CC BY
23
УДК 66.091.1
Купцова М.Ю., Полякова А.С., Зайцева М.П., Шарапаев А.И., Мурадова А.Г., Юртов Е.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ К АГРЕГАЦИИ И СЕДИМЕНТАЦИИ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ НА ОСНОВЕ ТЕХНИЧЕСКИХ МАСЕЛ
Купцова Марина Юрьевна, студент 4 курса, лаборант кафедры наноматериалов и нанотехнологии, email: kupczovam@list.ru;
Полякова Анастасия Сергеевна, магистрант 2 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Зайцева Мария Павловна, аспирант, ведущий инженер кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Шарапаев Александр Игоревич, аспирант, ассистент кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Мурадова Айтан Галандар кызы, к.х.н., доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Юртов Евгений Васильевич, д.х.н., профессор, член-корр. РАН, и.о. ректора РХТУ им. Д.И. Менделеева, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В данной работе исследованы параметры, влияющие на устойчивость к агрегации и седиментации магнитных жидкостей на основе трансформаторного масла, индустриального масла и вакуумного масла. Были подобраны минимальные концентрации поверхностно-активного вещества олеиновой кислоты для каждого масла, при которых коллоидная суспензия в течение длительного времени оставалась стабильной. Дисперсная фаза магнитной жидкости была представлена в виде соединения оксида железа (y-Fe2O3). Магнитные наночастицы были получены модифицированным методом соосаждения. По результатам просвечивающей электронной микроскопии средний размер дисперсной фазы составил 10 нм.
Ключевые слова: оксид железа, магнитные жидкости, олеиновая кислота, устойчивость, агрегация, седиментация, неполярная среда
INVESTIGATION OF STABILITY TO AGGREAGATION AND SEDIMENTATION OF MAGNETIC FLUIDS BASED TECHNICAL OILS
Kuptsova M.Yu., Polyakova A.S., Zaytseva M.P., Sharapaev A.I., Muradova A.G., Yurtov E.V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this paper, parameters affected the resistance to aggregation and sedimentation of magnetic fluids based on transformer oil, industrial oil, and vacuum oil were investigated. The minimum concentration of the surfactant oleic acid for each oil, in which the colloidal suspension remains stable for one month, was selected. The dispersion phase of the magnetic fluid was in the form of compounds of iron oxide y-Fe2O3. Magnetic nanoparticles were obtained by a modified coprecipitation method. According to the results of transmission electron microscopy, the average size of the dispersed phase was 10 nm.
Keywords: iron oxide, magnetic fluids, oleic acid, stability, aggregation, sedimentation, nonpolar medium
Магнитная жидкость (МЖ) - это коллоидная суспензия магнитных частиц, стабилизированных ионогенными или неионогенными поверхностно-активными веществами, и диспергированных в полярной или неполярной дисперсионной среде. Размер частиц дисперсной фазы МЖ может быть от нескольких нанометров до микрона, что оказывает значительное влияние на реологические свойства МЖ при воздействии на неё магнитного поля. МЖ, обладая магнитными свойствами и свойствами жидкости, привлекают значительное внимание исследователей, поскольку их свойства можно контролировать при приложении внешнего магнитного поля. МЖ используют в качестве контрастных агентов и адресной доставки лекарств в медицине. Также МЖ находят применение в электронике, оборонной промышленности. В машиностроении МЖ используют в качестве уплотнителей и смазочных материалов, поскольку
они имеют улучшенные трибологические характеристики.
В качестве дисперсионных сред для МЖ используют различные технические масла. Особый интерес представляют трансформаторное масло (ТМ), индустриальное масло (ИМ) и вакуумное масло (ВМ-3). Анализ литературных данных показал, что МЖ, полученные на основе этих масел обладают низкой агрегативной устойчивостью, и точная концентрация дисперсной фазы в них не определена. В связи с этим целью данной работы было получение устойчивых к агрегации и седиментации МЖ на основе ТМ, ИМ и ВМ-3.
В настоящей работе магнитные наночастицы оксида железа у-Ре203 со средним размером 10 нм были получены модифицированным методом соосаждения, заключающимся в совместном
" Т7 2+ Т7 3+
осаждении солей ге и ге раствором щёлочи под воздействием ультразвука при комнатной температуре [1]. Наночастицы, полученные в ходе
экспериментов, исследовались на просвечивающем электронном микроскопе JEOLJEM-1011. ПЭМ-изображение и гистограмма распределения частиц по размерам представлены на рисунке 1.
Объёмная доля, %
е 7 е 9 10 11 12 13 1Л 15 6, им
Рис. 1 Наночастицы у^е2Оэ: ПЭМ микрофотография (а), гистограмма распределения наночастиц по размерам (б)
Процесс модификации поверхности наночастиц проводился путём добавления олеиновой кислоты в водную суспензию магнитных наночастиц и доведения рН системы азотной кислотой до значения менее 6,5 при непрерывном перемешивании со скоростью 400 об/мин. Данное значение рН было выбрано исходя из значения изоэлектрической точки (рН1ер ~ 6,5) [2]. Полученный осадок многократно промывали дистиллированной водой и затем вводили в выбранную дисперсионную среду (ТМ, ИМ или ВМ-3) в количестве 2 масс. %.
Процесс пептизации наночастиц в дисперсионных средах проходил при температуре 65 °С и перемешивании под верхнеприводной мешалкой со скоростью вращения 700 об/мин в течение 3,5 ч. Сразу после получения МЖ была подвергнута центрифугированию со скоростью вращения 4500 об/мин в течение 5 мин с целью удаления крупных агломератов.
Стабильность МЖ в исследуемых маслах достигается за счёт стерического отталкивания длинных молекулярных цепочек олеиновой кислоты, адсорбированных на поверхности у^е203 [3]. Устойчивость МЖ к седиментации исследовалась по наличию осадка, выпавшего в течение времени. В таблице 1 приведены данные о минимальных концентрациях олеиновой кислоты, при которых МЖ обладала устойчивостью к седиментации в течение 1 месяца.
Номер образца Дисперсионная среда П*103, Па*с Минимальная конц. ПАВ, ммоль/г у^е203 Наличие осадка
1 ТМ 12 1,647 -
2 ВМ - 3 23 1,711 -
3 ИМ 24 1,747 +
Таблица 1. Минимальная концентрация олеиновой кислоты, необходимая для получения устойчивой дисперсии магнитных наночастиц в неполярных дисперсионных средах
Методом динамического светорассеяния с помощью анализатора размера частиц Zetasizer Nano ZS (Malvern, Великобритания) была исследована агрегативная устойчивость магнитных жидкостей. Распределения наночастиц по размерам в ТМ, ИМ и ВМ-3 приведены на рисунке 2.
Объёмная доля, %
6
100 4 нм
S
-
1 10 IOC' d, нм
Рис. 2 Распределение наночастиц y-Fe2O3 в ТМ (а), ИМ (б), ВМ-З (в)
Как видно из рисунка 2 размер стабилизированных частиц дисперсной фазы практически не зависит от дисперсионной среды. Средний размер частиц дисперсной фазы составил 14 нм для МЖ на основе ВМ-3 и 16 нм для МЖ на основе ИМ и ТМ. Увеличение среднего размера по сравнению с данными ПЭМ можно объяснить наличием слоя олеиновой кислоты,
адсорбированной на поверхности частиц.
Список литературы
1. Lukashova N.V., Savchenko A.G., YagodkinYu.D., Muradova A.G., Yurtov E.V. Investigation of structure and magnetic properties of nanocrystalline iron oxide powders for use in magnetic fluids// Journal of Alloys and Compounds. - 2014. -V.586. - P. 298-300.
2. López-López M.T., Durán J.D.G., Delgado A.V., González-Caballero F. Stability and magnetic characterization of oleate-covered magnetite ferrofluids in different nonpolar carriers // Journal of Colloid and Interface Science. - 2005. - Vol. 291. - P. 144- 151
3. Розенцвейг Р. Е. Феррогидродинамика: Пер. с англ. / Под ред. Гогосова В.В. М.: Мир, 1989. - 59-60 c.
