Сб. статей. - Свердловск, УНУ АН СССР, 1983. - 128 с], затем маточный раствор удаляют декантацией. Оставшуюся суспензию постепенно нагревают при перемешивании и добавляют олеиновую кислоту. Нагретую до 90°С суспензию выдерживают при этой температуре в течение 10 мин, а затем охлаждают до 30°С. Частицы магнетита, стабилизированные олеиновой кислотой, экстрагируют петролейным эфиром при 30°С. Затем после удаления экстрагента к оставшейся массе добавляют раствор аммонийной соли декановой кислоты. Затем смесь гомогенизируют до получения однородной жидкости.

Описанные способы получения магнитной жидкости используют в качестве сырья дорогостоящий реактивный материал, отличаются трудоемкостью и длительностью процессов.

Наиболее близким к заявленному является способ, описанный в А.с. СССР, №968047, БИ №39 от 23.10.82, C09K 3/00, C01G 49/02, выбранный за прототип.

Он состоит из следующих стадий.

1. Соосаждение солей двух- и трехвалентного железа (FeCl₂·4H₂O, FeCl₃·6H₂O) - магнетита - избытком концентрированного раствора аммиака.

2. Добавление к водной суспензии магнетита поверхностно-активного вещества (олеата натрия) и стабилизатора (додециламина). Покрытие поверхности частиц адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, которое имеет растворимую в воде форму.

3. Нагрев суспензии и доведение до кипения при постоянном перемешивании.

4. Центрифугирование смеси после ее остывания для отделения крупнодисперсных частиц.

Полученная магнитная жидкость представляет собой стабильную коллоидную суспензию магнитных частиц, но с низкими показателями магнитных характеристик.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование способа получения магнитных жидкостей на основе воды с достижением более высоких магнитных характеристик путем проведения активации магнитной фазы за счет ее взаимодействия с переменным магнитным полем промышленной частоты с получением более развитой поверхности взаимодействия оксидов двух- и трехвалентного железа.

Поставленная задача решается следующим образом: соосаждение солей двух- и трехвалентного железа (FeCl₂·4H₂O, FeCl₃·6H₂O) - магнетита - избытком концентрированного раствора аммиака; воздействие переменным магнитным полем с частотой 50 Гц на суспензию, где частицы магнетита под воздействием магнитного поля измельчаются с образованием новой поверхности и становятся более активными, что облегчает и интенсифицирует получение и выход магнетита (Fe₃O₄); добавление к водной суспензии магнетита поверхностно-активного вещества (олеата натрия); покрытие поверхности частиц адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, которое имеет растворимую в воде форму; нагрев суспензии и доведение до кипения при постоянном перемешивании; центрифугирование смеси после ее остывания для отделения крупнодисперсных частиц.

Способ получения магнитной жидкости иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Для получения 100 г магнетита берут 2700 мл 10%-ного раствора FeCl₃·6H₂O и 1000 мл 10%-ного раствора FeCl₂·4H₂O, растворы смешивают и при постоянном перемешивании вливают в 750 мл 25%-ного раствора аммиака. Образуется черный осадок магнетита, который промывают несколько раз дистиллированной водой. Затем, взяв, например, 500 г водной суспензии, содержащей 100 г магнетита, при нагревании и постоянном перемешивании добавляют 75 г олеата натрия и 0,03 г додециламина. Смесь при перемешивании доводят до кипения. Остывшую при перемешивании жидкость центрифугируют в течение 15 мин при факторе разделения 6000.

Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице - МЖ₁.

Пример 2.

Проводится, как пример 1, но исключается добавление додециламина, а также после осаждения и промывки магнетита осуществляют воздействие переменным магнитным полем с частотой 50 Гц в течение 15 мин для обеспечения более высокого выхода магнетита. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице - МЖ₂.

Пример 3.

Проводится, как пример 2, но воздействие переменным магнитным полем с частотой 50 Гц осуществляют в течение 30 мин. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице - МЖ₃.

Пример 4.

Проводится, как пример 2, но воздействие переменным магнитным полем с частотой 50 Гц осуществляют в течение 45 мин. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице - МЖ₄.

Пример 5.

Проводится, как пример 2, но воздействие переменным магнитным полем с частотой 50 Гц осуществляют в течение 60 мин. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице - МЖ₅.

Таблица. Показатели магнитных жидкостей   МЖ₁ МЖ₂ МЖ₃ МЖ₄ МЖ₅ Время активации магнетита τ, мин 0 15 30 45 60 Намагниченность насыщения, I, кА/м 13,70 14,61 15,53 16,74 16,78

Изобретение относится к созданию коллоидных систем и может быть использовано в различных областях техники. Способ получения магнитной жидкости на основе воды включает осаждение магнетита из солей двух- и трехвалентного железа FeCl₂·4H₂O и FeCl₃·6H₂O избытком концентрированного раствора аммиака, добавление к водной суспензии магнетита олеата натрия, нагрев суспензии и доведение до кипения при постоянном перемешивании, охлаждение и центрифугирование смеси. Олеат натрия используют в качестве стабилизатора и поверхностно-активного вещества, адсорбированным слоем которого покрывают поверхность частиц магнетита. На водную суспензию магнетита воздействуют переменным магнитным полем с частотой 50 Гц. Изобретение позволяет повысить магнитные характеристики магнитной жидкости и исключить использование дорогостоящего и дефицитного стабилизатора додециламина. 1 табл.

Способ получения магнитной жидкости на основе воды, включающий осаждение магнетита из солей двух- и трехвалентного железа FeCl₂·4H₂O и FeCl₃·6H₂O избытком концентрированного раствора аммиака, добавление к водной суспензии магнетита стабилизатора и поверхностно-активного вещества, нагрев суспензии и доведение до кипения при постоянном перемешивании, охлаждение и центрифугирование смеси, отличающийся тем, что в качестве стабилизатора и поверхностно-активного вещества используют олеат натрия, адсорбированным слоем которого осуществляют покрытие поверхности частиц магнетита, и воздействуют на водную суспензию магнетита переменным магнитным полем с частотой 50 Гц.