CC BY
14
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ КОЛЛОИДОВ Шабанова Ирина Александровна, к.ф.-м.н., доцент (e-mail: [email protected]) Стороженко Анастасия Михайловна, к.ф.-м.н., доцент (e-mail: storogenko [email protected]) Афонин Владислав Александрович, студент Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
В работе представлен сравнительный анализ физических параметров магнитного коллоида до центрифугирования и после центрифугирования. Описываемые результаты получены экспериментально для образца маг-нетитовой магнитной жидкости на основе керосина.
Ключевые слова: метод химической конденсации, магнитная жидкость, кривая намагничивания, вязкость.
Из многочисленных конденсационных методов получения магнитных жидкостей (МЖ) наибольшее распространение получил метод химической конденсации, заключающийся в осаждении частиц магнетита из водного раствора солей двух- и трехвалентного железа избытком аммиачной воды [1]. Высокий выход частиц с размерами 10 нм, простота реализации, производительность метода обусловили широкое его использование.
Процесс получения магнитной жидкости состоит из двух основных стадий: получения магнитных частиц коллоидных размеров и стабилизации их в жидкой основе [2-3]. Основная особенность этого процесса состоит в том, что обе стадии совмещены во времени: чтобы предотвратить слипание частиц под действием сил притяжения, образование адсорбционных слоев на поверхности магнитных частиц должно происходить в момент появления последних.
Полученный осадок коллоидных частиц необходимо перевести в жидкость-носитель. Эта процедура осуществляется методом пептизации, суть которого заключается в образовании на поверхности частиц молекулярного слоя ПАВ. Пептизацию проводят, добавляя при подогреве и перемешивании к осадку магнетита раствор жидкости-носителя ПАВ.
Описанный метод прост, технологичен, дает возможность получать МЖ на различных основах и широко распространен в настоящее время, в результате чего стоимость МЖ незначительно превышает стоимость компонентов [1].
В большинстве своём магнитные жидкости имеют сильно выраженную чёрную окраску в объёме, благодаря присутствию в них в качестве дисперсной фазы магнетита. Однако известны магнитные жидкости, в которых высокодисперсная магнитная фаза может быть представлена частицами другого происхождения (гамма-оксида железа, ферритов марганца, кобальта, цинка и никеля); в этом случае МЖ могут иметь
окраску от тёмно-коричневой до оранжево-жёлтой, а при соблюдении некоторых особых условий их синтеза удаётся получить высокодисперсные магнитные системы очень широкого спектра цветов и оттенков. Добавление в магнитные коллоидные системы некоторых специальных красителей позволяет изменить окраску МЖ, что нашло широкое применение в печатной промышленности при создании магнитных красок и чернил [4,5].
МЖ впервые синтезированы в середине 60-х гг. 20 в., их создание - получение наночастиц твёрдого магнитного материала, диспергирование его в жидкости-носителе и придание дисперсной системе агрегативной устойчивости - является одним из первых достижений нанотехнологий. Намагниченность М концентрированных МЖ достигает ~100 кА/м в магнитных полях напряжённостью Н~80 кА/м; при этом их вязкость близка к вязкости жидкости-носителя и почти не зависит от Н [6,7].
В качестве дисперсной фазы обычно используют магнетит Ре304, железо, кобальт, ферриты-шпинели. Однако наиболее распространены МЖ на основе магнетита, диспергированного в углеводородных, кремнийоргани-ческих жидкостях и воде. Для предотвращения слипания (агрегации) под влиянием магнитного взаимодействия частицы покрываются одним или двумя мономолекулярными слоями поверхностно-активного вещества (олеиновая кислота, олеат натрия). При среднем диаметре частиц магнети-
19 2
та ~10 нм их магнитный момент -2,5 10" А м , т. е. составляет порядка 104 атомных магнитных моментов. Совершая беспорядочное тепловое вращение, частицы поворачиваются на большой угол за время броуновского вращения порядка 1 мкс при вязкости жидкости-носителя 10 Па-с. Столь малые частицы удерживаются тепловым броуновским движением в объёме жидкости практически сколь угодно долго. Высокую устойчивость МЖ проявляют и в магнитных полях с сильной неоднородностью. Динамика намагничивания МЖ определяется двумя механизмами ориентации магнитных моментов феррочастиц вдоль магнитного поля, каждый из которых характеризуется своим временем релаксации. Первый механизм связан с броуновским вращательным движением частицы в жидкой матрице, второй - обусловлен тепловыми флуктуациями момента внутри самой частицы (неелевский механизм). Кривая зависимости статического намагничивания М(Н) МЖ имеет сходство с функцией Ланжевена, характеризующей процесс намагничивания парамагнетиков [1,7]. В научной литературе за МЖ закрепилось название суперпарамагнетиков.
В настоящей работе исследовалась магнитная жидкость определенного состава: коллоидный раствор магнетита в углеводородной среде, стабилизированный олеиновой кислотой. Выбор МЖ данного типа в качестве объекта исследования обусловлен высокой однородностью и стабильностью в течение длительного времени. При этом особый интерес представляли исследования физических параметров магнитного коллоида до центрифугирования и после центрифугирования (табл.1).
Таблица 1 - Характеристики исследуемых образцов
Образец Образец до центрифугирования МЖн Образец после центрифугирования МЖц
Жидкость-носитель Керосин Керосин
Вязкость, 10 Па с 19 21
Намагниченность насыщения Ы8, кА/м 76,7 82,7
Диаметр «крупных» наночастиц ^тах, нм 12,5 12
Диаметр «мелких» наночастиц dmin , нм 9,2 8,6
Кривые намагничивания образца до и после центрифугирования представлены на рисунках 1-2.
Рисунок 1 - Кривая намагничивания образца до центрифугирования
90
80
70
60
50
40
30
М, кА/м
20 ф
10
/
* ♦ ♦ ♦ ♦
Н,кА/м
100
200
300
400
500
600
700
800
Рисунок 2 - Кривая намагничивания образца после центрифугирования
0
0
Вязкость образца также изменилась после центрифугирования по сравнению с исходным образцом. Эти данные представлены на рисунке 3.
70 п „ П, мПас
60 -50 -40 30 20 10 Н 0
-МЖ после центр ифугирования
-МЖ до
центрифугирования
-*—х—х—9«-К-X-X-X-X-*-х-к-X-X-*-*-X
и, об/мин
0 20 40 60 80 100
Рисунок 3 - Зависимость вязкости магнитной жидкости от скорости сдвига
Из последней зависимости видно, что вязкость образца до центрифугирования меньше, чем у той же магнитной жидкости после центрифугиро-
вания. Следует отметить, что ключевым компонентом магнитной жидкости является стабилизатор, предотвращающий процесс агрегации частиц дисперсной фазы и расслоение образца, обеспечивая агрегативную и седи-ментационную устойчивость МЖ. Именно стабилизатор, связывающий твердые частицы магнетика с молекулами дисперсионной среды, способствует формированию структуры, характер которой и определяет коллоидальную стабильность магнитной жидкости в статическом режиме и при внешних воздействиях. При нагрузках в процессе центрифугирования под действием центробежной силы происходит оседание крупных частиц и агрегатов, а также излишков ПАВ. Распределение частиц по размерам в этом случае становится более узким. При этом сила взаимодействия между молекулами ПАВ и носителя, а также между молекулами ПАВ и активными центрами на поверхности частиц дисперсной фазы настолько велика, что внешнее дестабилизирующее воздействие не приводит к потере стабильности МЖ.
Проведенные исследования позволяют судить об изменении структуры МЖ и влияющих на это факторах, и, кроме того, оценивать коллоидальную стабильность МЖ при внешних механических воздействиях.
Работа выполнена в рамках гранта Президента для государственной поддержки молодых российских ученых, договор № 14.Z56.16.5703-MK, а также гранта РФФИ на выполнение в 2016 году работ по научному проекту № 16-32-50092, договор № 16-32-50092\16.
Список литературы
1. Баштовой В.Г., Берковский Б.М., Вислович А.Н. Введение в термомеханику магнитных жидкостей. М.: ИВТАН, 1985, 188 с.
2. Muller, H.W. Sound damping in ferrofluids: Magnetically enhanced compressional viscosity. [Text] / H.W. Muller //Physical review E 67. 031201. 2003. РР. 1-5.
3. Odenbach, S. Magnetic fluids—suspensions of magnetic dipoles and their magnetic control ^ext] / S. Odenbach // Journal of physics: condensed matter. 2003. - № 15. - ISSN 1497-1508.
4. Казаков, Ю.Б. Анализ влияния взаимозависимых магнитного и теплового полей в маг-нитожидкостном герметизаторе на удерживаемый перепад давления [Текст]/ Ю.Б. Казаков, Ю.Я. Щелыкалов // Вестник машиностроения. - 2002. - №1. - С. 23-27.
5. Морозов, Н.А. Анализ положения магнитной жидкости в рабочем зазоре магни-тожидкостного герметизатора [Текст] / Н.А. Морозов, Ю.И. Страдомский,
6. Орлов Д.В., Курбатов В. А., Сизов А.П. и др. А.с. 516861 СССР. Ферромагнитная жидкость для магнитожидкостных уплотнителей. № 2095965/25-8; заявл. 29.01.75; опубл. 1976, Бюл. № 21.
7. Полунин В.М. Акустические свойства нанодисперсных магнитных жидкостей. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. - 384 с.
8. Effect of the magnetic field perturbation in a magnetic fluid with pulsating bubbles/ Polunin V.M., Storozhenko A.M., Shabanova I.A., Lobova O.V., Arefyev I.M.// Magnetohydrodynamics. 2014. Т. 50. № 4. С. 431-441.
9. Исследование кинетико-прочностных свойств магнитожидкостной мембраны/ Гу-ламов А.А., Полунин В.М., Рослякова Л.И., Хотынюк С.С., Шабанова И.А., Сторожен-ко A.M.// Нанотехника. 2010. № 21. С. 10-15.
10. On the dynamics of self-restoring of magnetic fluid membranes using a cavitation model/ Polunin V.M., Shabanova I.A., Boev M.L., Ryapolov P.A., Postnikov E.B.// Magnetohydrodynamics. 2011. Т. 47. № 3. С. 303-313.
11. Акустоструктурный анализ нанодисперсной магнитной жидкости/ Полунин В.М., Ряполов П.А., Стороженко А.М., Шабанова И.А.// Известия высших учебных заведений. Физика. 2011. Т. 54. № 1. С. 10-15.
12. Форма поверхности воздушной полости в магнитной жидкости, захваченной и удерживаемой магнитным полем/ Баштовой В.Г., Боев М.Л., Мьо М.Т., Ряполов П.А., Шабанова И.А., Полунин В.М.// Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Физика и химия. 2012. № 2. С. 107-112.
13. Structural-acoustic analysis of a nanodispersed magnetic fluid/ Polunin V.M., Ryapolov P.A., Storozhenko A.M., Shabanova I.A.// Russian Physics Journal. 2011. Т. 54. № 1. С. 9-15.
14. Влияние структурного фактора на реологические параметры магнитной жидкости/ Полунин В.М., Шабанова И. А., Рослякова Л.И.// Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Физика и химия. 2011. № 1. С. 32-37.
Shabanova Irina A., PhD, lecturer Southwest State University, Kursk, Russia (e-mail: [email protected]) Storozhenko Anastasia M., PhD, lecturer Southwest State University, Kursk, Russia (e-mail: [email protected]) Afonin Vladislav А., student Southwestern State University, Kursk, Russia
INFLUENCE OF MECHANICAL STRESS ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF MAGNETIC COLLOIDS This paper presents a comparative analysis of the physical parameters of magnetic colloid before centrifugation and after centrifugation. We obtained these experimental results using a sample of magnetic fluid based on magnetite and kerosene.
Keywords: chemical condensation, magnetic fluid, magnetization curve, viscosity.
