Р. Розенцвейг - Феррогидродинамика (1163188), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Соединение выпавших частиц со свежим растворителем никоим образом не создает устойчивую суспензию. В этом случае флоккуляция необратима. Замена несущей жидкости Имеется процесс модификации, использующий вышеописанное явление обратимой флоккуляции. Как показано на схеме рис. 2.10, сначала обычным образом проводится измельчение и приготовляется устойчивая магнитная жидкость. Затем добавляется чужеродный растворитель, вызывающий обратимую флоккуляцию, а всплывающая жидкая смесь растворителей сливается.
На этой стадии для разделения фаз очень удобно применить магнитный способ. Чтобы удалить все следы ненужного чужеродного растворителя, выпавшие в осадок частицы промываются. Наконец, к частицам добавляется вторая несущая жидкость, вызывающая новое диспергирование. Осадок из неподвижных покрытых оболочкой частиц образует «растворимую магнитную жидкость».
Таким способом можно перенести частицы из маловязких жидкостей, очень удобных для процесса измельчения, в слабо- испаряющиеся жидкости, хорошо выдерживающие длительное воздействие атмосферы. Укажем на еще одно полезное применение рассматриваемого процесса; с его помощью очень легко сконцентрировать частицы в данном растворителе, не применяя высушивание и нагревание. Таким способом также можно удалить излишки поверхностно-активного вещества, чтобы получить устойчивую коллоидную смесь, которая может быть еще быстрее сконцентрирована, так как вязкость диспергатора почти всегда больше вязкости несущего растворителя. При этом новый растворитель должен иметь ту же природу, что и первоначальный растворитель.
Замена поверхностно-активного вещества Рассматриваемый здесь процесс модификации основан на описанном выше явлении яеобратилсой флоккуляции. Схема процесса изображена на рис. 2.11. В этом процессе сначала используется диспергатор, который лишь физически адсорбируется на поверхности частиц. Поэтому, когда добавляется чужеродный растворитель, происходит необратимая флоккуляция, в результате которой диспергатор десорбнрует с поверхности частиц.
66 2. Магнитные жидкости крупные магнитные частицы В амкм Гезоь1 ереоя идиость-носитель модность Дислергатор Всплыеаюисии остаток Чужеродный растворите иные Вода и чужеродный растворитпель Вода Влага Подагр пюрпя идкость-носитель Измененная магнитная жидкость Рнс. 2ЛО. Модификация магнитной жидкости переносом чнстиц в другую несущую жидкость. Днспергнрующее вещество не меняется, н его молекулы неизменно связаны с частицами. После промывки и нагревания, удаляюшей все следы чужеродного растворителя, второй диспергатор химически адсорбируют на поверхности частиц.
Эта стадия обычно сопровождается измельчением в течение небольшого промежутка времени, чтобы разрушить кластеры из частиц. Новый носитель может быть подобен исходному или, как чаше всего требуется, может иметь совершенно другие свойства. Например, суспензия в воде может быть переведена в хорошую суспензию в спирте, углеводороде, сложном эфире, галоуглероде, ароматическом или кремнийорганическом соединении. Необходимым условием является наличие пригодного нового диспергатора, совместимого с новым растворителем. Длительного 2.б.
Модификация магнитных жидкостей Крупные магнитные частицы (1-2мкьвуе Оь) ерзая жидкость- оситель !вода) Первыи дислергат (Сб! ипвая жидкость Всплывающий остаток, содержащий первыи диспергатор цунеродный растворитель (ацетон) щищенкые Последние следы чужеродного расгпворигпеля Вода Ладо Влага ищенные Впюрой дисперга (Р!ВЗА м'.Чт'. 1000 торая идкость-носитель Измененная магнитная и идкость Рнс. 2.11.
Модификация магнитной жидкости заменой днспергнрующего вещества н несущей жндкостн. Таким способом достигается радикальное нзмененне свойств магнитной жндкостн (Позепзтче!0, 1975). и ненадежного измельчения не требуется. Небольшое дополнительное измельчение на конечной стадии процесса схемы рис. 2.! ! обычно благоприятно влияет на полное повторное диспергирование. Интересно отметить, что новое поверхностно-активное вещество необязательно квалифицируется как размалывающая присадка. Очевидно, эти две функции являются разными свойствами. В качестве примера можно привести поверхностно-активное вещество аэрозоль-22, тетранатрий-)ч)-(),2 дикарбоксиэтил) -и-октадецилсульфосукцинат.
Это вещество диспергирует материал в водные среды, но непригодно в качестве размалывающей присадки. 2. Магнитные неидкоети Описанный здесь процесс очень гибок и приводит ко все более дешевому и быстрому производству новых типов магнитных жидкостей.
Другое преимущество состоит в том, что в конечном продукте получаются частицы несколько большего размера, чем если бы производилось непосредственное измельчение со вторым диспергатором. Ббльший размер частиц на конечной стадии является непосредственным следствием ббльшего размера частиц первоначальной водной суспензии. Окончательно получаемые жидкости лучше концентрируются; при этом получаются магнитные жидкости с ббльшей намагниченностью и меньшей вязкостью, чем приготовляемые непосредственным измельчением. 2.7. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Физические свойства магнитной жидкости, такие, как ее равновесная намагниченность в стационарном внешнем поле, скорость изменения намагниченности при изменении направления или величины поля, зависимость напряжений сдвига от скорости сдвига, очевидно, очень важны для правильного описания жидкостей с точки зрения феррогидродинамики.
В этом разделе рассматривается вывод некоторых фундаментальных соотношений и обсуждаются некоторые другие важные сведения. Равновесная намагниченность: суперпарамагнетизм Частицы коллоидной магнитной жидкости, с каждой из которых жестко связан магнитный момент т, ведут себя аналогично молекулам парамагнитного газа. В отсутствие внешнего поля частицы ориентированы случайно и жидкость в целом не имеет намагниченности. В не очень сильных полях стремлению дипольных моментов частиц выстроиться вдоль приложенного поля мешает тепловое движение.
При увеличении поля частицы становятся все более и более упорядоченными вдоль направления поля. В очень сильных полях частицы упорядочены полностью и намагниченность достигает насыщения. Для вывода соотношений суперпарамагнетизма воспользуемся классической теорией Ланжевена, в которой предполагается, что межчастичным магнитным взаимодействием можно пренебречь.
Согласно уравнению (!.12), величина плотности момента сил, действующего на вещество, вектор намагниченности М которого составляет угол 0 с направлением приложенного поля Н, равна раМНз1п й. Если объем частицы равен У, то величина ее магнитного момента т равна раМУ, поэтому действующий на нее момент сил т определяется соотношением т = т Н з)п 8. (2.14) 2.7. Фиэические свойства 69 Знергия, затрачиваемая на поворот частицы от направления поля, дается интегралом по углу от момента сил: е е Я7= ~ тс(8= тН ~ з!пОс(О=тН(1 — созО). (2!5) Заметим, что энергия равна тН, если магнитный момент ча- стицы составляет прямой угол с направлением поля, 0 =и/2, и достигает максимального значения 2тН, если частица ориен- тирована против поля, т.
е. О = и. Рис. 2.42. Ориентационное конфигурационное пространстао дан Л! неэааиси- мых частиц. Для того чтобы учесть распределение частиц по ориентации, введем функцию л(0) — функцию распределения по углу системы из У независимых «палочек». В отсутствие поля число палочек, лежащих в конфигурционном пространстве между 0 и 8+ с(0, дается величиной п(0)с(8 (рис. 2.12); (0) с(8= Л' 4 ~1 = 2 яп Ос"9. (вв асо 61 йЕ Ч 4ц (!)т (2.18) Из статистической механики известно, что в присутствии внеш- него поля при данной абсолютной температуре Т вероятность того, что частица имеет данную ориентацию, пропорциональна следующей величине: Множитель Больцмана = е-аггат.
(2.17) Таким образом, число палочек, лежащих в конфигурационном пространстве между О и О+ с(0, пропорционально п(0) с10 — е ™т 2п яп Оа!О = — е ™г яп Ос(8. (2.18) Лг Л! 2 70 2. Магнитные жидкости Коэффициент пропорциональности можно вычислить из условия, выражающего, что полное число всех палочек равно Лl: и ~ и(В)йв=Л. о (2.19) Для нас имеет значение только компонента дипольного момента частицы вдоль направления поля, т. е.
т сов О. Среднее значение тсозв определяется через функцию распределения п(0) с уче- том соотношения (2.!9) следующим образом: т=(тсозв)= ~ тсозвп(0)йв ~ и(0)ав. (2.20) / о о Подставив величину !)о из (2.15) в соотношение (2.18), а получающееся выражение для п(0) в формулу (2.20) и сократив коэффициент пропорциональности, получим и и т = ~ т сов 0 ехр (тН соз 0/нТ) з !и 8 ав / ~ ехр (тН соз 0/нТ) з(п 8 г(0 /, (2. 21) Удобно ввести параметр отношения энергий а = тН/нТ, тогда с его помощью формула (2.21) может быть переписана в виде и и а а т= ~ ~тсозвеааааог(созВ /(е" .ойсозв= "' ~ ~хане(х / ~ в" йх, (2.22) где х = асозв.
Выполнив интегрирование, получим простой результат: т/т = с!Ь а — ! /а = /. (а). (2.23) Здесь /,(а) называется функцией Ланжевена. Приложение этого уравнения для магнитных тел с частицами обсуждалось Джейкобзом и Бином (3асоЬз, Веап, 1963), а еще ранее Элмор (Е1пюге, 1938Ь) использовал его для описания коллоидов Биттера. Намагниченность магнитной жидкости М направлена вдоль приложенного поля, а ее величина равна сумме магнитных моментов частиц внутри единицы объема смеси: !гоМ = ит. (2.24) Здесь т — компонента среднего момента одной частицы вдоль направления поля. Кроме того, намагниченность насыщения т! 2.7.
Физические свойства 1,00 ж 050 ! О 0,1 ОзЕ О!3 014 0~5 В, Тл Рнс. 2.13. Расчетные кривме намагничивания системы монодисперсиых сферических частиц с доменной намагниченностью магнетита (4,46 10' А м-'). жидкости М, также выражается через абсолютную величину магнитного момента частицы пы роМ, = пт. (2.25) Кроме того, намагниченность насыщения магнитной жидкости М, связана с намагниченностью насыщения твердого магнетика Мл через объемную долю твердой фракции !р: М, = срМл. Исключив М, и и из этих соотношений, получим М/(срМл) = спит (2.26) Из соотношений (2.23) и (2.26) следует закон намагничивания суперпарамагнетика для монодисперсной коллоидной магнитной жидкости: М = с()г а — — = — Л (а), 1 <рм, а реМлил Н (2.27) Это и есть главный результат нашего анализа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
