Введение к работе
Актуальность проблемы. Огромный интерес к магнитным жидкостям (МЖ) со стороны теоретиков и экспериментаторов связан с тем, что они проявляют свойства, которые не вписываются в представление о МЖ как о жидком магнетике. Уникальность свойств магнитных жидкостей и возможность практического использования их в различных отраслях народного хозяйства способствуют развитию фундаментальных исследований по изучению свойств и способов их получения. При этом вопросам технологии синтеза магнитных жидкостей не уделено достаточного внимания, хотя известно, что свойства МЖ во многом зависят не только от количественного и качественного состава входящих в них компонентов, но и от условий получения.
Поэтому одной из важных задач современной науки о магнитных жидкостях является не только разработка подходов к синтезу устойчивых МЖ на различных основах, но и организация промышленного производства этих материалов. При этом технологическим и аппаратурным исследованиям должны предшествовать решения комплекса проблем, требующих применения методов физической и коллоидной химии, физической химии поверхности твердых тел, химии поверхностно-активных веществ и др.
К таким проблемам следует отнести исследования кинетических закономерностей сложной совокупности процессов зарождения и роста кристаллической структуры частиц дисперсной фазы, например, при синтезе высокодисперсных частиц магнетита или ферритов, особенно когда процессы их получения осложнены процессами дегидратации, окисления и агрегирования.
Кроме того важной задачей представляется изучение особенностей формирования защитных оболочек вокруг частиц магнитной фазы, их структуры и механизма защитного действия. Исследование этих закономерностей позволит более четко сформулировать требования к структуре и свойствам молекул поверхностно-активных веществ, участвующих в образовании стабилизирующего слоя вокруг частиц дисперсной фазы, обеспечить надежность и прочность защитной оболочки, расширить температурный диапазон устойчивости магнитных жидкостей, избежать образова-
ния в МЖ агрегатов любых размеров и конфигураций.
Наконец, весьма важным вопросом является разработка методов перехода от закономерностей синтеза магнитных жидкостей, полученных в лабораторных периодических опытах, к результатам, получаемым на опытно-промышленной установке или в непрерывно действующих системах.
Актуальность тематики была подтверждена, когда Госкомитет СССР по науке и технике создал специализированный совет по проблеме "Магнитные жидкости", который назначил институт "ВНИПИгаз-переработка" головной организацией по разработке промышленной технологии получения магнитных жидкостей (Постановление ГКНТ № 678 от 21.12.83 ) и поручил разработку непрерывной технологии получения магнитной жидкости на керосиновой основе ( Постановление ГКНТ № 301 от 26.06.84).
В диссертационной работе изложены результаты исследований, выполненных в 1979-1996 годах. Работа выполнялась в соответствии с программой ГКНТ " О развитии работ по созданию и внедрению в народном хозяйстве оборудования, машин и приборов с использованием магнитных жидкостей", а также планами Миннефтепрома СССР по договору 38.01.07.77/ 07.22 и заказ-наряду 82.1807.87.
Цель работы. Целью настоящей работы является исследование основных закономерностей получения магнитных частиц окисной природы, разработка новых эффективных способов синтеза высокодисперсных частиц магнетита или ферритов заданного состава и размеров, изучение процесса стерической стабилизации полученных высокодисперсных частиц, формулировка основных принципов подбора стабилизаторов, поиск и предложение новых стабилизаторов, обеспечивающих получение устойчивых в неоднородном магнитном поле коллоидных систем с использованием дисперсионных сред различной природы.
Конечная цель - разработка на основании полученных результатов промышленной технологии синтеза магнитных жидкостей, решение ряда прикладных задач, обеспечивающих экономическую эффективность, экологическую чистоту разрабатываемых процессов при обеспечении высокого качества продукции, не уступающей по качеству лучшим зарубежным образцам.
Методика исследования. При проведении работ были использованы различные физические методы для изучения магнитных и электрических характеристик МЖ, рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализы, термогравиметрия и ИК-спектроскопия, электронная и оптическая микроскопия, газо-жидкостная хроматография, многочисленные физико-химические методы получения и анализа жирных кислот.
Расчеты технологических схем и конкретных аппаратов проводились по программам, разработанным в институте "ВНИПИгазперера-ботка".
Научная новизна. В настоящей работе исследованы новые методы получения высокодисперсных частиц не только магнетита, но и ферритов, объединенных механизмом осаждения и условиями проведения процессов. Выбор объектов для исследования определялся не только актуальностью научных аспектов низкотемпературных процессов получения ферритов, но и тем, что магнитные жидкости, синтезированные с их использованием, обладают дополнительным набором уникальных свойств, что позволит расширить области применения МЖ в различных отраслях промышленности.
Сформулированы и экспериментально проверены новые требования к поверхностно-активным веществам, используемым для создания защитной оболочки вокруг частиц магнитной фазы. Предложен ряд новых стабилизаторов, позволивших синтезировать устойчивые в неоднородном магнитном поле жидкости на различных основах. Разработаны новые методы контроля за качеством магнитных жидкостей.
Предложены и экспериментально проверены новые методы целенаправленного синтеза магнитных жидкостей.
Разработаны технологии получения магнитных жидкостей с использованием дисперсионных сред различной природы.
Все новые технические решения по проблеме целенаправленного синтеза магнитных жидкостей защищены авторскими свидетельствами и патентами.
Практическая ценность. Проведенное исследование позволило сделать не только ряд обобщений по синтезу магнитных жидкостей, но и выдать конкретные рекомендации по организации их производства.
На основании полученных экспериментальных результатов спроек-
тирована и построена опытно-промышленная установка получения МЖ
на керосиновой основе производительностью 20 т/год, которая до настоя
щего времени используется для наработки опытных партий и дальнейшего
совершенствования технологии получения МЖ.
Построена опытная установка непрерывного получения МЖ на керосиновой основе производительностью 1 л/час.
Процессы периодического и непрерывного получения МЖ на керосиновой основе сданы Ведомственным комиссиям МНП СССР.
Опытные партии МЖ на керосиновой основе и концентрата прошли проверку в промышленных условиях при разделении шлиховых концентратов россыпей на горно-обогатительных комбинатах Якутии, Магаданской области, Чукотки.
Отдельные образцы МЖ были с успехом использованы в уплотни-тельных устройствах аппаратов процесса экстракционного выделения растительных масел, в качестве магнитных чернил, закалочной среды и т.д.
Автор защищает. Предложенную классификацию известных низкотемпературных способов получения магнетита, основанную на типе используемого сырья.
Разработанные новые способы получения высокодисперсных частиц магнетита с использованием соли только двухвалентного железа и МЖ, включающих в себя вышеуказанные способы синтеза магнетита. Предложенный способ контроля за процессом получения и созревания магнетита.
Высказанную гипотезу о причинах недостаточной эффективности стабилизирующего действия предельных жирных кислот и структуре стабилизирующего слоя вокруг частиц дисперсной фазы, сформулированные дополнительные условия стабилизирующего действия жирных кислот, новые композиции жирных кислот для стабилизации частиц магнетита при синтезе МЖ.
Результаты исследования свойств МЖ, предложенные методы определения устойчивости и оценки качества МЖ.
Сформулированные и экспериментально проверенные основные методы целенаправленного синтеза МЖ, включающие в себя получение монодисперсных частиц магнитной фазы, модификацию состава частиц дисперсной фазы, регулирование толщины защитной оболочки, использова-
ниє новых стабилизаторов после модификации поверхности частиц дисперсной фазы, выбор дисперсионной среды и др.
Разработанные процессы синтеза магнитных жидкостей на различных основах в том числе, непрерывный процесс получения магнитной жидкости на керосиновой основе.
Технические решения, позволившие создать наиболее простую и экономичную технологию, расширить возможности разработанных ранее процессов синтеза магнитных жидкостей, утилизировать сточные воды и побочные продукты.
Апробация работы. По теме диссертации получено более 50 авторских свидетельств и патентов. Основная часть результатов изложена в отчетах по двум научно-исследовательским работам, проведенным под руководством или при непосредственном участии автора в период с 1979 по 1996 годы.
Часть результатов работы изложена в статье по изучению МЖ методом ИК-спектроскопии и в 20 докладах, представленных на различных конференциях, семинарах, симпозиумах и совещаниях:
Всесоюзная конференция " Проблемы феррогидродинамики в судостроении", Николаев, 1981;
семинар секции " Физика магнитных жидкостей" совета по магнетизму АН СССР, Ставрополь, 1982;
II-VI- Всесоюзные совещания по магнитным жидкостям, Плес, 1981,1983,1985,1988,1991;
XII и XIII Рижские совещания по магнитной гидродинамике, Са-ласпилс, 1987, 1990;
IV совещание по физике магнитных жидкостей Научного совета АН СССР по проблеме " Физика магнитных явлений", Душанбе, 1988;
V Международная конференция по магнитным жидкостям , Салас-пилс, 1989 ;
Республиканская научно-техническая конференция "Применение магнитоактивных материалов и магнитных систем в народном хозяйстве", Ивано-Франковск, 1989;
V Всесоюзное совещание по физике магнитных жидкостей, Пермь, 1990.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа "Разработка физико-химических основ синтеза магнитных жидкостей с заданными свойствами " содержит в основной части 385 страниц машинописного текста, 28 страниц приложений, иллюстрированна 76 ріь сунками и 30 таблицами.