Диссертация (1150237), страница 6
Текст из файла (страница 6)
1.4. Влияние магнитного поля на напряжение сдвига МРЖ на основеКЖ и КЖ/ПMMA частиц (а) и кривые течения МРЖ на основе КЖ(закрытые точки) и КЖ/PS (открытые точки) (б).[78]Динамический предел текучести МРЖ может быть получен путемэкстраполяции напряжения сдвига на скорость сдвига, равную нулю.
Кроме32того, для частиц КЖ/PS обнаружен более низкий динамический пределтекучести и более низкие напряжения сдвига, то есть магнитный отклик КЖчастиц может быть уменьшен путем введения полимеров в их поверхностныйслой.Рис. 1.5. Модули упругости (G') и потерь (G'') МРЖ на основе частицКЖ/ПMMA под прикладного магнитное поле напряженностью 171 кА/м.[78]Эффективность МРЖ зависит от массового соотношения введенногополимерного компонента.
Частицы КЖ/ПMMA с различной толщинойпокрытия (для КЖ-А, КЖ-B, и КЖ-C соотношения КЖ и ПММА 2:1, 1:1 и1:2 соответственно) были получены и использованы для приготовленияМРЖ, содержащих равный объемный процент частиц [92]. Колебательныеизмерения свойств МРЖ в одинаковом магнитном поле показали различныезначения модулей. Модуль упругости уменьшился с увеличением ПMMAфракции (от А до С), но был устойчивым во всем диапазоне частот (рис. 1.5).Для коммерческого применения большое значение имеет зависящая отвремени работы обратимость или долговечность МРЖ.
Этот эффект былизучен с помощью реометра, встроенного в механический пульсатор [100],33конструкция которого позволяет проводить измерения реологическихсвойств МРЖ под действием долгосрочной нагрузки. Результаты длительнойэксплуатации показали, что во время испытания предельная текучестьжидкости увеличивается до пяти раз как в закрытом, так и в открытомсостоянии. В работе [101] МРЖ была подвергнута испытанию надолговечность в муфте вентилятора. Показано, что при долгосрочномтестировании частицы КЖ окисляются с формированием пористого слоямагнетита на поверхности, что приводит к потере мощности крутящегомомента.Седиментационная устойчивость МРЖ всегда представляла проблему всвязи с большим размером частиц и большой разницей плотностеймагнитных частиц и носителя.
В работе [102] исследовали седиментациючистых частиц КЖ, композитных частиц КЖ/PS и МУНТ/PS/КЖ. Показаночто в этой последовательности седиментация заметно замедлялась благодаряуменьшению плотности композитных частиц и тому, что второй слойуглеродных нанотрубок, введенных в КЖ/PS частицы, значительно повышалшероховатость их поверхности. Лучший результат был получен приполимеризации пиррола в поверхностном слое частиц КЖ (2 мкм) собразованием на их поверхности равномерного слоя электропроводящегополимера полипиррола (PPy) [103]. МРЖ (40 мас.%) на основе частицКЖ/PPy и силиконового масла с вязкостью 100 мПас за 30 часов оседалавсего на 13%. В качестве реологической добавки к МЖ на основемикрометровых частиц КЖ и силиконового масла в работе [104] предложеноиспользовать наночастицы КЖ, которые синтезировали путем простогоразложения пентакарбонила железа Fe(CO)5 с использованием олеиламина вкачестве стабилизатора и керосина в качестве дисперсионной среды.
Добавка1мас.%наночастицКЖвМРЖсущественноулучшалаееседиментационную стабильность и магнитные свойства благодаря тому, чтопри приложении магнитного поля частицы образовывали цепочки внаправлении магнитного поля и с более прочной структурой.341.5. Получение нанокомпозиционных магнитных материаловНаноразмерные частицы проявляют уникальные физические свойства,которые привлекают исследователей различных областей науки [105]Особое место среди них занимают магнитные свойства, в которыхнаиболее отчетливо проявляются различия между массивным (объемным)материалом и наноматериалом. В частности, показано, что намагниченность(в расчете на один атом) и магнитная анизотропия наночастиц могут бытьзаметно больше, чем у массивного образца.
А отличия в температурах Кюри(Tc) или Нееля (ТN), т.е. в температурах самопроизвольного установленияпараллельной или антипараллельной ориентации спинов наночастиц исоответствующих макроскопических фаз, достигают сотен градусов. Крометого, у магнитных наноматериалов обнаружен ряд необычных свойств –высокиезначенияобменноговзаимодействия,аномальнобольшоймагнитокалорический эффект и др.[105]Магнитные свойства наночастиц определяются многими факторами,среди которых следует выделить химический состав, тип кристаллическойрешетки и степень ее дефектности, размер и форму частиц, морфологию (длячастиц с комплексной структурой), взаимодействие частиц с окружающей ихматрицей и соседними частицами.
Изменяя размеры, форму, состав истроениенаночастиц,магнитнымиможнохарактеристикамивопределенныхматериаловнапределахихоснове.управлятьОднакоконтролировать все эти факторы при синтезе примерно одинаковых поразмерам и химическому составу наночастиц удается далеко не всегда,поэтому свойства однотипных наноматериалов могут сильно различаться.Магнитные наночастицы широко распространены в природе ивстречаются во многих биологических объектах. Магнитные наноматериалытакже используются в системах записи и хранения информации, в новыхпостоянных магнитах, в системах магнитного охлаждения, в качествемагнитных сенсоров и т.п. [106].35Среди магнитных материалов, нашедших широкое технологическоеприменение следует отметить ферромагнетики – Fe, Co, Ni, некоторыередкоземельные металлы, металлические бинарные и многокомпонентныесплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другиминеферромагнитными элементами, Гейслеровы сплавы и др[105].Вполимерныхкомпозитныхматериалахнаночастицыферромагнитного материала являются ферромагнитными монодоменами,изолированными в матрице немагнитного полимерного материала.
Такиематериалы могут быть на основе жидких полимеров – МРЖ, пластиков,эластомеров, в том числе и в виде пленок.Подобные пленки с высоким содержанием наночастиц открываютновые перспективы для создания магнитных систем с высокой плотностьюзаписи и хранения информации. Расчеты показывают, что в пленке снаночастицами размером около 5 нм, находящимися в среднем на расстоянии~5 нм друг от друга, плотность информации может достигать 10 13 бит / кв.дюйм[105].МРЖ с точки зрения коллоидной химии представляет собойустойчивую высокодисперсную гетерогенную систему лиофобного типа свысокой степенью лиофилизации стабилизированных частиц магнитногоматериалавферромагнетика,дисперсионнойонасреде.позволяетОбладаяпо-новомусвойствамирешитьмногиежидкогонаучно-технические и медико-биологические задачи[105].МРЖ обладают уникальным сочетанием текучести, и способностиощутимо взаимодействовать с магнитным полем.
Их свойства определяютсясовокупностью характеристик входящих в неё компонентов (твёрдоймагнитной фазы, дисперсионной среды и стабилизатора), варьируя которымиможнов довольноширокихпределахизменять физико-химическиепараметры МРЖ в зависимости от условий их применения. Как правило, этопроявляется в изменении предела текучести системы[105].36В качестве магнитной фазы используются магнетит (FeOFe2O3),ферриты-шпинели(MFe2O4),ферриты-гранаты(MFe5O12),атакжепереходные металлы, высокодисперсные Fe, Co, Ni.
Дисперсные частицы,вследствие малости их размеров (около 0.1 нм.), находятся в интенсивномброуновском движении, что обеспечивает седиментационную устойчивостьмагнитных коллоидов. Для агрегативной устойчивости коллоидных систем смагнитными частицами необходимо, чтобы сближение частиц вызывалопоявление сил отталкивания между ними.Это достигается путем введения в МРЖ определенного количествастабилизатора – поверхностно-активного вещества (ПАВ). Образованный наповерхности частиц молекулами ПАВ адсорбционный слой создаетструктурно-механический барьер, препятствующий укрупнению частиц из-заих слипания. Обычно в качестве ПАВ используют вещества, состоящие изполярныхорганическихмолекул,строениекоторыххарактеризуетсяналичием короткой функциональной группы (основной, кислотной и др.) идлинной хвостовой цепочки (углеводородной, фторуглеродной и др.).
Какправило, в качестве классического стабилизатора для магнитных жидкостейиспользуется олеиновая кислота. Использование ПАВ не приводит к защитенаночастиц при помощи прочных ковалентных связей, вследствие чеговозможно “смывание” ПАВ с поверхности наночастиц и химическаястабильность частиц ухудшается.Магнитные свойства МРЖ определяются объемным содержаниемтвердой фазы, которое может достигать 25%. Магнитная восприимчивостьМРЖ на несколько порядков больше, чем у однородных парамагнитныхжидкостей.
Ее величина зависит от размера частиц и их объемнойконцентрации. Тем не менее, увеличение размеров частиц ограниченовозможностью слипания частиц вследствие их большого магнитного моментаили нарушения условия однодоменности. Поэтому в устойчивых магнитныхколлоидах обычно размер частиц не превышает 0.1-0.15 нм. Наиболеераспространенной магнитной жидкостью является МРЖ на основе керосина37с дисперсными магнетитовыми частицами и олеиновой кислотой в качествестабилизатора.Впервыеметодикаполучениястабилизированногоколлоидногораствора магнетита была предложена в конце 30-х годов [105, 106].В последнее время такие жидкости получают методом конденсациипри осаждении магнетита щелочью из водных растворов солей двух- итрехвалентногожелеза.
Подробное описание большинства подобныхметодик приведено в работе [105].В результате использования таких методик получают МРЖ, вязкостькоторых при намагниченности насыщения 50 -60 кА/м может быть сравнимас вязкостью воды. Полидисперсность магнетитовых частиц, полученныхописаннымспособом,определяетсяколоколообразнойфункциейраспределения частиц по размерам с шириной распределения порядкасреднего размера частиц (около 0.1 нм.). В столь малых частицах присохранениивнихсамопроизвольнойнамагниченностивозрастаетвероятность тепловых флуктуации магнитного момента частицы [105].
Врезультате этого появляется возможность вращения магнитного моментаотносительно твердой матрицы. Впервые на этот тип вращения магнитногомомента было указано Л. Неелем [105].Основным средством управления МРЖ является магнитное поле.Например, с помощью воздействия на них неоднородного магнитного поляможно достичь объемных пондеромоторных сил на несколько порядковпревышающих силу тяжести. Эти силы используются в магнитожидкостныхсепараторах,датчикахлокализацииМРЖускоренийполемибылит.д.Вследствиеразработанывозможностимагнитожидкостныеуплотнения, управляемые смазочные материалы, магниточувствительныежидкости для дефектоскопии и т.п. На практике применяются самыеразнообразные магнитные жидкости на основе минеральных масел,кремнийорганических, водных и других сред.38Среди иностранных производителей МРЖ выделяются компании Lord,Basf, LiquidsResearch, а среди отечественных – лаборатория прикладнойферрогидродинамики Ивановского госуниверситета [105-107].Вязкость таких МРЖ, при намагниченности насыщения до 60 кА/м,может достигать величины порядка 104 Пас, поэтому их иногда сравниваютс магнитными пастами.Для нужд медицины разрабатываются МРЖ на различных пищевыхрастительных маслах.Современные успехи в области синтеза МРЖ позволяют получатьмагнитные коллоиды, устойчивые к расслоению и сохраняющие своисвойства в течение длительного времени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
