СПОСОБ КОНТРОЛЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ЧАСТИЦЫ ПО КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ИХ ДИСПЕРСНЫХ ОБРАЗЦОВ
METHOD FOR CONTROLLING THE MAGNETIC SUSCEPTIBILITY OF A PARTICLE BY THE CONCENTRATION DEPENDENCE OF THE SUSCEPTIBILITY OF THEIR DISPERSED SAMPLES

Способ относится к области магнитных измерений и предназначен для определения магнитной восприимчивости отдельных (одиночных) частиц, с использованием для этого специально получаемой зависимости восприимчивости дисперсного образца таких частиц от их объемной доли (концентрации) в образце. Может быть использован в научных и практических целях, в частности, для получения информации о поведении магнитоактивных частиц под действием магнитного поля (при магнитной сепарации, магнитофорезе) в решении различных задач промышленности и биотехнологии.
Известны способы определения магнитной восприимчивости образцов материалов, в том числе дисперсных, с использованием различных измерительных устройств (магнитометров) [1-3]: вибрационных, пондеромоторных, баллистических и др. Однако эти способы, хотя и применимы для измерений магнитной восприимчивости ‹χ› дисперсных, в частности, порошковых образцов, т.е. образцов с частицами малых размеров, не позволяют решать актуальную задачу определения магнитной восприимчивости χ отдельных частиц. При этом, получая данные ‹χ›, в том числе для образцов с различной объемной долей γ частиц в образце, методология выполнения измерений с использованием указанных измерительных устройств-магнитометров не предусматривает алгоритма действий, направленных на решение этой задачи, а именно не предусматривает целевое получение концентрационной (т.е. от γ) зависимости магнитной восприимчивости ‹χ› дисперсного образца из того или иного материала, идентификацию характерного участка этой зависимости – как основы для последующего получения данных о магнитной восприимчивости χ отдельных частиц.
Известно специальное, включающее колебательные контуры, устройство для измерения магнитной восприимчивости магнетитовых руд [4]. Такому техническому решению присущи отмеченные выше недостатки, с его помощью не представляется возможным определить магнитную восприимчивость отдельных малоразмерных частиц магнетитовых руд, например, в случаях, если эти руды технологически подвергаются дроблению и размолу для осуществления широко практикуемого магнитного обогащения (сухого и/или мокрого) [5], т.е. когда для эффективной реализации процесса обогащения требуется информация о магнитной восприимчивости именно отдельных частиц.
Известно электромагнитное устройство, в котором реализуется способ определения магнитной восприимчивости малообъемных, в том числе дисперсных, магнетиков усовершенствованным пондеромоторным методом [6]. Такому техническому решению присущи те же, отмеченные в предыдущих аналогах, недостатки, что в конечном счете, даже при получении данных магнитной восприимчивости дисперсного магнетика, не позволяет определять магнитную восприимчивость отдельных частиц.
Известно электромагнитное устройство [7], предназначенное для определения магнитной восприимчивости такого дисперсного образца, как магнитная жидкость-суспензия, поверхность которой размещается в магнитном поле между полюсными наконечниками. Этому техническому решению тоже присущи отмеченные выше недостатки. К тому же, при размещении жидкости-суспензии в магнитном поле из-за отсутствия ограничений в перемещении отдельных частиц по объему такого дисперсного образца (жидкого) происходит образование цепочек частиц, их конгламерация, т.е. нарушается изначальная структура указанного дисперсного образца, что тем более осложняет получение данных о магнитной восприимчивости отдельных частиц.
Известна микромагнитометрическая система обнаружения магнитных сигнатур магнитных материалов [8]. Однако это техническое решение, позволяющее лишь обнаруживать присутствие сверхмалых количеств магнитоактивных частиц, в том числе даже одной такой осажденной частицы, не предусматривает определение ее магнитной восприимчивости.
По числу признаков наиболее близким к заявляемому способу является способ контроля магнитной восприимчивости χ магнитоактивной частицы, описанный в [9]. Способ-прототип заключается в измерении магнитной восприимчивости ‹χ› специально приготовленных дисперсных образцов, в каждом из которых, в отсутствие жидкой фракции, распределены частицы магнитоактивной фракции с определенным значением объемной доли γ этих частиц: для этого дополнительно используется фракция частиц, не обладающих магнитоактивными свойствами (в частности, размолотый песок, смешиваемый с фракцией магнитоактивных частиц). На основании получаемой зависимости ‹χ› от γ изучаемых образцов идентифицируется начальный линейный участок этой зависимости, в пределах которого справедливой является необходимая для контроля связь χ = ‹χ›/γ, по которой, используя получаемые данные ‹χ› и γ, определяется магнитная восприимчивость отдельной (одиночной) частицы χ.
Однако при реализации данного способа возникают сложности, связанные с трудоемкостью и длительностью во времени приготовления дисперсных образцов, в которых путем перемешивания обеих фракций должно достигаться практически равномерное распределение магнитоактивных частиц в смеси. Если же такое, т.е. в достаточной мере равномерное, распределение магнитоактивных частиц в смеси не обеспечивается, это негативно сказывается на точности и вопроизводимости результатов измерений магнитной восприимчивости дисперсных образцов и, как следствие, на точности контроля магнитной восприимчивости отдельных частиц этих образцов.
Задачей предлагаемого способа является сокращение времени и упрощение процесса приготовления дисперсных образцов,  повышение оперативности и точности контроля магнитной восприимчивости отдельных частиц этих образцов.
Поставленная задача решается применением способа контроля магнитной восприимчивости χ магнитоактивной частицы, заключающегося в измерении магнитной восприимчивости ‹χ› дисперсных образцов, в каждом из которых, в отсутствие жидкой фракции, распределены частицы магнитоактивной фракции с определенным значением объемной доли γ таких частиц, получении зависимости  ‹χ› от γ для изучаемых образцов и идентификации начального линейного участка этой зависимости, в пределах которого справедливой является необходимая для контроля χ связь χ=‹χ›/γ. При этом распределение магнитоактивных частиц, необходимое для получения как определенных значений их объемной доли γ в образце, так и зависимости ‹χ› от γ, осуществляется посредством приготовления соответствующих (т.е. при разных значениях γ) суспензий с дисперсной фазой таких частиц в жидкой дисперсионной среде, подвергаемой отвердеванию.
Для осуществления предлагаемого способа одним из вариантов дисперсионной среды (в которую помещена дисперсная фаза магнитоактивных частиц) является высоковязкий мыльный раствор. При этом для обеспечения равномерного распределения магнитоактивных частиц по объему образца суспензии производится непрерывное перемешивание этой суспензии. Ее отвердевание (с  сохраняющимся равномерным распределением частиц дисперсной фазы) достигается путем постепенного добавления малыми порциями низкотемпературного жидкого азота.
Вариантом дисперсионной среды может служить также  расплавленный воск при температуре не менее 62–68°С. Магнитоактивные частицы помещаются в данную дисперсионную среду и производится перемешивание (как и ранее) для равномерного распределения частиц по объему такого дисперсного образца. При осуществлении его естественного или искусственного охлаждения с понижением температуры менее чем 35°С происходит отвердевание этого образца с сохраняющимся равномерным распределением магнитоактивных частиц по его объему.
Еще одним вариантом дисперсионной среды является расплавленный парафин при температуре не менее 45–65°С. Как и в предыдущем варианте, магнитоактивные частицы помещаются в данную дисперсионную среду и производится перемешивание для равномерного распределения частиц по объему этого дисперсного образца. При естественном или искусственном охлаждении с  понижением температуры менее чем 35°С происходит отвердевание этого дисперсного образца с сохранением равномерного распределения магнитоактивных частиц по его объему.
В любом из вариантов дисперсионной среды, используемой для приготовления на их основе образца-суспензии с дисперсной фазой магнитоактивных частиц, последующего отвердевания этих дисперсных образцов, предпочтительным для получения зависимости магнитной восприимчивости дисперсного образца ‹χ› от объемной доли в нем магнитоактивных частиц γ является диапазон значений γ ≤ 0,15-0,25.
Благодаря тому, что для реализации предлагаемого способа, основывающегося на получении как определенных значений объемной доли γ магнитоактивных частиц в дисперсном образце, так и зависимости магнитной восприимчивости образца ‹χ› от γ, распределение магнитоактивных частиц осуществляется посредством приготовления соответствующих (т.е. при разных значениях γ) суспензий с дисперсной фазой таких частиц в жидкой дисперсионной среде, подвергаемой отвердеванию (например, по одному из описанных вариантов), достигается технический результат, заключающийся в сокращении времени и упрощении процесса приготовления дисперсных образцов, повышении оперативности и точности контроля магнитной восприимчивости отдельных частиц этих образцов. При этом оговоренное ограничение диапазона значений объемной доли магнитоактивных частиц γ в изучаемых образцах дополнительно сокращает время и повышает оперативность способа контроля.
Реализация способа осуществляется следующим образом (на примере варианта использования дисперсионной среды в виде расплавленного воска). Воск предварительно нагревают до жидкого состояния (до температуры не менее 62–68°С) и в определенный объем такой дисперсионной среды помещают дисперсную фазу магнитоактивных частиц (из расчета получения задаваемого значения их объемной доли γ), перемешиванием достигают равномерного распределения этих частиц по всему объему изучаемого дисперсного образца. С понижением температуры (при осуществлении естественного или искусственного охлаждения) получаемый дисперсный образец (с дисперсионной средой, т.е. расплавленным воском) становится пластичным, а при температуре менее 35°С происходит его отвердевание – с сохраняющимся равномерным распределением частиц магнитоактивной фракции и заданным значением объемной доли γ этих частиц. Далее аналогично готовят другие подобные дисперсные образцы – с иными значениями γ. Затем получают зависимость  ‹χ› от γ, на которой идентифицируют ее начальный линейный участок, т.е. участок, в пределах которого справедливой является необходимая для контроля магнитной восприимчивости отдельных частиц χ связь χ = ‹χ›/γ, учитывая, что в целях оперативного получения информации предпочтительно готовить образцы, ограничиваясь диапазоном значений γ ≤ 0,15-0,25.
[1]. Казин П.Е., Кульбакин И.В. Методы исследования магнитных свойств материалов / Методическая разработка. М.: МГУ. 2011. 34 с.
[2].Чечерников В.И. Магнитные измерения / Учебное пособие. М.: МГУ. 1963. 286 с.
[3].Деркач В.И. Специальные методы обогащения полезных ископаемых / Учебное пособие. М.: Недра. 1966. 338 с.
[4]. Патент RU 163337 (полезная модель). Устройство контроля магнитной восприимчивости среды. Подмастерьев К.В., Баженов И.Н., Иванов Ю.Б. 2016.
[5]. В.И. Кармазин, В.В. Кармазин Магнитные и электрические методы обогащения. М.: Недра, 1988. 304 с.
[6]. Патент RU 2680863. Электромагнитное устройство для определения магнитной восприимчивости вещества. Сандуляк А.В., Сандуляк А.А., Киселев Д.О., Полисмакова М.Н., Сандуляк Д.А., Ткаченко Р.Ю., Матвеев В.В., Титов А.А. 2019.
[7]. Патент RU 2098807. Способ определения магнитной восприимчивости магнитной жидкости (варианты) Коровин В.М.,Кубасов А.А. 1997.
[8].  Патент RU 2621486. Микромагнитометрическая система обнаружения и способ обнаружения магнитных сигнатур магнитных материалов. Терки Ф, Буссексу А., Тран К.Х., Камара С., Ким Ч.Г., Ким К.В., Ганди Ф. 2017.
[9] А.А.Сандуляк, М.Н.Полисмакова, Д.О.Киселев, Д.А.Сандуляк, А.В.Сандуляк. Об ограничении объемной доли частиц в дисперсном образце (при контроле их магнитных свойств). Тонкие химические технологии. 2017. Т.12. №3. С.58-64.