Ферросуспензии и их свойства

В ферросуспензиях (ФС) дисперсная фаза представляет собой ферромагнитные частицы. Отдельные способы получения и свойства ФС были известны еще в первой половине 20-го века. Жидкости со взвешенными в них частицами ферромагнетика, имеющими размеры от нескольких мкм до десятков мкм, обладают уникальными магнитными и реологическими свойствами. Интерес к получению сильноструктурирующихся под действием магнитного поля сред – ФС с течением времени только возрастает. Такие дисперсные системы называют ферросуспензиями.

Индуцированная внешним магнитным полем структура ФС ответственна за появление нелинейных реологических эффектов – вязкопластичности, упруговязкости. Сложная реологическая специфика подобных суспензий позволила в дальнейшем определить их как магнитореологические среды (МРС).

ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

Важнейшим вопросом физико-химии синтеза суспензий является обеспечение устойчивости дисперсной системы в различных технологических условиях. Поэтому особый интерес имеют представления о физико-химической природе методов стабилизации и контроле стабильности систем.

Все дисперсные системы (как микро-,так и нано-) делятся условно на две группы по величине коэффициента межфазного поверхностного натяжения σ, которое может быть больше или меньше некоторого «критического» значения σ_с:

,

где γ* - безразмерный множитель (γ* ~ 30), δ – средний размер частиц, Т – абсолютная температура, k₀ – постоянная Больцмана. При комнатной температуре σ_с ~ 10^-4Н/м (Ребиндер П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. М.: Наука, 1978).

К первой группе относятся лиофильные дисперсные системы, характеризуемые низкими значениями межфазной поверхностной энергии (σ ‹ σ_с). Такие системы образуются самопроизвольно за счет коллоидного растворения, при этом происходит возрастание энтропии вследствие более равномерного распределения частиц дисперсной фазы.

Ко второй группе относятся лиофобные дисперсные системы, характеризуемые высоким межфазным натяжением (σ > σ_с), а поэтому резко выраженной границей раздела фаз. Молекулярные силы на поверхности лиофобных частиц вызывают коагуляцию (слипание) – процесс ведущий к агрегативной неустойчивости таких термодинамически неравновесных систем. Агрегативная устойчивость лиофобных дисперсных систем достигается путем образования на частицах адсорбционно- сольватных слоев, которые препятствуют коагуляции частиц. Известно несколько видов защитных стабилизирующих слоев: диффузионные слои адсорбированных ионов, сольватные оболочки, молекулярные слои поверхностно-активных и высокомолекулярных веществ, структурированные пленки мылоподобных веществ, а также микроэмульсий и высокодисперсных частиц.

С физико-химической точки зрения магнитореологические суспензии (МРС) можно разделить на два вида. В первом случае устойчивость системы обеспечивается введением ПАВ и образованием пространственной структуры из достаточно высокодисперсных частиц ферромагнетика. Для систем второго типа – грубодисперсных суспензий – устойчивость придается введением добавок, образующих в объеме несущей среды устойчивую коллоидную структуру. Ее прочность должна быть достаточной для предотвращения седиментации и необратимой коагуляции частиц.

Приготовление МРС осуществляется различными способами. Один из них заключается в процессе механического диспергирования. В процессе механического диспергирования в диспергаторах агломераты порошка измельчаются за счет сдвигового деформирования. Увеличение напряжения сдвига интенсифицирует процесс диспергирования. Использование поверхностно-активных веществ (ПАВ) снижает энергетические затраты на создание новой поверхности, поскольку затраты энергии пропорциональны величине поверхностного натяжения несущей среды σ. При этом облегчается вытеснение пузырьков воздуха и интенсифицируется расклинивающее действие, т.е. проникновение смачивающей жидкости в микротрещины твердой фазы. Это приводит к адсорбционному понижению прочности, называемому эффектом Ребиндера. В диспергаторах агрегаты разрушаются касательными напряжениями (напряжения сдвига), возникающими при течении по каналам суспензии или при движении в ней различных тел (шары, бисер,лопасти мешалок и др.).

В процессе механического диспергирования агломераты порошка измельчаются за счет сдвигового деформирования при взаимодействии с жидкой средой. При этом полезно использование ПАВ, поскольку затраты энергии на создание единицы новой поверхности пропорциональны величине поверхностного натяжения несущей среды. Кроме того улучшается смачивание поверхности частиц порошка несущей средой, облегчается вытеснение воздуха и улучшается проникновение смачивающей жидкости в микротрещины твердой фазы. Это приводит к адсорбционному понижению пролчности, называемому эффектом Ребиндера.

Наиболее распространенным диспергатором является горизонтальная шаровая мельница в виде вращаюшегося металлического барабана, частично заполненного свободно движущимися шарами, дисперсионной средой и измельчаемым материалом. Недостатки: истирание шаров и внутренней поверхности барабанов, низкий КПД, шум.

Используются также вертикальные шаровые мельницы с мешалками. В металлическом корпусе, заполненном шарами, вращается вал с лопастями, расположенными по спирали под углом 60^о-90^одруг к другу. Возникает интенсивное движение шаров вокруг движущихся лопастей. Применяются скоростные смесители, в которых при больших скоростях вращения мешалки частицы порошка интенсивно трутся между собой и измельчаются в несущей среде.

Тонкое диспергирование дисперсной фазы производится в бисерных мельницах. Смесительная емкость заполняется на 50 – 60 % бисером из специальных сортов стекла с песком. Бисер – сферические частицы размером 0,6 – 2 мм. Смесь бисера с суспензией приводится в интенсивное движение высокоскоростной мешалкой в виде системы дисков. Преимущества: высокая производительность, небольшие габариты, небольшой шум. Однако эффективное использование бисерных мельниц требует предварительного диспергирования, например, в шаровой мельнице.

Используются также вибромельницы, позволяющие получать помол 0,1 – 30 мкм. Корпус вибрационной мельницы, заполненный на 70 – 90 % мелющими телами, опирается на упругую подвеску и приводится в круговые колебания в плоскости, перпендикулярной оси вращения приводного вала. Стенки корпуса сообщают частые импульсы мелющим телам, которые совершают сложные движения со значительными ускорениями, что обуславливает высокую интенсивность рабочего процесса. В некоторых случаях применяются струйные мельницы, в которых используется энергия сжатого газа или перегретого пара. Перечисленное оборудование наиболее эффективно, когда размер частиц дисперсной фазы доводят до величины меньше 1 мкм.

Для приготовления небольших партий МРС применяются также различные пестиковые ступки и ультразвуковые диспергаторы.

Качество приготовления МРС и ее соответствие техническим условиям определяют путем физико-химического анализа образцов, измерения их реологических и магнитных свойств.

Концентрированные суспензии могут быть предельно устойчивыми т.е. при практически полном отсутствии коагуляции за достаточно длительное время только при наличии препятствующих сближению частиц или разрыву прослоек жидкой среды механических (вязкостиых или упруго-прочностиых) барьеров. Понижение свободной межфазной энергии и наличие электрических зарядов совершенно недостаточны дня того, чтобы обеспечить необходимую полную агрегатнвчую устойчивость. Надежная стабилизация достигается применением веществ типа защитных коллоидов т.. е, высокомолекулярных веществ, образующих в диспергированной среде, в её объеме или вследствие поверхностной активности (адсорбируемости) на самой поверхности дисперсной фазы, достаточно прочные пространственные структуры, сетки, типа гелей или студней.

Термин «магнитореологическая жидкость» относится к жидкостям, которые затвердевают в присутствии магнитного поля. Частицы в магнитореологической жидкости в основном микрометрового размера; они слишком тяжелы, чтобы броуновское движение поддерживало их во взвешенном состоянии, и поэтому со временем оседают из-за естественной разности в плотности частиц и несущей жидкости.

Седиментационная устойчивость ферросуспензий находится в зависимости от концентрации дисперсной фазы, обеспечивается как непосредственным их структурированием в результате действия между частицами молекулярных сил, так и введением в систему дополнительных поверхностно активных веществ (ПАВ), которые образуют структурно – механические поверхности между частицами.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МРС и ЭРС

Распространение тепла через негомогенную систему определяется совокупным действием следующих физических механизмов: теплопроводностью через жидкую и твердую фазы; микроциркуляцией в жидких прослойках; лучистым и контактным теплообменом между частицами твердой фазы. При этом необходимо учитывать природу и характер взаимодействия компонент, их объемное содержание, форму и дисперсность частиц, а также термодинамическое состояние системы в целом.

Помимо МРС разрабатываются т.н. электрореологические суспензии (ЭРС), физические свойства которых находятся в зависимости от приложенного электрического поля. Под влиянием электрического поля в них формируются цепочки из частиц дисперсной фазы, ориентированные вдоль силовых линий, при совпадении которых с направлением теплового потока теплоперенос в системе значительно возрастает. Для данного процесса характерно насыщение, по-видимому, из-за «исчерпания» материала твердой фазы. С увеличением концентрации частиц насыщение наступает при меньших напряженностях поля.

МРС в основном являются диэлектриками (при обычных температурах σ ≈ 10^-11 Ом^-1м^-1). Такая низкая электропроводность обусловлена диэлектрическими свойствами жидкости-носителя и небольшой объемной концентрацией ферромагнитного наполнителя.

Наложение магнитного поля на МРС радикальным образом меняет теплопроводность материала. При этом определяющую роль играет ориентация образца МРС по отношению к силовым линиям магнитного поля. В случае сонаправленности теплового потока с магнитным полем теплопроводность существенно усиливается. Напротив, при перпендикулярном расположении магнитного поля к тепловому потоку теплопроводность снижается. Для обоих ориентаций магнитного поля с ростом напряженности проявляется процесс выхода на насыщение. МРС с большей концентрацией ферромагнетика дает наибольший прирост (или уменьшение) теплопроводности.

В теплообменных устройствах МРС совершают интенсивное сдвиговое течение. В таких устройствах упорядоченная структура, как правило, отсутствует. Влияние скорости сдвига на теплопроводность МРС практически отсутствует, если нет магнитного поля. Если же присутствует магнитное поле, то наблюдается противоположное по влиянию на теплопроводность воздействие факторов магнитного структурообразования и гидродинамической деструкции.

Дата добавления: 2015-06-25