СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 2016 года по МПК H01F1/44 C01G49/08 

Изобретение относится к области получения магнитных жидкостей. Магнитные жидкости (коллоидные дисперсные системы), благодаря необычному сочетанию свойств магнетиков, жидкостей и коллоидных растворов, являются перспективным материалом и находят применение в различных областях техники: при создании магнитно-жидкостных уплотнений вращающихся валов, в качестве магнитных смазок, в процессах магнитного обогащения немагнитных материалов, в биологии и медицине.

Получение магнитных жидкостей состоит из двух основных операций. 1. Получение наночастиц магнетита. 2. Стабилизация наночастиц магнетита в дисперсионной среде с использованием стабилизирующего вещества, предотвращающего агрегирование и оседание наночастиц магнетика.

Известен способ получения магнитной жидкости, заключающийся в осаждении частиц магнетита из водных растворов солей Fe²⁺ и Fe³⁺- избытком щелочи (NaOH и NH₄OH) [Матусевич Н.П., Рахуба В.К. Получение магнитных жидкостей методом пептизации. - В кн.: Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей. Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. Саласпилс, Институт АН Латвийской ССР, 1980. - С. 21-28]. Осадок магнетита промывают декантацией от избытка щелочи и удаления солей до достижения рН 7. Полученный магнетит обладает нужной дисперсностью, легко стабилизируется. Магнитная жидкость получается добавлением к водной суспензии магнетита жидкости-носителя, в которой растворен стабилизатор - ПАВ. В качестве дисперсионной среды 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.

Известен способ получения магнитной жидкости, включающий образование суспензии наночастиц магнетита, покрытие поверхности наночастиц магнетита адсорбированным слоем олеиновой кислоты в качестве стабилизирующего вещества, подогрев суспензии наночастиц магнетита с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества, отделение от суспензии фракции, содержащей стабилизированные магнитные частицы в керосине в качестве жидкости-носителя, причем в качестве источника двух- и трехвалентного железа для получения суспензии наночастиц магнетита используют природный магнетит следующего химического состава: Fe_oбщee=65,6%, FeO=26,7%, F₂O₃=63,4, МnO_макс=0,11%, СаO_макс=0,60%, MgO_макс=0,8%, Al₂O_3макс=0,40%, S_макс=0,15%, P₂O_5макс=0,025%, SiO_2макс=7,75%, Na₂O_мaкc=0,063%, К₂О_макс=0,063%, предварительно растворенный в соляной кислоте и переосажденный 28%-ным гидроксидом аммония (Патент РФ на изобретение 2391729, МПК 6 H01F 1/44, C01G 49/08, C09G 1/04).

Недостатки данного способа получения магнитной жидкости таковы. Во-первых, магнитная жидкость обезвоживается не полностью. Часть воды остается в керосине. Она эмульгируется олеиновой кислотой, остается на поверхности магнетита. Во-вторых, хемосорбция олеиновой кислоты плохо удерживает стабилизатор на поверхности наночастиц магнетита. Поэтому наблюдается недостаточная стабилизация дисперсии.

Технической задачей изобретения является улучшение стабилизации дисперсии. Технический результат достигается с помощью «сухого» способа получения магнитной жидкости. Технический результат достигается тем, что в способе получения магнитной жидкости, включающем образование наночастиц магнетита, покрытие поверхности наночастиц магнетита стабилизирующим веществом в среде углеводорода, согласно изобретению из оксидгидроксида железа(III) и олеиновой кислоты при 300°С в среде алкенов получают олеат железа (III), в качестве алкенов используют гептадецен-1 или октадецен-1, затем олеат железа (III) декарбоксилируют при температуре 300-340° для получения наночастиц магнетита, покрытых стабилизатором углеводородом в дисперсионной среде углеводорода.

Оксидгидроксид железа (III) или минерал гетит и олеиновую кислоту смешивают с алкеном (октадеценом-1 или гептадеценом-1), постепенно нагревают до 300°С. Получают олеат железа по реакции

FeO(ОН)+3СН₃-(СН₂)₇-СН=СН-(СН₂)₇СООН=[СН₃-(СН₂)₇-СН=СН-(СН₂)₇СОО]₃Fe+2H₂O.

Цвет гетита желтый, охряно-желтый, желто-бурый, бурый. Поэтому и цвет раствора олеата железа будет примерно такого же цвета, как гетит.

После этого повышают температуру до 320-340°С и проводят реакцию декарбоксилирования олеата железа по схеме

n[СН₃-(СН₂)₇-СН=СН-(СН₂)₇СОО]₃Fe=(Fe₃O₄)_n-[СН₂-(СН₂)₇-СН=СН-(СН₂)₆СН₃]_m+9CO₂.

Получают наночастицы магнетита в алкене, покрытые алкеном. Магнетит черного цвета. По изменению цвета дисперсии можно ориентировочно наблюдать завершение реакции. Вода при такой высокой температуре 320-340°С испаряется из зоны реакции. Такая дисперсия не расслаивается в течение полугода. Разбавление керосином не влияет на длительность расслаивания.

Изобретение иллюстрируется примерами.

Пример 1. Смесь 0,36 г гетита 7,0 г олеиновой кислоты и 8,0 г октадецена-1 помещают в двухгорлую колбу с термометром, конденсатором, магнитной мешалкой и нагревают 30 мин при 300°С до полного растворения порошка гетита. Затем повышают температуру до 340°С и декарбоксилируют 1 час до появления черной дисперсии магнетита. Размеры и форму наночастиц порошка магнетита определяли с помощью просвечивающей электронной микроскопии с использованием микроскопа фирмы JEOL JEM-1011 при ускоряющем напряжении 100 кВ. Их диаметр был в пределах 10,2-15,0 нм. Фазовый анализ выполняли рентгеновским порошковым дифрактометром GBC EMMA. На дифрактограмме зафиксированы пики только магнетита. Дисперсия была устойчивой в течение 6 месяцев.

Пример 2. Смесь 0,4 г гетита 5 г олеиновой кислоты и 10,0 г гептадецена-1 помещают в двухгорлую колбу с термометром, конденсатором, магнитной мешалкой и нагревают 20 мин при 300°С до полного растворения порошка гетита. Затем повышают температуру до 320°С и декарбоксилируют 45 мин до появления черной дисперсии магнетита. Размеры и форму наночастиц порошка магнетита определяли с помощью просвечивающей электронной микроскопии с использованием микроскопа фирмы JEOL JEM-1011 при ускоряющем напряжении 100 кВ. Их диаметр был в пределах 10,1-12,2 нм. Фазовый анализ выполняли рентгеновским порошковым дифрактометром GBC EMMA. На дифрактограмме зафиксированы пики только магнетита. Дисперсия была устойчивой в течение 6 месяцев.

Пример 3. Получают магнитную жидкость известным способом (Матусевич Н.П., Рахуба В.К. Получение магнитных жидкостей методом пептизации. - В кн.: Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей. Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. Саласпилс, Институт АН Латвийской ССР, 1980. - С. 21-28). Устойчивость такой магнитной жидкости 25 дней.

Таким образом, хемосорбция олеиновой кислоты через слой гидратированных наночастиц магнетита в мокром способе меняется в на ковалентную связь углеводорода с наночастицами магнетита в сухом способе. Поэтому устойчивость магнитной жидкости значительно улучшается.

Изобретение может быть использовано при получении магнитно-жидкостных уплотнений вращающихся валов, магнитных смазок, в процессах магнитного обогащения немагнитных материалов, в биологии и медицине. При получении магнитной жидкости из оксидгидроксида железа (III) или гетита и олеиновой кислоты в среде алкенов при 300°С синтезируют олеат железа (III). Полученный олеат железа (III) декарбоксилируют при температуре 300-340°С с получением наночастиц магнетита, покрытых стабилизатором углеводородом в среде алкена. В качестве алкенов используют гептадецен-1 или октадецен-1. Изобретение позволяет повысить устойчивость магнитной жидкости до 6 месяцев. 3 пр.

Способ получения магнитной жидкости, включающий образование наночастиц магнетита, покрытие поверхности наночастиц магнетита стабилизирующим веществом в среде углеводорода, отличающийся тем, что из оксидгидроксида железа (III) и олеиновой кислоты в среде алкенов при 300°С получают олеат железа (III), который декарбоксилируют при температуре 300-340°С для получения наночастиц магнетита, покрытых стабилизатором углеводородом в среде алкена, в качестве которого используют гептадецен-1 или октадецен-1.