Тепловое движение в кристаллах. Теплоемкость кристаллов 2 страница

2. Приготовление раствора соли FeSO₄7H₂O. Необходимо 38 г соли FeSO₄7H₂O растворить в 75 мл воды до полного ее растворения при перемешивании. При растворении раствор не нагревать, так как двухвалентное железо переходит в трехвалентное состояние.

3. Смешивание солей FeCl₃ 6H₂O и FeSO₄7H₂O, приготовленных по п.1. и п.2.

4. Получение магнетита. В колбе на 1 л к смеси растворов, приготовленных по п.3 при постоянном перемешивании приливаем 180 мл 25% водного раствора NH₄OH. Получение магнетита происходит по реакции:

2FеСl₃×6Н₂О + Fe₂SO₄×7Н₂О +8NН₄ОН = Fe₃O₄¯ + 6NН₄Сl + (NН₄)₂SO₄+4Н₂О

Магнетит получаем методом химической конденсации, а именно соосаждением солей 2^х и 3^х валентного железа (FеСl₃×6Н₂О, Fe₂SO₄×7Н₂О) избытком 25% водного раствора гидроксида аммония (NН₄ОН). Одним из условий получения магнетита коллоидной степени дисперсности необходимо интенсивное перемешивание растворов в момент получения магнетита с целью ограничения роста частиц.

5. Магнитная сепарация. Колбу с полученной водной суспензией магнетита и продуктов реакции переносим на магнит и с помощью магнитной сепарации отделяем магнетит от маточного раствора (продуктов реакции). При этом водная суспензия магнетита будет находиться внизу. Деконтацией сливаем маточный раствор в канализацию.

6. Промывка водой. К полученной водной суспензии магнетита приливаем около 1 л воды и при перемешивании осуществляем промывку суспензии 1 раз. При этом pH раствора должен быть больше 7 (щелочная среда).

7. Магнитная сеперация. Содержимое колбы ставим на магнит и деконтацией тщательно сливаем промывные воды с целью концентрирования водной суспензии магнетита.

8. Приготовление смеси олеиновой кислоты в трансформаторном масле. В стакане объемом 0,1 л готовим смесь олеиновой кислоты в трансформаторном масле в соотношении 1:1. Для этого 10 мл трансформаторного масла смешиваем с 10 мл олеиновой кислоты при нагревании до 50-60 ºС.

9. Пептизация магнетита. Водную суспензию магнетита, полученную по п.7, переносим и переливаем в стакан объемом 0,3 л и при 75-80 ºС приливаем к ней при перемешивании смесь олеиновой кислоты в трансформаторном масле с целью пептизации (стабилизации) магнетита для получения концентрата магнитной жидкости в водной среде. Процесс длится 3-5 минут при постоянном перемешивании вручную на электрической плитке.

10. Обезвоживание пасты этиловым спиртом и отбивка воды при 75-80ºС. Содержимое колбы переливаем в стакан объемом 0,3 л, сепарируем на магните, сливаем остатки воды. Затем производим обезвоживание пасты этиловым спиртом до тех пор пока после промывки концентрата МЖ (пасты) этиловый спирт не станет прозрачным (150 мл на 25 г магнетита). Процесс производим при интенсивном перемешивании палочкой вручную, подогревая смесь пасты и этилового спирта до 60-70ºС. При этом происходит окончательное обезвоживание пасты.

11. Диспергирование. Для диспергирования концентрата МЖ необходимо к нему небольшими порциями прибавлять 20 мл трансформаторного масла. С помощью палочки с фторопластовым наконечником вручную производим предварительное перемешивание. Затем стакан с технической МЖ ставим на плитку и в течение 1-2 часов производим диспергирование ее при 80-85ºС. МЖ должна быть однородной, черной и блестящей. Затем нагрев отключаем и при перемешивании на электрической мешалке МЖ охлаждаем до комнатной температуры.

12. Центрифугирование МЖ. Техническую МЖ разливаем в пластмассовые стаканы и центрифугируем с фактором разделения 6000 g в течение 1 часа.

13. Измерение параметров МЖ (намагниченность насыщения, плотность, вязкость и т. д.)

13.4 Выбор дисперсионной среды

Выбор дисперсионной среды, на основе которой готовят магнит­ную жидкость, диктуется ее назначением и местом 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 феррофазы, стабилизатора и основы, переводом дисперсной феррофазы из одного типа среды в другой [11].

Легкие углеводороды

Первая магнитная жидкость была по­лучена в шаровой мельнице размолом магнетита в присутствии керосина и олеиновой кислоты С₁₇Н₃₃СООН. С тех пор магнит­ная жидкость на основе керосина стала классическим объектом исследования и получения.

В настоящее время МЖ на основе керосина получают, в основном, методом химической конденсации. Избавленная от воды паста является концентратом магнитной жидкости и име­ет намагниченность насыщения около 200 кА/м. Разбавление ее дисперсионной средой позволяет получить собственно магнитную жидкость.

Следует отметить сложности, возникающие при получении пасты и ее разбавлении. Во-первых, необходимо тща­тельное обезвоживание пасты, чтобы предотвратить образова­ние эмульсии, которая отрицательно влияет на устойчивость магнитной жидкости. С целью обезвоживания пасту подогрева­ют при постоянном перемешивании, обрабатывают на фильтр­прессах, в центрифугах. Удаление воды из пасты — операция, которая при качественном выполнении практически обеспечива­ет получение устойчивой магнитной жидкости.

Второй операцией, важной при получении магнитной жидко­сти, является разбавление пасты жидкостью-носителем. По­скольку стабилизатор растворим в дисперсионной среде, то при разбавлении возможна частичная десорбция молекул стабили­затора с поверхности частиц и, следовательно, агломерация последних, ведущая к укрупнению частиц, и в конечном счете — к расслоению магнитной жидкости. Чтобы избежать этого, раз­бавление проводят в растворе стабилизатора в жидкости-носи­теле, за счет чего обеспечивается компенсация десорбции стабилизатора с поверх­ности частиц и их полное покрытие слоем молекул ПАВ. Раз­бавление пасты проводят при подогреве до 60-70 °С и постоян­ном перемешивании в течение нескольких часов. Это дает воз­можность разъединить с помощью подвижных концов длинноцепочечных молекул стабилизатора частицы магнетита, объединившиеся в осадке под действием магнитных сил в кла­стеры. В результате удается получить устойчивую коллоидную систему, состоящую из отдельных частиц магнетита, покрытых слоем олеиновой кислоты, и жидкости-носителя.

В лабораторных условиях для повышения гарантии стабиль­ности системы из нее центрифугированием удаляют наиболее крупные частицы.

Полученные описанным способом магнитные жидкости с маг­нетитом в качестве дисперсной фазы обладают намагничен­ностью до 100 кА/м и высокой устой­чивостью в гравитационном и магнитном полях.

Нефтяные масла

Для ряда технических задач необходимы магнитные жидкости на основе масел — трансформаторного, конденсаторного, индустриального, турбинного, вакуумного и др. Получение жидкости с магнетитовыми частицами в этом случае почти не отличается от получения жидкостей на основе легких углеводородов: магнетит получают методом осаждения, а затем проводят его пептизацию раствором олеиновой кислоты в масле. Однако в связи с высокой вязкостью масел удаление воды из масел затруднено, а оставшаяся вода может препятст­вовать образованию устойчивого коллоида при разбавлении пасты. Поэтому для обезвоживания пасту обрабатывают поляр­ными растворителями, например, ацетоном или этиловым спир­том. Эта процедура дает возможность получать магнетитовые жидкости на основе таких вязких масел как турбинное или ва­куумное.

С ростом вязкости основы достигаемая намагниченность на­сыщения падает и для магнитных жидкостей на основе вязких масел составляет 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 коллоида. Поэтому в настоящее время ве­дутся поиски стабилизаторов с низкой термоокислительной способностью, а также разрабатываются магнитные жидкости с антиокислительными присадками.

Процесс получения пасты на высоковязких основах трудое­мок и требует тщательного контроля за отделением воды. При неполном отделении воды в процессе разбавления вместо устой­чивого коллоидного раствора может образоваться гель. Поэто­му для получения магнитных жидкостей на высоковязких осно­вах, а также на основах, в которых стабилизатор плохо раство­рим, может оказаться полезным метод замены основы. Суть метода состоит в том, что в магнитную жидкость, полу­ченную на маловязкой, хорошо растворяющей стабилизатор основе, вводят полярный агент, вызывающий флокуляцию частиц с адсорбированным на них стабилизатором. Затем частицы выделяют из жидкости-носите­ля и проводят повторную пептизацию в другой основе.

Описанный способ дает возможность получать магнитные жидкости на основах, на которых другим способом их получе­ние затруднительно либо из-за высокой вязкости, либо из-за летучести или нестабильности. Однако замена возможна только при использовании основ одного класса, например, углеводоро­дов.

Кремнийорганические (силиконовые) жидкости

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 присоединенными углеводородными радикалами по свободным связям кремния.

Магнитные жидкости на основе кремнийорганики получают различными методами, например, путем разложения пентакарбонила железа. Эти жидкости имеют намагниченность насыщения около 100 кА/м, а размеры частиц карбонильного железа достигают 20 нм. Последнее обстоятель­ство приводит к неустойчивости жидкости при длительном хра­нении — частицы железа таких размеров имеют высокую намаг­ниченность и не могут быть эффективно стабилизированы. Однако в уплотнениях, где жидкость постоянно перемешивается из-за биений и вибраций, такие жидкости могут с успехом ис­пользоваться.

Так как кремнийорганические жидкости взаиморастворимы с углеводородами, то для их получения с успехом используется метод замены основы.

Фторорганические соединения

Фторорганические соединения, в частности перфорированные жидкости, облада­ют рядом уникальных свойств, открывающих возможность их широкого применения в уплотнениях. Они не смешиваются ни с водой и водорастворимыми жидкостями, ни с маслами, что и позволяет использовать магнитные жидкости на их основе для уплотнения разделителей жидких сред. Кроме того, фторорганические соединения практически химически инертны, то есть их можно использовать для уплотнения химически агрессив­ных сред.

Стабилизатор для получения фторорганических магнитных жидкостей должен также иметь фторорганическую природу, так как маслорастворимые стабилизаторы типа олеиновой кислоты нерастворимы в перфорированных жидкостях.

Водная основа

Вода является уникальной жидкостью, обла­дающей рядом аномальных свойств, поэтому и магнитная жид­кость на ее основе — интересный объект, полезный в таких об­ластях, как медицина, теплотехника и др.

Особенностью получения магнитных жидкостей на основе воды является использование водорастворимых ПАВ. Другая, более существенная особенность состоит в том, что в воде, кото­рая является полярным растворителем, может происходить гидратация магнитных частиц, так что необходимо принимать специальные меры для защиты твердых частиц от окисления.

Наиболее прост способ получения магнитной жидкости на водной основе с использованием в качестве феррофазы магне­тита. Коллоидные частицы магнетита получают, например, осаждением солей железа. Для стабилизации коллоида окислов металлов в водной среде можно использовать мыла жирных кислот, сульфонаты, высокоатомные спирты и эфиры. Хотя магнитные жидкости были получены с использо­ванием почти всех этих стабилизаторов, однако в большинстве случаев их магнитные характеристики оставались чрезвычайно низкими. Высокомагнитные устойчивые коллоиды удается полу­чить, используя в качестве стабилизаторов лаурилсульфат натрия и олеат натрия.

При получении магнитных жидкостей на водной основе очень важно выдержать оптимальное соотношение магнетита и стабили­затора, так как отклонения от него приводят к резкому ухудше­нию либо магнитных свойств жидкости, либо ее устойчивости. Тем не менее, несмотря на указанные сложности, в ряде научных центров были получены образцы с хорошей ус­тойчивостью, которые не изменяли свои магнитные свойства после центрифугиро­вания и длительного хранения.

В магнитных жидкостях на воде частицы имеют двойной слой стабилизатора, поэтому намагниченность насыщения таких жидкостей ниже, чем у образцов на основе других носителей. Тем не менее, несмотря на невысокие магнитные свойства, такие жидкости широко используются в тех сферах, где требуется исключить какое-либо агрессивное воздействие на объект применения, например, живой организм.

13.5 Получение магнитных жидкостей с микрокапельными агрегатами

Магнитные жидкости с микрокапельными агрегатами относятся к высоко магниточувствительным жидкостям. Их получают, разбавляя концентрированную МЖ – магнетит в керосине растворами олеиновой кислоты в керосине разной концентрации [57].

Коллоидный раствор содержит микрокапельные агрегаты, если исходная жидкость имеет в своем составе магнетит с объемным содержанием твердых частиц 7 – 12% и разбавляется 4 - 7 % раствором олеиновой кислоты в керосине до следующего соотношения компонентов, масс. %: магнетит – 2-3; ПАВ – 1-2; керосин – 5-6; остальное – 4-7% -ый раствор олеиновой кислоты в керосине. Таким образом получается микроэмульсия, содержащая две жидкие фазы – концентрированную (микрокапельные агрегаты) и малоконцентрированную (исходную жидкость, разбавленную раствором олеиновой кислоты в керосине до концентрации твердой фазы не более 1,3%).

При использовании в качестве исходной жидкости более концентрированных МЖ с содержанием твердой фазы от 15 до 20% для получения микроэмульсий с оптимальными в отношении визуализации дефектов параметрами в качестве разбавителя применяется либо чистый керосин, либо раствор олеиновой кислоты в керосине с концентрацией не более 3%.

14 Основные и перспективные применения нано- и микродисперсных сред

14.1 Применение ферросуспензий

Основное практическое использование ферросуспензий (ФС) основано на так называемом магнитореологическом эффекте - очень сильной зависимости вязкости от напряженности магнитного поля. На этой основе создаются магнитореологические демпферы и виброгасители, магнитоуправляемая смазка в узлах трения и опорах, уплотнение резьбовых соединений.

Возможность обработки деталей из стекла с помощью магнитореологических суспензий (МРС) с абразивными частицами предсказана в середине прошлого века. Реальная реализация процесса доводки с использованием магнитореологических суспензий в режиме притира была проведена в 1980 году. В 2000 году компанией QED-Technologies была представлена технология доводки оптических деталей различной формы и разработаны составы магнитореологических жидкостей на основе карбонильного железа. К недостаткам магнитореологической жидкости QED-Technologies можно отнести довольно малую скорость съема материала, малый срок службы жидкости и высокую стоимость.

Кроме того, ФС и пастообразные составы нашли применение для визуализации доменных границ и в магнитной дефектоскопии, при изготовлении магнитофонных лент, в технологии сепарации железных руд и в некоторых других областях.

Комплексное решение всех вопросов позволило выявить механохимические аспекты полирования различных оптических материалов и доработать составы магнитореологических жидкостей, которые позволяют формировать поверхность с величиной неровности в 2-4 атомных слоя. Эти показатели вполне соответствуют требованиям оптической промышленности ближайшего будущего.

Использование ферросуспензий для гашения вибраций различных приборов и устройств - также отработанный временем способ. Сущность изобретения: магнитореологический виброгаситель содержит корпус, заполненный демпфирующей средой с размещенной в нем электромагнитной системой и подвижной массой, закрепленной на гибкой связи с корпусом. Использование в качестве демпфирующей среды магнитореологической суспензии позволяет регулировать частотные характеристики самого магнитореологического виброгасителя, изменяя напряжение на катушках электромагнитной системы.

На основе ФС создают датчики угла наклона, ускорения, смещения, малых перепадов давлений, в расходомерах и т.п.; аудио громкоговорители; производится биомагнитная сепарация, биорезонансная диагностика в медицине.

На обтекателях космических головных частей используются воздушные пылезащитные клапаны с постоянными магнитами. Клапан состоит из резинового рукава с прижимами из постоянных магнитов, расположенных в двух рядах в шахматном порядке, и защищает пространство под обтекателем от проникновения пыли как на стартовой площадке, так и в полете, реагируя на избыточное давление и боковой ветер. На обтекателе установлены четыре клапана, содержащие ФС.

Диспергированные частицы магнитореологической жидкости формируют стабильные цепе-подобные кластеры под действием магнитного поля и обуславливают эффект управляемой текучести и формы.

Хотя самосборка в двух измерениях (2D) хорошо исследована (особенно с использованием твердых поверхностей в качестве подложек), самосборка в трех измерениях (3D) является гораздо более сложной. Описывается процесс 3D самосборки диамагнитных пластиковых объектов (имеются работы в масштабе от мм до см, но в принципе в масштабе от ~10 мм до 1 м), удерживаемых в парамагнитной жидкости неоднородным магнитным полем [52]. Магнитное поле и его градиент левитируют объекты, организуют их самосборку на подложке и влияют на форму собираемого кластера. Структура собираемых 3D объектов может быть далее усложнена путем использования жестких механических подложек: либо стен контейнера, либо cо-левитирующих компонентов, которые пространственно совмещаются с мягкой подложкой градиентом магнитного поля. Механическое воздействие делает кластеры стойкими, а добавление адгезионного вещества (клея) с последующим ультрафиолетовым освещением может объединить компоненты.

Обобщены результаты лабораторных исследований реологических свойств магнитореологических жидкостей, предназначенных для использования в амортизаторах и виброгасителях. В основе описания реологических свойств жидкостей лежит модель вязко-пластичных веществ Herschel-Bulkley. Целью эксперимента было определение напряжения сдвига, предела текучести, коэффициента текучести и степенного показателя в зависимости от плотности магнитного потока, с последующим сравнительным изучением реологических параметров исследуемых жидкостей.

Фирма Ferrari использует магнитореологические жидкости в некоторых моделях машин для улучшения возможностей подвески. Под воздействием электромагнита, контролируемого компьютером, подвеска может мгновенно стать более жесткой или более мягкой.

14.2 Применение нанодисперсных магнитных жидкостей в науке и технике

Перечислим основные, ставшие традиционными, применения магнитных жидкостей.

Магнитожидкостные герметизаторы (МЖГ) и уплотнения (МЖУ)

Принцип действия МЖУ и МЖГ состоит в том, что в зазоре между корпусом и вращающимся или совершающем возвратно- поступательные движения валом создается неоднородное магнитное поле, которое удерживает в зазоре МЖ. То есть МЖ перекрывает зазор, обеспечивая требуемую герметичность при практически свободном движении вала.

Дата добавления: 2015-06-25