Применение магнитных жидкостей

Применение в технике

Выбор дисперсионной среды, на основе которой готовят магнитную жидкость, определяется её назначением и методом использования. В зависимости от решаемой задачи могут понадобиться магнитные жидкости на водной или водорастворимой основе, на основе углеводородов, кремнийорганических или фторорганических соединений. Получение устойчивого коллоида в каждом случае имеет особенности, связанные с выбором стабилизатора, оптимизацией соотношения «феррофаза: стабилизатор: основа», переводом дисперсной феррофазы из одного типа среды в другой. Особенности технологических процессов производства таких магнитных систем рассмотрены в литературе.

МЖ на основе углеводородов. Для ряда технических задач необходимы магнитные жидкости на основе масел – трансформаторного, конденсаторного и так далее. Получение жидкости с магнетитовыми частицами в этом случае почти не отличается от получения жидкостей на основе лёгких углеводородов (толуола, декана, керосина), что было рассмотрено выше. Намагниченность насыщения таких жидкостей составляла 40 – 50 кА / м.

Использование магнитных жидкостей в системах смазки и в герметизаторах требует их работоспособности при повышенных температурах, но применяемая чаще всего в качестве стабилизатора олеиновая кислота при этом окисляется, что может привести к коагуляции коллоидной системы. Н. П. Матусевич и Л. В. Сулоевойnбыли разработаны магнитные жидкости с антиокислительными присадками, которые нашли широкое применение в промышленности. Процесс получения пасты на высоковязких основах трудоёмок и требует тщательного контроля за отделением воды. При неполном отделении воды в процессе разбавления вместо устойчивой коллоидной системы может образоваться гель. Поэтому для получения магнитных жидкостей в высоковязких средах, а также в средах, в которых стабилизатор плохо растворим, может оказаться полезным метод их замены, предложенный Р. Е. Розенцвейгом.

Магнитные жидкости на основе углеводородов нашли применение как герметизаторы для вращающихся валов, как демпфирующее устройство в радиотехнике, как хорошие смазочно-охлаждающие материалы и теплоносители, а также в аппаратах для очистки воды от нефтепродуктов.

МЖ на основе кремнийорганических (силиконовых) соединений. Для многих технических задач важно, чтобы рабочая жидкость имела низкое давление насыщенных паров, была работоспособна в широком температурном интервале, при контактах с агрессивными средами. Этим требованиям во многом соответствуют кремнийорганические жидкости, представляющие собой полимерные соединения, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния и кислорода с присоединёнными углеводородными радикалами по свободным связям кремния. Процесс производства МЖ на кремнийорганической основе осуществлялся в той же последовательности, что и на углеводородах, то есть вначале изготавливали концентрат, который затем пептизировали в определённом объёме дисперсионной среды. В качестве стабилизатора применялась смесь поверхностно-активных веществ, что позволило получить образцы магнитной жидкости на полифенилметилсилоксилане с намагниченностью 40 кА.

Магнитные жидкости на кремнийорганической основе используются в качестве герметизирующих материалов аппаратов, работающих в условиях агрессивных сред, в демпфирующих устройствах и датчиках угла наклона.

МЖ на основе фторорганических соединений. МЖ на перфторорганической основе обладают высокой химической инертностью. Для стабилизации магнитной фазы используются специальные стабилизаторы типа перфтордекалина, позволяющие обеспечить устойчивость магнитной фазы за счёт равномерного полного покрытия каждой их частицы мономолекулярным слоем.

МЖ на основе фторорганических соединений используются, подобно МЖ на основе углеводородов и кремнийорганических соединений, в промышленности, в качестве герметизирующих и смазочно-охлаждающих средств.

МЖ на водной основе. Стабилизация высокодисперсного магнетита, полученного реакцией Элмора, может проводиться мылами жирных кислот, и их сульфопроизводными, высокоатомными спиртами и эфирами, электролитами, обеспечивающими ионное взаимодействие между частицами, или полимерами, где главную функцию несёт стерическая составляющая межчастичного взаимодействия.

На основании обширного экспериментального материала можно утверждать, что устойчивые высокомагнитные коллоиды удаётся получить, используя в качестве стабилизаторов лаурилсульфат натрия или олеат натрия в сочетании с додециламином и ундециламинохлоридом. Намагниченность таких образцов составляла 10 – 15 кА/м при объёмной концентрации магнитной фазы 2 – 3 %. Применение метода замены несущей среды с введением дополнительных водорастворимых короткоцепочечных стабилизаторов позволило довести намагниченность образцов МЖ до 25 – 30 кА/м при объёмной концентрации магнитной фазы около 3 – 5 %.

Применение водных МЖ велико: это сепарация немагнитных материалов, использование красок на основе МЖ в печатающих устройствах, контроль качества поверхности магнитных дисков, обработка поверхности изделий шлифованием и полированием.

Дисперсии магнитных частиц с диаметром более 1000 нм (d >1 мкм) в различных жидкостях-носителях называют магнитно-реологическими суспензиями (МРС). Они представляют собой отдельную подгруппу, характеризуемую тем, что, в отличие от классических магнитных жидкостей, главными факторами стабилизации здесь выступают структурно-механический и гидродинамический, а не адсорбционно-сольватный и электростатический. Устойчивость подобного рода систем объясняется высокой концентрацией (до 20 объёмных %) магнитной фазы и высокой вязкостью всей дисперсной системы. Частицы как бы «сжаты» между собой в объёме и дисперсионная среда (жидкость-носитель) существует между ними в виде тонких прослоек или даже плёнок, выполняя при этом роль «смазки» для скольжения магнитных частиц. Подобные системы могут быть получены теми же способами, что и рассматривавшиеся выше магнитные жидкости, однако при добавлении избытка жидкости-носителя они расслаиваются. Во избежание этого явления МРС получают на основе высоковязких минеральных масел, глицерина или силиконовых масел, либо, применяя обычные жидкости-носители (керосин, трансформаторное масло или полиметилсилоксан), вводя в объём растворимые в них загустители (олеаты или стеараты магния, кальция, ПАВы на основе кремнийорганических соединений). Преимущество МРС перед магнитными жидкостями заключается в простоте их изготовления (нет необходимости добиваться высокой дисперсности магнитной фазы для её стабилизации поверхностно-активным веществом или полимером). В качестве магнитной фазы могут быть использованы металлические порошки с различной формой частиц (сферической, игольчатой или дендритной), а также ферриты различного состава. Использование смеси ферритов и магнитных металлов в виде порошков при получении МРС приводит к резкому увеличению намагниченности насыщения композиции (если для керосиновой магнитной жидкости максимальная намагниченность насыщения составляет 80 – 90 кА/м, и при этом она более напоминает пасту, нежели жидкость, то магнитно-реологическая суспензия той же консистенции имеет намагниченность насыщения 150 – 200 кА/м). При воздействии магнитного поля подобная система очень сильно изменяет свою реологию (отсюда и название) и буквально «застывает» как твёрдое тело, а при снятии магнитного поля – принимает прежнее состояние. Такое поведение магнитоуправляемой дисперсной системы позволило использовать её в демпферной и амортизационной технике в качестве рабочей среды, а также в процессах шлифования и полирования твёрдых материалов.

Магнитные жидкости и полученные на их основе композиционные материалы нашли широкое применение при контроле полей рассеяния магнитных головок и магнитных лент в приборостроении, при заполнении многоступенчатых магнитожидкостных уплотнений в машиностроении, в качестве рабочей среды в трансформаторах высокого напряжения с масляной системой охлаждения. При этом, ряд научных и прикладных проблем магнитных коллоидов связан с исследованиями равновесных форм ограниченных объёмов (макро- и микрокапель) таких сред при воздействии на них как стационарных, так и изменяющихся во времени и пространстве электрических и магнитных полей. Особый интерес представляют исследования вращающихся объёмов магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях. Некоторые эффекты, наблюдающиеся в магнитных коллоидах, непосредственно связаны с наличием в них микрокапельных образований, с более высокой концентрацией магнитной дисперсной фазы. Это привело к необходимости искусственного создания магнитных жидкостей с хорошо развитой микрокапельной структурой, а также магнитных эмульсий, в которых магнитная жидкость может играть роли как дисперсной фазы, так и дисперсионной среды. Специалистами Ставропольского государственного университета под руководством профессора В. В. Чеканова (Ю. И. Диканский, В. М. Кожевников и возглавляемые ими коллективы) были детально изучены подобные явления.

Практическая ценность таких работ заключается в том, что обнаруженные особенности изменения формы вращающейся капли магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях могут быть использованы для прогнозирования работоспособности устройств и установок, в которых используются ограниченные объёмы магнитной жидкости. Исследования электрических и магнитных свойств эмульсий, синтезированных на основе магнитных жидкостей, могут служить основой для совершенствования методов магнитной дефектоскопии, контроля работы различного рода устройств, в которых под влиянием внешних сил может происходить эмульгирование используемой магнитной жидкости, а также при создании элементов с управляемыми с помощью магнитного поля электрическими параметрами.

Большой интерес представляет создание магнитного аэрозоля электростатическим методом и управление движением аэрозольных частиц внешними электрическим и магнитным полями. Эта проблема нашла своё отражение в работах Ставропольской школы. Практическая значимость результатов заключалась в том, что было предложено устройство для бесконтактного определения электростатической безопасности объектов, обеспечивающее пожаро-взрывобезопасность, и исключающее поражение человека электрическим током.

Магнитные жидкости и их составляющие (дисперсная магнитная фаза) могут быть использованы как основной материал в процессах гетерогенного катализа. Катализаторами, как известно, принято называть вещества, которые изменяют скорость химических реакций, однако сами при этом не меняются. На самом деле в ходе многочисленных элементарных процессов, составляющих в сумме химическую реакцию, катализатор претерпевает сложнейшие изменения и превращается в одно или несколько других веществ, однако в результате заключительного процесса он принимает первоначальную форму.

Существует много веществ, способных инициировать химические реакции, но для получения заданного продукта были необходимы определённые условия, причём одно из них состояло в том, что реагирующие вещества должны были обязательно контактировать. Для ускорения химических реакций увеличивали поверхность контакта реагентов. Наиболее простой и быстрый способ – возможно более тонкое измельчение веществ, поскольку при одном и том же количестве вещества меньшему диаметру его частиц соответствовала большая площадь поверхности. Этот фактор надо было учитывать при использовании катализаторов. Магнитные частицы металлов и ферритов, полученные рассмотренными выше способами, имеют субмикронные размеры и, в силу своей малости, образуют колоссальную площадь контакта. Если эти частицы перевести в псевдоожижженное состояние, а ещё лучше – создать устойчивую во времени дисперсию, то подобный «жидкий» катализатор помог бы решить много технологических проблем. Очень часто в промышленности сталкиваются с проблемой потери катализатора из технологической цепи в результате различного рода механических потоков, давления газов или вымывания контактирующей жидкостью. В данном случае, когда в качестве катализатора выступают дисперсные магнитные частицы, их постоянное присутствие в реакционной массе можно контролировать воздействием магнитного поля, одновременно заставляя перемешиваться в этом поле всю контактную массу. Академик Ю. Д. Третьяков в своих работах неоднократно указывал на возможность использования дисперсных магнитных материалов в каталитических процессах на примере металлов, сплавов, ферритов и манганитов. Причём, если использовать магнитомягкий магнетит, то его каталитическая активность будет достаточно хорошей, а вот способность к окислению составляющего его двухвалентного железа приведёт к быстрой потере устойчивости в жёстких условиях катализа. Частичная или полная замена ионов двухвалентного железа ионами других металлов (например, марганца, никеля, кобальта, цинка, магния или кальция), приводящая к образованию ферритов по типу магнетита со структурой обращённой шпинели, придала бы большую каталитическую устойчивость такого рода материалам. Кроме того, из многих работ известно, что различного рода добавки подобных ионов отражаются и на свойствах самого феррита. Изменяя состав феррита, мы можем изменять температуру, при которой полученное вещество из магнитного состояния переходит в немагнитное состояние, то есть просто понизить температуру магнитофазового перехода (точку Кюри). Это перспективный путь к контролируемому в магнитном поле управлению каталитическими процессами в технических и медико-биологических исследованиях.