Способ получения магнитной жидкости

Способ получения магнитной жидкости

Реферат

ВВЕДЕНИЕ

Изобретение относится к коллоидной химии и может быть использовано для получения высокотемпературных, с различной вязкостью, стабильных против окисления, высоковакуумных магнитных 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 рН 10÷12, пептизацией раствором олеиновой кислоты в алкарене при 115-120°С 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°С в течение 30 мин 70-80%-ной уксусной кислотой, стабилизацией олеиновой кислотой при нагревании до 27÷97°С, 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 магнитной 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°С в течение 30 мин;

- одновременная активация и стабилизация осадка магнетита. Для этого в нагретый до 90°С 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°С 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°С 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 магнитной 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 вакуумного масла, который позволил бы повысить качество целевого продукта, упростить способ, удешевить продукт, снизить энергоемкость процесса и повысить экологическую безопасность.

Поставленная задача решена способом получения магнитной 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 вакуумного 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 вакуумного масла - минеральное углеводородное масло (ВМ).

Изобретение позволяет получить следующие преимущества:

- повысить качество целевого продукта, достигнув намагниченности насыщения не менее 50 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 -20 до 210°С;

- сохранение свойств полученного продукта при нагревании до 210°С в течение 1 часа;

- устойчивость в гравитационном поле 6000 g;

- устойчивость в магнитном поле до 1 Тл;

- возможность получать магнитную 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 (FeCl₃·6Н₂O), 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";

- масло вакуумное ВМ-6, ТУ 38.401-58-3-90.

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°С 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 вакуумное масло, представляющее собой минеральное углеводородное масло.

Пример 1. Готовят растворы: 45 г FeSO₄·7H₂O в 600 мл дистиллированной воды; 81 г FeCl₃·6H₂О 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°С. Образовавшийся осадок магнетита многократно (5÷10 раз) промывают дистиллированной водой до рН промывных вод 6÷7. Затем водно-магнетитовую суспензию помещают в термостат при 90°С, 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 вакуумного масла ВМ-6 и полученную смесь пептизируют при 85°С в течение 6 часов.

Качественные показатели магнитной 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 магнитной жидкости, полученной по заявленному изобретению:

- повышение намагниченности насыщения на 25-30%;

- уменьшение плотности на 2%;

- возможность варьировать вязкость в более широком диапазоне.

Таблица
Количественные показатели качества магнитной жидкости
Примеры	Параметры	Показатели
τ, час	τ,°C	Намагниченность насыщения, кА/м	Плотность, г/см3	Эффективная вязкость в интервале скоростей 180-1350 сек-1 (в Па·с), не более	Устойчивость в магнитном поле до 1 Тл	Устойчивость в гравитационном поле до 6000 g
1	6	85	60	1.5758	3.8	+	+
2	4	90	58	1.5532	3.3	+	+
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

Способ получения магнитной 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 вакуумного 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 вакуумного масла - минеральное углеводородное масло (ВМ).