Р. Розенцвейг - Феррогидродинамика (1163188), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Интегрируя уравнение (2.11) для пары близких сфер (Козепзцге16', )ь(ез!ог, Тпппппз, 1965), находим выражение для энергии их отталкивания Е', Е, Г 1+2 !+Г (1 — '= 2пг(%~2 — — !п йг 1. г ! + г/2 г.1' (2.12) где 1= 2з/г(, 1= 26/г( и с( — диаметр твердых частиц. Для толстых оболочек максимальная энергия отталкивания имеет предел, который, согласно уравнению (2.12), дает отношение (Е;/йТ) =Ызэ.
Это значение численно совпадает с полным числом молекул, адсорбированных на всей поверхности одной из сферических частиц. Например, если предполагается, что каждая адсорбированная молекула занимает на поверхности участок длиной 1 нм и шириной 1 нм, то на всей поверхности частицы диаметром 1О нм будет 3!4 адсорбированных молекул, а отношение (Е;/яТ) = 314. Описанный здесь механизм часто также называют механизмом энтропийного отталкивания. 2.6. Поверхностная абсорбция и стерическая стабилизация 6! Кривая полного взаимодействия Энергия полного взаимодействия является алгебраической суммой энергии притяжения Ван дер Ваальса, энергии магнитного притяжения и энергии стерического отталкивания и определяет, быть ли суспензии частиц монодисперсной.
На рис. 2.7 Й 20 1О сз % 0 сз Д -1 Е -2 ст т -3 — Я) 0 О,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1= э!'г Рис. 2.7. Зависимость потенциальной энергии в единицах йг от расстояния ! между поверхностями стерически защищенных коллоидных частиц (д=!О нм, ф = 10'е молекул и-э; частицы иэ магнетита); ! — магнитное притяжение, 2 — притяжение Ввн дер Вавльса; штриховые кривые — кривые полного взаимодействия.
изображены кривые зависимости всех этих энергий от расстояния. (Вспомните о шарике, скатывающемся с горки.) Плотность покрытия поверхности частицы 10'е молекул на квадратный метр (рис. 2.7) соответствует 50 тэ-ному покрытию поверхности частицы молекулами олеиновой кислоты. Из вида кривой полной потенциальной энергии следует, что имеется энергетический барьер высотой более 20 яТ. Так как высота энергетического барьера превышает среднюю тепловую энергию частицы по величине на порядок, то в статистически среднем лишь немногие частицы могут его преодолеть и скоростью агломерации можно пренебречь.
Запечатанный образец магнитной жидкости на основе керосина оставался жидким и сохранял магнитные свойства в течение !8 лет без всяких признаков ухудшения ее качества. 2. Магнитиые жидкости Основные структуры диспергирующего вещества Полярная адсорбирующая группа молекулы диспергатора может быть карбоксильной, сульфасукцинатной, фосфатной, радикалом фосфатной кислоты или полифосфорной кислоты. Реагирующая полярная группа может располагаться в головке молекулы диспергатора или распределяться по всей длине цепочки полимера.
Хвосты (или завитки) должны иметь длину не менее 1 — 2 нм. Такие слои занимают заметную часть объема и ограничивают концентрацию твердой магнитной массы в коллоидных магнитных жидкостях, как это видно из формулы ~п ! в (! + 26/д!' ' (2.!3) где ~р — объемная доля твердого магнетика, а чч — объемная доля частиц вместе со слоями.
При 8 =2 нм, и'=!О нм, ~р~ = =0,74, что соответствует плотной упаковке сфер, имеем <р„= =0,27. Так как увеличение плотности упаковки частиц приводит к резкому увеличению вязкости коллоида, то объемная доля используемых сейчас магнитных жидкостей ограничена 20 об.э)з. Это соответствует магнитному моменту насыщения п,М вЂ” 0,1 Тл для жидкости с магнетитом. Хвосты молекул диспергатора должны согласовываться с несущей жидкостью. В хвосте молекулы желательно наличие завитка, чтобы предотвратить кристаллизацию (соединение с такими же молекулами). Считается, что взаимная растворимость, определяемая по экзометрическому перемешиванию, помогает- совместимости. С другой стороны, коллоиды, к сожалению, чувствительны к растворителям иной природы; агломерация происходит, если хвосты или завитки связываются друг с другом лучше, чем с молекулами растворителя.
При определении совместимости сцепленных цепочек с несущей жидкостью могут быть полезны характеристики растворимости (Ваг1оп, !983). Образцы новых диспергаторов можне найти из технологии красок (суспензий красителей) и машинных масел (шламных диспергаторов). Классическим примером вещества для диспергирования частиц магнетита в углеводородах является олеиновая кислота (с 18 атомами углерода). Ее структурная формула изображена на рис. 2.8(а). Двойная связь с девятым атомом углерода обеспечивает образование завитка. Стеариновая кислота имеет молекулу также с 18 атомами углерода, но полностью насыщена и не может служить диспергатором в процессе измельчения.
Перфторполиэфирная кислота, структурная формула которой изображена на рис. 2.8(Ь), также имеет сцепляющуюся кислотную группу. Это вещество применяется для диспергирования магнетита в пер- аб. Модификация магнитных жидкостей Неполярный хвост Полярная головка Неполярный хвост Полярная головка Сгз Сгг ( Сгг О СР (Стз)]з С ОН з О сиз (снг)в = (сиг)а с Ои и О (а)' (Ь) Полярная цепочно Полярные группы (с) Рис. 2.8.
Химическая структура молекул диспергирующих веществ, используемых в магнитных жидкостях. (а) Олеиновая кислота; (Ь) перфторполиэфирная кислота; (с) производная полифосфорной кислоты; (д) полимерный амин (Р)ВБА аддукт). фторполиэфирных растворителях. Кристаллизация предотвращается громоздкими группами со стороны Сз Структура диспергатора, пригодного для ароматических углеводородов, изображена на рис. 2.8(с). Каждая молекула этой производной полифосфорной кислоты содержит многократную сцепляющуюся группу. 2.6.
МОДИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ Свойства магнитной жидкости можно изменить в желательную сторону, например изменением типа или количества несущей жидкости, или в некоторых случаях заменой вида диспергирующего вещества. Явления, лежащие в основе метода модификации Защитный слой, адсорбированный на магнитных частицах, на появление чужеродного растворителя отзывается разным образом. Рассмотрим добавление к первоначально устойчивой коллоидной суспензии магнитных частиц в несущей жидкости второй жидкости, например в количестве 10 с/о по объему. Если вторая жидкость имеет сходную природу, процесс смешивания не ! Непалярные хвосты ! О О О ! Н ОРГОР~ ОР ОН Неполлрный О ) (СНг)г ЫН]с (С г)г 64 2.
Магнитные жидкости Молокуна растооритсяя Лусоррирооонноя маяеяуяа диспярсатора (о) (Ь) дссорбирпзонная мопеяупо диспергаптра яплярноямопояупо растооритеяя (с) Рис. 2.9. Сровненне поведения молекул дисиергирующих веществ в магнитных жидкостях при добовленни растворителей. (о) Устойчивая магнитная жих кость; (Ь) обрзтнмзя флоккуляция; (с) необратимая флоккуляция. Полимерные добавки могут вызвать обратимую флоккуляцию чзстиц путем их спутывзния с длинной цепью молекулы полимера.
флоккуляцию с захватыванием нес кулой полимера. В других системах, напротив ного растворителя поверхности (рис. 2.9(с)). В этих случаях, по-в при добавлении чужеродые молекулы десорбируют идимому, поверхностный слой Полярная мононупо Зознутыа 5 и — Б., ) 5 Н 5 Н Незащищенная „н мазнитяая ~« - «„Х «атласа оказывает влияния на устойчивость коллоидных частиц (рис. 2.9(а) ). Молекулы остаются адсорбированными, а их хвосты — в движении. Так происходит, например, когда декан добавляется к суспензии в гептане частиц, покрытых олеиновой кислотой. Если к магнитной жидкости на гептане, стабилизированной олеиновой кислотой, добавляется полярный растворитель, например ацетон, магнитные частицы флоккулируюг, т.
е. быстро агломерируют и выпадают в осадок в присутствии поля внешних сил. При введении частиц в свежий гептан они снова спонтанно диспергируют. Такое поведение является убедительным свидетельством, что адсорбированные слои прочно связаны с поверхностью частиц ()созепзцге(д, 1970). Возможно, частицы, флоккулирующие таким образом, имеют состояние с втянутыми хвостами, как показано на рис.
2.9(Ь). Другая возможность состоит в соединении хвостов соседних частиц. Кремнийорганические жидкости (например, полидиметилсилоксан) вызывают флоккуляцию,как и ацетон, Полимеры с длинными цепочками могут вызвать кольких частиц одной моле- бз 2.б. Модификация магнитных жидкостей слабо, только физически, связан с частицей и растворяется в среде нового растворителя (йозепзпе1д, 1975). Примером является магнитная жидкость на воде с оксиэтилированным алкилгуанидинаминым комплексом 1аэрозоль Сб!), которая флоккулировала с ацетоном или низшим спиртом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
