СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 2011 года по МПК H01F1/28 

ВВЕДЕНИЕ

Изобретение относится к коллоидной химии и может быть использовано для получения высокотемпературных, с различной вязкостью, высоковакуумных ферромагнитных жидкостей с высокой намагниченностью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ [Патент РФ на изобретение №2024085 С1, заявка 5047739/02, 01.04.1992] получения ферромагнитной жидкости. Он осуществляется путем осаждения высокодисперсного магнетита из растворов солей двух- и трехвалентного железа раствором аммиака, промывкой осадка дистиллированной водой до pH 10÷12, пептизацией раствором олеиновой кислоты в алкарене при 115-120°C под вакуумом.

Однако магнитная жидкость, полученная по этому способу, обладает невысокой намагниченностью насыщения - до 22.5 кА/м.

Известен способ [Патент РФ на изобретение №2113027 С1, заявка 96119620/25, 30.09.1996] получения магнитной жидкости. Он осуществляется путем осаждения из водных растворов солей двух- и трехвалентного железа водным раствором аммиака, промывкой коллоидного магнетита дистиллированной водой, активацией водного осадка магнетита при нагревании до 27÷97°C в течение 30 мин 70-80%-ной уксусной кислотой, стабилизацией олеиновой кислотой при нагревании до 27÷97°C, промывкой стабилизированного магнетита дистиллированной водой до полного удаления олеиновой кислоты, пептизацией стабилизированного магнетита в жидкости-носителе керосине.

Однако магнитная жидкость, полученная по этому способу, летуча, при испарении растворителя изменяет вязкость и плотность, не обладает достаточным диапазоном рабочих температур, поэтому не может быть широко использована в приборостроении.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения ферромагнитной жидкости [Патент РФ на изобретение №2208584 С2, заявка 2001111184/12, 23.04.2001]. Способ осуществляется путем последовательного проведения следующих операций:

- осаждение высокодисперсного магнетита из водных растворов солей двух- и трехвалентного железа при избытке двухвалентного железа раствором аммиака;

- многократная промывка осадка дистиллированной водой;

- термостатирование водного осадка магнетита при 90°C в течение 30 мин;

- одновременная активация и стабилизация осадка магнетита. Для этого в нагретый до 90°C и выдержанный в течение 30 мин осадок магнетита добавляют предварительно подогретый 40% раствор уксусной кислоты и предварительно подогретое комбинированное поверхностно-активное вещество. В качестве комбинированного поверхностно-активного вещества используют жирные кислоты и их ангидриды;

- многократная промывка стабилизированного магнетита горячей дистиллированной водой;

- многократная (до полного удаления поверхностно-активного вещества) промывка стабилизированного магнетита предварительно подогретыми до 50-70°C органическими растворителями сначала гексаном, затем этиловым спиртом;

- пептизация путем обработки стабилизированного магнетита в жидкости-носителе. В качестве жидкости-носителя используют полиэтилсилоксановую жидкость и/или синтетическое углеводородное масло полимера олефина C₅-С₂₀.

Однако способ имеет следующие недостатки:

- невысокое качество целевого продукта, характеризуемое намагниченностью насыщения, - не выше 45 кА/м. Этот недостаток связан с тем, что как известно [Фертман В.Е. Магнитные жидкости: Справ. Пособие. - Мн.: Высшая школа. 1988. С.33. Химическая энциклопедия в 5 томах. М.: Научн.изд. «Большая Российская энциклопедия». 1992. Т.5. С.86. Химия элементов: в 2 томах / Гринвуд Н., Эрншо А. пер. с англ. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2008. С.410] при нагреве нестабилизированного магнетита выше 40-50°C происходит его окисление до гематита, вследствие чего в целевом продукте заметно уменьшается количество магнитной фазы [Арефьев И.М. // Магнитокалорический эффект и теплоемкость высокодисперсных магнетиков. Дис. на соиск. уч. степ. кандид. хим. наук. Иваново. 2009];

- достаточная сложность процесса из-за:

- необходимости предварительной подготовки поверхностно-активных веществ;

- необходимости предварительной подготовки растворителей;

- дороговизна используемых препаратов:

- ангидридов жирных кислот;

- органических растворителей;

- большая энергоемкость из-за необходимости проведения нескольких операций с подогревом до 50-90°С общей длительностью не менее 11 часов;

- негативное воздействие на окружающую среду из-за проведения операций отмывки органическими растворителями при повышенной температуре.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретательская задача состояла в поиске способа получения ферромагнитной жидкости, включающего осаждение высокодисперсного магнетита из водных растворов солей двух- и трехвалентного железа при избытке двухвалентного железа раствором аммиака, промывку осадка дистиллированной водой, одновременную активацию и стабилизацию магнетита при нагревании смесью уксусной кислоты и поверхностно-активного вещества, включающего жирную кислоту, промывку стабилизированного магнетита дистиллированной водой и пептизацию при нагревании в жидкости-носителе на основе синтетического углеводородного масла, который позволил бы повысить качество целевого продукта, упростить способ, удешевить продукт, снизить энергоемкость процесса и повысить экологическую безопасность.

Поставленная задача решена способом получения ферромагнитной жидкости, включающим осаждение высокодисперсного магнетита из водных растворов солей двух- и трехвалентного железа при избытке двухвалентного железа раствором аммиака, промывку осадка дистиллированной водой, одновременную активацию и стабилизацию магнетита при нагревании смесью уксусной кислоты и поверхностно-активного вещества, включающего жирную кислоту, промывку стабилизированного магнетита дистиллированной водой и пептизацию при нагревании в жидкости-носителе на основе синтетического углеводородного масла, в котором пептизацию проводят в течение 4-6 часов непосредственно после промывки стабилизированного магнетита дистиллированной водой, в качестве поверхностно-активного вещества используют олеиновую кислоту, в качестве уксусной кислоты - ледяную уксусную кислоту, а в качестве синтетического углеводородного масла - алкарен.

Изобретение позволяет получить следующие преимущества:

- повысить качество целевого продукта, достигнув намагниченность насыщения не менее 60 кА/м;

- упростить способ, исключив предварительную подготовку поверхностно-активных веществ и растворителей;

- удешевить целевой продукт за счет замены дорогостоящих ангидридов жирных кислот на олеиновую кислоту и исключения органических растворителей;

- существенно снизить энергозатраты за счет исключения нескольких операций с предварительным нагревом в течение длительного времени;

- повысить экологическую безопасность процесса за счет исключения использования органических растворителей при повышенных температурах.

К тому же изобретение позволяет получить и следующие преимущества:

- расширить диапазон рабочих температур от -40 до 180°C;

- сохранение свойств полученного продукта при нагревании до 180°C в течение 1 часа;

- устойчивость в гравитационном поле 6000 g;

- устойчивость в магнитном поле до 1 Тл;

- возможность получать ферромагнитную жидкость различной вязкости по желанию заказчика;

- термоокислительная устойчивость;

- агрегативная устойчивость.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для осуществления изобретения используют следующие вещества:

- аммиак водный (NH₄OH), массовая доля аммиака не менее 25%, ГОСТ 3760-79;

- железо (II) сернокислое 7 - водное (FeSO₄*7H₂O), массовая доля железа (II) сернокислого 7 - водного не менее 95%, ГОСТ 4148-78 "хч";

- железо (III) треххлористое 6 - водное (FeCl₃*6H₂O), массовая доля железа (III) треххлористого 6 - водного не менее 95%, ГОСТ 4147-74 "хч";

- вода дистиллированная, ГОСТ 6709-72;

- кислота уксусная ледяная, ГОСТ 61-75 с изм. 1-3 "хч";

- кислота олеиновая, ТУ 6-09-5290-86 "хч";

- алкарен, ТУ 6-01-26-54-85, ТУ 6-01-26-54-83.

Предложенный способ реализуют последовательным проведением следующих операций:

- осаждение высокодисперсного магнетита из водных растворов солей двух- и трехвалентного железа при избытке двухвалентного железа раствором аммиака;

- многократная промывка осадка дистиллированной водой;

- одновременная активация и стабилизация магнетита. Для этого в ненагретый осадок магнетита добавляют ледяную уксусную кислоту и поверхностно-активное вещество. В качестве поверхностно-активного вещества используют жирную кислоту, а именно олеиновую. Полученную смесь нагревают до 90°C и выдерживают в течение 1 часа. Поскольку нагрев осадка магнетита осуществляют в присутствии поверхностно-активного вещества, поэтому не происходит окисления магнетита;

- многократная промывка стабилизированного магнетита горячей дистиллированной водой;

- пептизация в жидкости-носителе. В качестве жидкости-носителя используют алкарен, представляющий собой синтетическое углеводородное масло.

Пример 1. Готовят растворы: 45 г FeSO₄*7H₂O в 600 мл дистиллированной воды; 81 г FeCl₃*6H₂O в 600 мл дистиллированной воды; 345 мл 25% гидроксида аммония в 300 мл дистиллированной воды.

В химический стакан, содержащий 600 мл раствора аммиака, при интенсивном перемешивании одновременно вливают по 600 мл растворов сульфата и хлорида железа при температуре 25°C. Образовавшийся осадок магнетита многократно (5÷10 раз) промывают дистиллированной водой до pH промывных вод 6÷7. Затем водно-магнетитовую суспензию помещают в термостат при 90°C, одновременно с этим к ней добавляют 100 мл ледяной уксусной кислоты и 15 г олеиновой кислоты при интенсивном перемешивании и выдерживают массу в течение 1 часа. Далее маточный раствор сливают и стабилизированный магнетит промывают дистиллированной водой до полного удаления избытка олеиновой кислоты. Добавляют 10 г алкарена Д12 и полученную смесь пептизируют при 85°C в течение 6 часов.

Качественные показатели ферромагнитной жидкости, полученной при различных параметрах способа изобретения, приведены в таблице.

Количественные показатели качества жидкости, полученной по изобретению, определяли:

- намагниченность насыщения по известной методике [Перминов С.М. Разработка способа, устройства и методики измерения намагниченности нанодисперсной магнитной жидкости. Вестник ИГЭУ. 2009. Вып.3. С.1-4];

- плотность по ГОСТ 18995.1-73;

- вязкость на вискозиметре "Реотест-2.1".

Данные таблицы с очевидностью показывают высокое качество ферромагнитной жидкости, полученной по заявленному изобретению:

- повышение намагниченности насыщения на 25÷30%;

- повышение плотности на 5%;

- возможность варьировать вязкость в более широком диапазоне.

Таблица. Количественные показатели качества ферромагнитной жидкости. Примеры Параметры Показатели τ, час t, °C Намагниченность насыщения, кА/м Плотность, г/см³ Эффективная вязкость в интервале скоростей 180-1350 сек^-1 (Па·с), не более Устойчивость в магнитном поле до 1 Тл Устойчивость в гравитационном поле до 6000 g 1 6 85 60 1.6104 0.45 + + 2 4 90 62 1.6895 1.1 + + 3 - прототип* 8 90 45 1.6 0.35 нет данных нет данных ^*) показатели примера 3 взяты из таблицы 3 Патента РФ на изобретение №2208584

Заявлен способ получения ферромагнитной жидкости, включающий осаждение высокодисперсного магнетита из водных растворов солей двух- и трехвалентного железа при избытке двухвалентного железа раствором аммиака, промывку осадка дистиллированной водой, одновременную активацию и стабилизацию магнетита при нагревании смесью уксусной кислоты и поверхностно-активного вещества, включающего жирную кислоту, промывку стабилизированного магнетита дистиллированной водой и пептизацию при нагревании в жидкости-носителе на основе синтетического углеводородного масла, отличающийся тем, что пептизацию проводят в течение 4-6 часов непосредственно после промывки стабилизированного магнетита дистиллированной водой, в качестве поверхностно-активного вещества используют олеиновую кислоту, в качестве уксусной кислоты - ледяную уксусную кислоту, а в качестве синтетического углеводородного масла - алкарен. Повышение качества ферромагнитной жидкости как целевого продукта, при упрощении способа получения, снижение энергоемкости процесса и повышение его экологической безопасности является техническим результатом изобретения. 1 табл.

Способ получения ферромагнитной жидкости, включающий осаждение высокодисперсного магнетита из водных растворов солей двух- и трехвалентного железа при избытке двухвалентного железа раствором аммиака, промывку осадка дистиллированной водой, одновременную активацию и стабилизацию магнетита при нагревании смесью уксусной кислоты и поверхностно-активного вещества, включающего жирную кислоту, промывку стабилизированного магнетита дистиллированной водой и пептизацию при нагревании в жидкости-носителе на основе синтетического углеводородного масла, отличающийся тем, что пептизацию проводят в течение 4-6 ч непосредственно после промывки стабилизированного магнетита дистиллированной водой, в качестве поверхностно-активного вещества используют олеиновую кислоту, в качестве уксусной кислоты - ледяную уксусную кислоту, а в качестве синтетического углеводородного масла - алкарен.