СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ
METHOD OF PREPARING FERROMAGNETIC LIQUID

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;
5
20
- пептизация путем обработки стабилизированного магнетита в жидкости-носителе. В качестве жидкости-носителя используют полиэтилсилоксановую жидкость и/или синтетическое углеводородное масло полимера олефина C-С.
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:
4
- аммиак водный (NHOH), массовая доля аммиака не менее 25%, ГОСТ 3760-79;
4
2
- железо (II) сернокислое 7 - водное (FeSO*7HO), массовая доля железа (II) сернокислого 7 - водного не менее 95%, ГОСТ 4148-78 "хч";
3
2
- железо (III) треххлористое 6 - водное (FeCl*6HO), 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.
4
2
3
2
Пример 1. Готовят растворы: 45 г FeSO*7HO в 600 мл дистиллированной воды; 81 г FeCl*6HO 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/см<sup>3</sup>
Эффективная вязкость в интервале скоростей 180-1350 сек<sup>-1 </sup>(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
<sup>*</sup>) показатели примера 3 взяты из таблицы 3 Патента РФ на изобретение №2208584