Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения магнитного масла

Изобретение относится к области получения магнитных масел на основе высокодисперсного магнетита. Изобретение может быть использовано в машиностроении, приборостроении, в медицине и т.д.

Известен способ получения магнитной жидкости, включающий получение наночастиц магнетита, последующую их стабилизацию поверхностно-активным веществом (ПАВ) и диспергирование стабилизированных наночастиц магнетита в жидкости-носителе (RU №2394295, кл. H01F 1/28, H01F 1/44, опубл. 10.07.2010).

Недостатком данного способа является низкая коллоидная устойчивость магнитного масла из-за большого количества агломерированных магнитных частиц и низкой прочности адсорбированных слоев ПАВ.

Известен способ получения магнитного масла, включающий образование наночастиц магнетита, покрытие поверхности наночастиц магнетита стабилизирующим веществом в среде углеводорода (RU №2597376, кл. H01F 1/44, C01G 49/08, опубл. 10.09.2016).

Недостатками способа являются малая температурно-временная стабильность коллоида и низкая коллоидная устойчивость магнитного масла, обусловленные десорбцией ПАВ в зоне трибоконтакта и образованием агломератов, приводящих к абразивному износу конструкционных деталей узлов трения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения магнитного масла (RU №2502792, кл. С10М 169/04, С10М 125/10, опубл. 27.12.2013), включающий получение наночастиц магнетита, их стабилизацию ПАВ с последующим добавлением жидкости-носителя.

Однако масло, полученное по этому способу, не обладает высокой коллоидной устойчивостью в магнитном поле, что обусловлено низким взаимодействием между молекулами ПАВ-стабилизатора и жидкостью-носителем, что приводит к десорбции ПАВ и образованию агломератов из частиц магнетита и, как следствие, к их осаждению из коллоида.

Технической проблемой данного изобретения является разработка способа получения магнитного масла, позволяющего уменьшить десорбцию ПАВ-стабилизатора и образование агломератов из частиц магнетита.

Техническим результатом является повышение коллоидной устойчивости и создание стабильной намагниченности магнитного масла, что обеспечивает стабильный коэффициент трения и износостойкость в течение длительного времени при использовании магнитного масла в трибосопряжении и, как следствие, увеличение ресурса работы узла трения.

Указанная проблема решается за счет того, что способ получения магнитных масел включает получение наночастиц магнетита, их стабилизацию поверхностно-активным веществом с последующим добавлением жидкости-носителя. Согласно изобретению, поверхностно-активное вещество и жидкость-носитель выбирают из следующего условия Е=⏐ε_р-ε_r⏐/ε_р, где Е - критериальный параметр, ε_р - диэлектрическая проницаемость поверхностно-активного вещества, ε_r - диэлектрическая проницаемость жидкости-носителя, при этом критериальный параметр Е равен от 0 до 0,2.

Выбор поверхностно-активного вещества и жидкости-носителя при условии Е=⏐ε_p-ε_r⏐/ε_p определено экспериментально. При значении критериального параметра Е, близком к 0, наблюдали максимальную коллоидную устойчивость магнитного масла, объем отделившейся дисперсионной среды практически отсутствовало, а относительное уменьшение намагниченности магнитного масла - минимально. При Е больше 0,2 объем отделившейся дисперсионной среды достигал более четверти всего объема магнитного масла, а относительное уменьшение намагниченности магнитного масла составляло до 100%.

Причина зависимости коллоидной устойчивости магнитного масла от диэлектрических характеристик ПАВ и жидкости-носителя объясняется следующим. Агрегация магнитных частиц (без лиофилизирующего поверхностного слоя) начинается под действием сил притяжения Ван-дер-Ваальса и магнитных сил и заканчивается, когда борновская сила отталкивания скомпенсирует их. Расстояние между частицами соответствует положению минимума потенциальной энергии и по порядку величины равно атомарному размеру. Сила Стокса лишь замедляет процесс коагуляции, а тепловое броуновское движение может даже его ускорить.

Из всех составляющих силу Ван-дер-Ваальса слагаемых, при агрегации определяющую роль играют дисперсионные силы, которые приближенно описывается уравнением Гамакера. Величина силы, в частности, зависит от квадрата поляризуемости молекул жидкости-носителя. В свою очередь поляризуемость молекул выражается из уравнения Клаузиуса-Моссотти через диэлектрическую проницаемость ε_r среды. При этом из сложной константы Гамакера вытекает, что жидкая прослойка между частицами может значительно изменить силу их взаимодействия.

Для стабилизации магнитного масла используют так называемый структурно-механический барьер, проявление которого возможно только после образования на поверхности магнитных частиц адсорбционного (защитного) слоя из молекул ПАВ, лиофилизирующего поверхность. Механическая упругость такого межфазного слоя не позволяет частицам при сближении образовывать устойчивые конгломераты, которые не смогут самопроизвольно разрушаться за счет броуновского движения. Такой эффект, называемый стерическим фактором стабилизации, может быть эффективно реализован, только когда молекулы адсорбционного слоя прочно связаны с поверхностью частиц и между собой, в противном случае защитный слой может разрушаться при столкновении частиц, и они смогут слипаться.

При физической адсорбции взаимодействие молекул с поверхностью определяется электростатической составляющей силы Ван-дер-Ваальса, и диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды и адсорбата в этом процессе большой роли не играет. Однако взаимодействие молекул между собой происходит за счет индуцированных и дисперсионных сил, каждая из которых зависит от поляризуемости молекул, а значит и от диэлектрической проницаемости ε_р ПАВ.

Защитный слой на частицах может разрушаться не только за счет механических воздействий, но и при термоактивированной десорбции молекул с поверхности в жидкость-носитель. С молекулярной точки зрения, вероятность перехода адсорбированных молекул в раствор тем выше, чем выше их абсолютное значение энергии в сольватной оболочке, состоящей из дисперсионной среды. Другими словами, чем лучше растворяются молекулы адсорбата в жидкости-носителе, тем активнее они десорбируются. Взаимодействие молекул в растворе ПАВ определяется, в частности, ориентационным силами для молекул, имеющих не нулевой дипольный момент и одновременно индуцированными и дисперсионными силами. Все эти силы зависят от диэлектрической проницаемости ε_r жидкости-носителя и ПАВ ε_р.

При высокой поляризуемости молекул жидкости-носителя и наличии у них дипольного момента возможна конкуренция между ними и молекулами ПАВ при адсорбции на активных центрах на поверхности дисперсных частиц. Адсорбированные молекулы жидкости-носителя несомненно менее надежно препятствуют сближению дисперсных частиц.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

Для получения магнитного масла брали 20 г магнетита, его обработку проводили в 25 г олигоэфира ОЭ-3, полученного на основе 12-оксистеариновой кислоты, используемого в качестве ПАВ, с диэлектрической проницаемостью ε_р=4,95. Полученную смесь добавляли в 55 г жидкости-носителя, нагревали до температуры 150°С и выдерживали в течение 10 ч. После чего полученное масло охлаждали до комнатной температуры. Исходная намагниченность магнитного масла была около 30 кА/м. Использовали жидкости-носители слабополярной природы.

В таблице 1 приведены некоторые физико-химические свойства используемых жидкостей-носителей для дисперсионной среды.

где η - вязкость жидкости, ε_r - диэлектрическая проницаемость, μ - дипольный момент, J_от - отношение намагниченности магнитной жидкости после центрифугирования к исходной намагниченности, Е - критериальный параметр.

Для экспресс-оценки стабилизирующей способности ПАВ полученные магнитные масла испытывали на устойчивость в поле центробежных сил при комнатной температуре 20-22°С. Фиксированный объем магнитной жидкости - 40 мл загружали в лабораторную центрифугу Т-23 и выдерживали в течение 2 часов при центробежном ускорении около 5600g. По окончании контролировали отделение дисперсионной среды и фиксировали падение намагниченности из-за перехода магнетита в осадок. Для определения магнитных свойств полученных магнитных масел применялся магнетометр, реологические свойства масел изучались на ротационном вискозиметре, для измерения диэлектрической проницаемости использовался промышленный измеритель электрической емкости Е8-4.

Учитывая, что намагниченность масла линейно зависит от концентрации дисперсных частиц, количественную оценку устойчивости полученных коллоидов проводили по относительному изменению намагниченности в поле центробежных сил.

Из результатов испытаний, представленных в табл. 1 вытекает, что относительное уменьшение намагниченности J_от из-за необратимых седиментационных процессов, что напрямую связано с потерей коллоидной устойчивости магнитного масла, хорошо коррелирует с величиной диэлектрической проницаемости жидкости-носителя.

Максимальная коллоидная устойчивость достигается для жидкости-носителя с диэлектрической проницаемостью ε_r=4,4-5,1. Снижение намагниченности происходит в результате агрегирования частиц их седиментационного перераспределения.

Коэффициент корреляции Пирсона между величиной, характеризующей устойчивость магнитных масел J_от и параметром Е составляет 0,93. Значит, можно утверждать о существовании тенденции к повышению коллоидной стабильности магнитных масел по мере уменьшения параметра Е.

Пример 2

Пример осуществляли аналогично приведенному выше примеру, но варьировали ПАВ, при этом в качестве жидкости-носителя магнитного масла использовали диоктилсебацинат.

В таблице 2 приведены данные опытов, свидетельствующие о повышении коллоидной устойчивости по мере снижения величины параметра Е (коэффициент корреляции Пирсона для этого случая 0,95).

где V_от - объем отделившейся дисперсионной среды, *МСДА - алкидная производная олеиновой кислоты. **Альфонокс - олигоэфир на основе этилена с фосфорсодержащей полярной группой.

Из приведенных результатов видно, что максимальной коллоидной устойчивостью, минимальной потерей намагниченности обладают сочетания жидкости-носителя и ПАВ с критериальным параметром, предложенным в формуле изобретения, в частности диоктилсебацинат и ОЭ-3, диоктилсебацинат и жирная кислота.

В настоящее время способ получения магнитного масла находится на стадии опытно-лабораторных испытаний.