🗊Презентация Магнитные жидкости

Магнитные жидкости Магнитные жидкости (МЖ) – взвешенные дисперсии магнитных наночастиц (ферромагнетиков, ферримагнетиков или суперпарамагнетиков, размером обычно 5–15 нм) в несущей жидкости (вода, органический растворитель, силиконовое или минеральное масло), стабилизированные поверхностно-активными веществами (ПАВ), и сильно поляризующиеся (намагничивающиеся) в присутствии магнитного поля. МЖ представляют собой трехкомпонентную систему, состоящую из дисперсионной среды, магнитной фазы и стабилизатора. Стабилизатор (ПАВ) необходим для обеспечения устойчивости МЖ (взаимодействуя с магнитными наночастицами, он образует защитную оболочку вокруг частиц и препятствует их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил). Разновидностью МЖ являются ферромагнитные жидкости (ФМЖ), в которых магнитной фазой являются наночастицы магнетита. ФМЖ, несмотря на название, не проявляют ферромагнитных свойств (не сохраняют  остаточной намагниченности  после исчезновения внешнего магнитного поля) и являются  «суперпарамагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости.

Магнитные жидкости

Магнитные жидкости Типичные ПАВ (стабилизаторы) для ФМЖ: олеиновая кислота; полиакриловая кислота; лимонная кислота; олеат натрия; полиакрилат натрия; цитрат натрия тетраметиламмония гидроксид. ПАВ препятствуют слипанию наночастиц, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры. Молекулы ПАВ имеют полярную  «головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу  вокруг частицы, что приводит к возникновению кулоновских сил отталкивания между частицами, повышает стабильность МЖ на водной основе. Вместе с тем, ПАВ могут быть вредны для магнитных свойств МЖ (в особенности, для магнитного насыщения  МЖ). Добавление ПАВ (или других посторонних веществ) может уменьшать также плотность упаковки ферромагнитных частиц в МЖ, тем самым уменьшая ее вязкость.  

Магнитные жидкости (МЖ) Свойства МЖ определяются совокупностью характеристик входящих в нее компонентов (твердой магнитной нанофазы, жидкости-носителя и стабилизатора), варьируя которыми можно изменять физико-химические параметры МЖ (в зависимости от конкретных условий применения). Известен ряд общих уникальных свойств МЖ (их 10): 1. Высокая магнитная восприимчивость к магниту (суперпарамагнетизм). Следует помнить, что ФМЖ теряют магнитные свойства при Т > ТКюри (ТКюри зависит от состава МЖ). 2. Увеличение магнитной восприимчивости при снижении температуры (закон Кюри-Вейса): холодная МЖ сильнее притягивается к магниту.

3. Устойчивость. Это свойство выражает способность твердых магнитных наночастиц в составе МЖ: не слипаться (не агрегировать) и не выделяться в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле; удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения; сохранять в течение определенного времени магнитную восприимчивость к магниту. Длительность устойчивого состояния может колебаться от нескольких секунд до нескольких лет и существенно зависит от размера и химического состава наночастиц дисперсной фазы, от физических характеристик коллоида (носителя и ПАВ) и от внешних условий (температуры Т, напряженности магнитного поля Н др.). 4. Магнитобарьерность (уплотнительное, герметизирующее свойство). МЖ предотвращают попадание посторонних частиц в рабочий объем аппаратов, выдерживают давление 2–3 МПа для рабочих узлов с вращательным движением.

Магнитные жидкости (МЖ) 5. Высокая плотность в магнитном поле. Так, плотность 1 см МЖ на основе магнетита (С = 0,2 моль/л) при создании магнитного поля с напряженностью Н = 2,15 кА/см повышается в 50 раз. В результате немагнитные тела (нефть, цветные металлы) легко всплывают в магнетизированной МЖ и могут быть сепарированы (разделены). 6. Магнитоакустичность – способность МЖ генерировать ультразвуковые колебания. Это свойство проявляется для МЖ в замороженном или полимеризованном состоянии при одновременном воздействии постоянного (подмагничивающего) и переменного магнитных полей. 7. Магнитодемферность. Это свойство выражает способность МЖ аммортизировать и подавлять нежелательные ВЧ-резонансные звуковые колебания.

Магнитные жидкости (МЖ) 8. Антифреттинг – способность МЖ снижать сопротивление трения при нанесении ее на поверхность сильного (неодимого) магнита. Это позволяет магниту скользить по гладкой поверхности с минимальным сопротивлением (что используют в машиностроении). 9. Радиопоглощение – способность МЖ снижать отражение электромагнитных волн. Покрытия на основе МЖ, нанесенные на поверхность летательных аппаратов, могут поглощать электромагнитные волны, уменьшая тем самым эффективную поверхность рассеивания. 10. Магнитооптичность – сильная способность преломлять свет (магнитооптический эффект МЖ на шесть порядков выше по сравнению с другими жидкостями).

Магнитные жидкости (МЖ) Ввиду уникальности свойств магнитные жидкости находят широкое применение в различных областях науки и техники. Наиболее широко МЖ используют: 1) в вакуумных установках и в автоклавах – в качестве статических или динамических магнитожидкостных уплотнений (для герметизации камер и сосудов , находящийся под давлением или вакуумом, или испытывающих воздействие жидких и газовых агрессивных сред или пыли); 2) в магнитных сепараторах (для разделения материалов с различной плотностью, для очистки сточных вод, очистки водных поверхностей от нефтепродуктов при аварийных разливах); 3) в магнитожидкостных (машиностроительных) устройствах с узлами трения (качестве магнитоуправляемых смазок); 4) в акустических динамиках радиотехнических и электронных устройств (для генерирования в замороженном состоянии ультразвуковых колебаний в магнитных полях); 5) в магнитожидкостных амортизаторах и демпферах (для подавления нежелательных ВЧ-резонансных звуковых колебаний);

Магнитные жидкости (МЖ) 6) в сварных (и других высоконагруженных действующих) конструкциях из ферромагнитных материалов – для их коррозионного мониторинга (на предмет появления, наличия или роста трещин) методом магнитной неразрушающей дефектоскопии . В основе данного высокочувствительного метода лежит искажение магнитного поля в контролируемом изделии при наличии трещин. С целью выявления искажений магнитного поля, контролируемую поверхность изделия намагничивают (например, с помощью постоянного магнита или соленоида), наносят на поверхность ФМЖ (стабилизированную водную или водно-масляную суспензию наночастиц Fe3O4), затем осматривают изделие, отыскивают неравномерность магнитного поля.

Магнитные жидкости (МЖ)

Магнитные жидкости (МЖ) Успешное применение магнитных жидкостей тесно связано с их агрегативной и седиментационной устойчивостью. 1. Агрегативная устойчивость – устойчивость магнитных наночастиц МЖ к коагуляции и агрегации. Условием агрегативной устойчивости является преобладание электростатических и стерических сил отталкивания между частицами (по сравнению с Ван-дер-Ваальсовыми и магнитными силами притяжения), что достигается правильным выбором ПАВ в составе МЖ. Так, использование в качестве ПАВ олеиновой кислоты (с длиной молекул δ = 2 нм) обеспечивает длительную стабилизацию частиц магнетита размером ~ 20 нм, тогда как для стабилизации более крупных частиц магнетита требуется применение ПАВ с большей (по сравнению с олеиновой кислотой) длиной молекул. 2. Седиментационная устойчивость – устойчивость МЖ к расслоению при воздействии гравитационного, магнитного и электрического полей, а также центробежных сил. Условием седиментационной устойчивости является малость скорости оседания наночастиц дисперсной фазы (по сравнению со скоростью броуновского движения), что достигается правильным выбором дисперсионной среды в составе МЖ. Так, использование в качестве дисперсионной среды минерального масла обеспечивает длительную стабилизацию более крупных наночастиц магнетита (в ~ 3 раза большего размера), чем при использовании воды (для магнитных жидкостей на воде максимальный размер частиц феррофазы составляет 7 нм).

Магнитные жидкости (МЖ) Получение МЖ связано с решением двух основных задач: - синтез ультрадисперсных магнитных наночастиц; - стабилизация их в жидкости-носителе. Наиболее успешно обе задачи решают в ходе in situ процесса, в котором получение высоко дисперсного магнитного материала проводят непосредственно в жидкости-носителе с одновременной стабилизацией его ПАВ (в ходе образования наночастиц). В качестве магнитного материала часто используют наночастицы магнетита. Основное достоинство дисперсии наночастиц магнетита по сравнению с дисперсиями других ферромагнитных материалов – это технологическая простота и отработанность методик их получения. Наилучшими стабилизаторами оказываются такие вещества, которые хорошо адсорбируются на поверхности наночастиц магнитной фазы, а свободной частью своей молекулы хорошо растворяются в жидкости-носителе. Этим условиям обычно хорошо отвечают вещества с длинной углеводородной цепочкой (С10– С20), содержащие функциональные группы (ОН, NH2 ,СООН, и т.д.). Эффект стабилизации объясняют понижением поверхностной энергии диспергированных наночастиц.

Магнитные жидкости (МЖ) Впервые магнитная жидкость была получена Папелом методом мокрого помола в шаровой мельнице грубодисперсного порошка магнетита в течение 3 месяцев в среде керосина с добавкой олеиновой кислоты в качестве стабилизатора. Диспергационный метод помола (при объеме исходного порошка 20 % и объеме загруженных шаров 35 % от объема мельницы) позволил получить магнитные частицы размером 100 нм (при сухом помоле – 600 нм), однако не обеспечил высоких магнитных свойств полученной МЖ (из-за загрязнения ее продуктами длительного истирания шаров при работе мельницы).

Магнитные жидкости (МЖ)

Магнитные жидкости (МЖ) Модифицирование МЖ – это изменение состава жидкости-носителя в МЖ (без изменения состава магнитной нанофазы) для улучшения спектра свойств или необходимости расширения области применения МЖ. Имеются два метода модифицирования МЖ. Первый метод замены одной жидкости-носителя другой (метод Розенцвайга) основан на подборе и введении в МЖ полярной флокулирующей добавки (вызывающей хлопьевидную коагуляцию и осаждение магнитной нанофазы), отделении стабилизированного осадка от МЖ, с последующим диспергированием осажденных магнитных наночастиц в другой жидкости-носителе (с возможной сменой стабилизатора). В качестве флокулирующей добавки к МЖ используют ацетон, этилацетат, а также полимеры (поливиниловый спирт, крахмал, полистирол, полиакриламид, полимеры диметилсилоксана и др.). Важным требованием к полимерным флокулянтам является их хорошая смешиваемость с жидкостью-носителем.

Магнитные жидкости (МЖ) Второй метод модифицирования основан на конверсии (превращении) гидрофильной МЖ в гидрофобную МЖ. Для этого к гидрофильным наночастицам магнетита (или феррита, в составе МЖ на водной основе) сначала добавляют олеиновую кислоту, затем добавляют избыток неполярного органического растворителя (например, гексан), интенсивно перемешивают композицию (в результате чего магнитная нанофаза переводится в органический носитель); после отстаивания гидрофобную МЖ (образовавшуюся в органической фазе) отделяют от воды. Гидрофобные МЖ используют для создания магнитных композиционных материалов на основе гидрофобных биополимеров (таких как, поли(α-оксипропионовая) кислота или ее сополимеры с гликолиевой кислотой), находящих применение в качестве имплантантов.