Исхаков О.А., Крикуненко Р.И.. Магнитные порошки и магнитные суспензии

устойчивой во времени. Это требование связано с тем, что в реальном производственном процессе между операциями приготовления и использования суспензии могут быть большие промежутки времени, в течениекоторыхсуспензиядолжнасохранятьсвоисвойстванеизменными.

5.Суспензия должна обладать определенными реологическими свойствами, которые обеспечивают нормальные при её диспергировании, перемешивании, транспортировке по трубопроводам, при фильтровании и нанесениинаоснову.

6.В суспензии недопустимо присутствие загрязнений в виде немагнитных частиц, нерастворившихся комочков полимера и т.п. Такие загрязнения приводяткособымдефектам- выпадениямсигнала.

7.Нанесенная на основу суспензия должна быстро высыхать, образуя рабочий слой с нужными структурой и физико-механическими свойствами. Скорость сушки должна соответствовать высоким скоростям нанесения суспензии, достигающим 100 - 200 м/мин. При этом времянахождения высушиваемогослоявсушилкесоставляетвсего20 - 40 с.

Свойствамагнитныхсуспензийспозицийколлоиднойхимии

В соответствии с классификацией, принятой в коллоидной химии, магнитные суспензии относятся к свободнодисперсным (т.к. дисперсная фаза подвижна), микрогетерогенным (т.к. размер частиц - 0,1-1мкм) системам с

высокой концентрацией дисперсной фазы. Характерная особенность таких систем состоит в том, что они неустойчивы. Это выражается в самопризвольном слипании (коагуляции) частиц и их оседании (седиментации).

Седиментация частиц происходит под действием гравитации. При этом в верхних слоях их концентрация уменьшается, а в нижних - увеличивается, т.е. возникает градиент концентраций по высоте. Эффекту седиментации противодействует броуновское движение частиц, хаотичность которого приводит к выравниванию концентрации дисперсной фазы по всему объемудисперсионнойсреды.

Агрегация частиц высокодисперсных суспензий обусловлена большой положительной энергией, сосредоточенной на поверхности раздела фаз. Эта избыточная свободная энергия вызывает термодинамическую неустойчивость таких систем и их самопроизвольное стремление к равновесному состоянию. Такое равновесное состояние соответствует разделению системы на отдельные фазы с минимальной межфазовой поверхностью. Уменьшение свободной поверхностной энергии происходит за счет сближения частиц и их слипания (коагуляции) с образованием агрегатов частиц. А возникновение N агрегатов, в свою очередь, приводит к снижению седиментационнойустойчивостисуспензий

21

Причиной же, вызывающей взаимное притяжение частиц друг к другу, является межмолекулярное взаимодействие между ними, которое в общем случае включает в себя силы а)дисперсионные, б)ориентационные и в)индукционные. Известно, что по мере сближения частиц потенциал притяжения возрастает, а на одном и том же расстоянии притяжение тем сильнее, чемкрупнеечастицы.

В случае магнитных суспензий взаимодействие частиц резко усиливается за счет магнитного притяжения, т.е. оно служит мощным дестабилизирующим фактором, способствующим слипанию и седиментации частиц. Это делает магнитные суспензии особо неустойчивыми. По этой причине обеспечение агрегативной и седиментационной устойчивости магнитныхсуспензийявляетсяоднойизважнейшихпроблемпроизводства.

Наиболее признанной теорией агрегативной устойчивости суспензий является теория, разработанная Дерягиным, Ландау, Фервеем и Овербеком, так называемая «теория ДЛФО». По этой теории, основным фактором агрегативной устойчивости является электростатическое отталкивание, обусловленное наличием вокруг частиц двойного электрического слоя. Кроме выводов этой теории, следует учитывать расклинивающее давление жидкой прослойки между частицами. Эта прослойка может не только уменьшать притяжение поверхностей частиц, но и превращатьпритяжениевотталкивание.

Перечислимосновныефакторы, стабилизирующиесуспензии.

1.Образование вокруг частиц дисперсной фазы адсорбционно- сольватных слоев, уменьшающих межфазное поверхностное натяжение и снижающихзапассвободнойповерхностнойэнергиивсистеме.

2.Стабилизация электростатическим отталкиванием, связанным с двойным электрическим слоем. Влияние этого фактора велико, если дисперсионная среда обладает высокой диэлектрической проницаемостью, но этот фактор неэффективен при использовании малополярных растворителей, чточастобываетв современныхмагнитныхсуспензиях.

3.Стабилизация структурно-механическим барьером. Стабилизация обеспечивается созданием вокруг частиц достаточно толстого адсорбционного полимерного слоя. Этот слой обладает большой структурной вязкостью, упругостью и прочно связан с поверхностью частиц. Он не только препятствует сближению частиц, но и одновременно снижает запас свободной поверхностной энергии, образуя новую поверхность раздела с уменьшеннымповерхностнымнатяжением.

4.Стабилизация энтропийным отталкиванием. Этот вид стабилизации обусловлен адсорбцией длинных и гибких полимерных молекул на поверхности частиц отдельными сегментами. При этом большая часть макромолекулярных звеньев сохраняет высокую подвижность и обладает

22

достаточно большим набором конформаций. При сближении частиц их полимерные оболочки перекрываются и подвижность макромолекул ограничивается. Это уменьшает термодинамическую вероятность реализации некоторых из возможных конформаций, т.е. приводит к уменьшению энтропии системы. В соответствии со вторым законом термодинамики такой процесс не может произойти без подвода энергии извне, что равносильно существованиюэнергетическогобарьерадляпроцессасближениячастиц.

5. Гидродинамический фактор стабилизации связан с повышением вязкости системы и структурированием суспензии при увеличении концентрации в ней твердойфазыисвязующегополимера.

Наиболеедейственнымифакторамисчитаютсятретий, четвертыйипятый.

Реологическиесвойствамагнитныхсуспензий

Реология - раздел механики, посвященный изучению механических свойствтекучихсистем.

При изготовлении и нанесении магнитной суспензии на основу необходимо знать, как меняются структурно-механические свойства суспензии при воздействии на неё тех или иных механических напряжений. Эти знания нужны для правильного выбора оборудования и режима его работы, для понимания поведения суспензии в трубопроводах, при её фильтровании и нанесении на основу. Действующие на суспензию силы могут быть разложены на две составляющие: нормальную к поверхности тела и тангенциальную, направленную по касательной к поверхности. Они создают два соответствующих вида напряжений: нормальные и тангенциальные, вызывающие также два вида деформаций - растяжение (либо сжатие) и сдвиг. Путем их комбинаций можно представить все другие виды деформаций. Деформации бывают обратимыми и остаточными, в соответствии с этим тела делятся на упругие и пластичные. Чаще всего играет роль деформация сдвига, возникающая под действием напряжения сдвига τ (рис.13). Деформацию сдвига характеризуют безразмерной величиной γ = dx/dy, а изменение деформации во времени - скоростью деформации сдвига

V=dγ/dt (1/с или с–1 ).

Так как координата y и время t являются независимыми перемен- ными, изменяя порядок дифференци- рования, можно получить выражение

= dγ = d(dx / dy ) = d(dx / dt ) = dU

V

dt dt dy dy

гдеU = dx/dt - скоростьперемещения элементарногослоя.

Реологические свойства тел определяют по кривым течения, представляющим собой зависимости скорости деформации сдвига от напряжения сдвига. По реологическим свойствам все тела делят на жидкообразные и твердообразные. У жидкообразных тел минимальное напряжение сдвига, вызывающее течение (называемое пределом текучести) τT=0, а у твердообразных τT>0.

V (Скорость деформации сдвига)

Рис.14. Кривые течения для жидкостей:

1 -ньютоновских;

2-псевдопластичных

3-дилатантных

У ньютоновских жидкостей (кривая 1) связь между скоростью деформации сдвига и напряжением сдвига выражена законом Ньютона τ=ηV, где η - ко- эффициент пропорциональности, называемый вязкостью. Вязкость выражается в (1 Па с = 10 П, т.е. 10 пуаз) и характеризует сопротивление жидкости сдвигу - внутреннее трение. Из этого уравнения следует, что у ньютоновских жидкостей вязкость не зависит от напряжения сдвига и является постоянной величиной, определяемой тангенсом угла между кривойтеченияиосьюординат(осьюV).

К ньютоновским жидкостям относятся многие низкомолекулярные жидкости, разбавленные растворы полимеров и разбавленныесуспензиисизометрическими(равноосными)частицами.

У неньютоновских жидкостей вязкость зависит от напряжения сдвига и является величиной переменной и называется «кажущейся» или «эффективной». Они подразделяются на стационарные, реологические свойства которых не меняются во времени и нестационарные, для которых этисвойствастечениемвремениизменяются.

Стационарные жидкости подразделяются на псевдопластичные

(кривая2) идилатантные(кривая3).

К псевдопластичным жидкостям следует отнести суспензии, содержащие анизометрические (т.е. неравноосные) частицы, а также концентрированные растворы жесткоцепных полимеров, таких как триацетат целлюлозы. Вподобныхсистемахприувеличениинапряжениясдвига

24

Из рисунка видно, что твердообразные тела отличаются от жидкообразных наличием некоторого значения напряжения сдвига тт (называемого пределом текучести), придостижениикотороготелоначинаеттечь( рис.

Рис.16.Кривые течения магнитной суспензии γ-Fе2О3

(1) и немагнитной α-Fе2О3 (2).

С этих позиции магнитные суспензии следует отнести к системам твердообразным псевдопластичным. Для них характерно наличие предела текучести. Его величина сильно возрастает при увеличении концентрации магнитного порошка в суспензии. Зависимость вязкости от напряжения сдвига является нелинейной. Вязкость их велика при низких напряжениях сдвига, она уменьшается при повышении напряжения сдвига и далее принимает постоянное значение (η = соnst). Это значение соответствует прямолинейному' участку кривой течения.

26