способ получения магнитной жидкости на полиэтилсилоксановой основе

Формула изобретения

Способ получения магнитной жидкости на полиэтилсилоксановой основе, включающий осаждение магнетита из водного раствора солей двух- и трехвалентного железа раствором гидроокиси аммония, промывку полученного осадка ацетоном, его стабилизацию и пептизацию в органосилоксановой жидкости-носителе, отличающийся тем, что осаждение магнетита из водного раствора солей двух- и трехвалентного железа проводят раствором гидроокиси аммония, содержащим 50% органического растворителя - ацетона, а пептизацию полученного магнитного порошка в полиэтилсилоксановом носителе проводят с добавлением спиртового раствора антиокислительной присадки n-аминофенола.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к магнитным материалам, в частности к магнитным жидкостям, которые могут быть использованы в качестве уплотняющего материала в магнитожидкостных уплотнениях в области машиностроения, как теплоноситель в устройствах с термосифонной циркуляцией, громкоговорителях, электродвигателях и т.д., в измерительных устройствах в качестве датчиков давления, перемещения, угла наклона.

Известен способ получения магнитной жидкости [патент РФ №1621766, кл. Н01F 1/28] на органосилоксановом носителе, который основан на осаждении магнетита из водно-органических растворов содей двух- и трехвалентного железа водно-органическим раствором гидроокиси аммония. Содержание органического растворителя (ацетона) в растворах составляет 25-35%. В реактор, снабженный механической мешалкой с электроприводом, вливают раствор гидроокиси аммония, включают мешалку и медленно тонкой струей приливают растворы солей железа. Осадок магнетита промывают ацетоном, отжимают в центрифуге и стабилизируют олеиновой кислотой в полиэтилсилоксановой жидкости-носителе. Получают МЖ с вязкостью 0,11-0,22 Па·с, намагниченностью 30-47 кА/м, коэффициентом перераспределения в магнитном поле (Кпер.) 7-10%, устойчивые при центрифугировании 8000 g.

Техническим результатом предлагаемого способа получения магнитной жидкости является повышение ее коллоидальной и температурной устойчивости, что позволит увеличить количество часов наработки магнитожиткостных уплотнений (МЖУ).

Технический результат достигается тем, что способ получения магнитной жидкости на полиэтилсилоксановой основе включает осаждение магнетита из водного раствора солей двух- и трехвалентного железа раствором гидроокиси аммония, промывку полученного осадка ацетоном, его стабилизацию и пептизацию в органосилоксановой жидкости-носителе. При этом осаждение магнетита из водного раствора солей двух- и трехвалентного железа проводят раствором гидроокиси аммония, содержащим 50 об.% органического растворителя - ацетона, а пептизацию полученного магнитного порошка в полиэтилсилоксановом носителе проводят с добавлением спиртового раствора антиокислительной присадки n-аминофенола.

Магнитную фазу получают осаждением из водных растворов содей двух- (FeSO ₄×7Н₂О) и трехвалентного железа (FeCl₃×6Н₂О) водно-органическим раствором гидроокиси аммония. В качестве органического растворителя используют ацетон. Концентрация ацетона от общего объема раствора аммиака составляет 50 об.%. Ацетон добавляют только в раствор гидроокиси аммония, т.к. при увеличении концентрации солей железа замечено некоторое помутнение растворов при добавлении органического растворителя. Водный раствор солей железа и водно-ацетоновый раствор гидроокиси аммония подают одновременно в пленочный реактор, имеющий термостатирующую рубашку, со скоростью, необходимой для получения продукта стехиометрического состава. Растворы водных солей железа и водно-органического раствора гидроокиси аммония образуют на стенках реактора пленку, в которой происходит формирование частиц магнетита. Изменяя высоту реактора и температуру в нем, получают магнетит с различной удельной поверхностью и малым разбросом частиц по размерам, что значительно повышает коллоидальную стабильность МЖ. Проведенные нами исследования показали, что оптимальным режимом осаждения магнетита является пленочный реактор длиной 900 мм, скорость истечения растворов 150-300 мл/мин, температура стенок реактора (пленки формирования магнетита) 18°С. Анализ показал, что порошок магнетита по предлагаемому способу состоит из частиц размером 80-100 А. Осадок магнетита стекает в металлическую емкость, помещенную на электромагнит, и оседает на дно по мере его поступления. Раствор над осадком сливают сифоном, осадок отжимают на центрифуге, промывают ацетоном, стабилизируют олеиновой кислотой с добавлением антиокислительной добавки n-аминофенола в полиэтилсилоксановой жидкости-носителе.

При работе магнитожидкостных уплотнений МЖ подвергаются воздействию повышенных температур, скоростей и нагрузок, а также воздействию различных факторов уплотняющей среды (кислород воздуха, вода, пары коррозионно-активных соединений и др.), что сопровождается термическим разложением, термоокислительными процессами и полимеризацией, которые интенсифицируются деформацией сдвига и каталитическим действием ювенильных поверхностей трения. Все это в совокупности приводит к «старению» МЖ и, соответственно, к ухудшению их эксплуатационных свойств. Процесс окисления смазочных масел предотвращают введением в их состав антиокислительных присадок. Эти ингибиторы действуют в двух направлениях - одни разрушают свободные радикалы (разрывают цепь), а другие взаимодействуют с пероксидами, которые образуются в процессе окисления. Самыми распространенными антиокислителями, действие которых направлено на разрыв цепи, являются соединения типа пространственно затрудненных фенолов и ароматических аминов различного строения. Будучи веществами активными они легко отдают свой водород радикалам, переводя их в неактивное состояние. Антиокислители фенольного и аминного типов применяют в основном в индустриальных и энергетических маслах в концентрации 1,0-2,5%.

В предлагаемом способе в качестве антиокислительной присадки использован n-аминофенол. Аминофенолы - низкоплавкие твердые вещества с высокими температурами кипения. Сам n-аминофенол - бесцветное вещество, практически нерастворим в воде (1 г в 100 г Н₂О), в спирте растворяется 5 г при 25°С, поэтому при приготовлении МЖ использовали 5%-ный раствор n-аминофенола в спирте. Введение антиокислительной присадки в концентрации 1,0-2,0% позволило повысить температурную устойчивость МЖ на 10°С, а более высокие концентрации снижали коллоидальную устойчивость магнитной жидкости.

Магнитные жидкости, полученные по новой технологии, имеют ньютоновский характер течения в интервале скоростей сдвига 30-1300 см/сек, сохраняют рабочие характеристики при хранении в течение 5-ти лет, выдерживают температуру 130°С без видимых дериватографических изменений в течение 8-ми часов. Получают МЖ с вязкостью 0,11-0,25 Па·с, намагниченностью 30-50 кА/м, коэффициентом перераспределения в магнитном поле 3-7%, устойчивые при центрифугировании 8000 g. Температурная устойчивость МЖ, как показали дериватографические исследования, повышается на 10°С.

Пример 1. 61,5 г Fe₂(SO ₄)₃×7Н₂ O растворяют в 500 мл дистиллированной воды, 103,5 г FeCl ₃×6Н₂О растворяют в 500 мл дистиллированной воды. Растворы фильтруют, смешивают и разбавляют водой до 2500 мл. Концентрированный раствор гидроокиси аммония (600 мл) смешивают с ацетоном (1250 мл) и разбавляют дистиллированной водой до 2500 мл. Содержание ацетона в растворе составляет 50 об.%. Водный раствор солей железа и водно-ацетоновый раствор гидроокиси аммония сливают одновременно через насадку со скоростью 150 мл/мин в пленочный реактор длиной 900 мм при температуре 18°С. Образующийся в тонкой пленке растворов магнитный порошок стекает в металлический реактор емкостью 10 л, помещенный на электромагнит. Осадок магнетита оседает на дно реактора по мере его поступления. Маточный раствор сливают, осадок центрифугируют при 1500 об/мин, промывают два раза ацетоном методом декантации и центрифугируют при 3000 об/мин. К осадку магнетита добавляют 10 мл 5-ти % спиртового раствора n-аминофенола (1,2%) и 10 г олеиновой кислоты, тщательно перемешивают до сметанообразного состояния, приливают при перемешивании 40 г полиэтилсилоксана. Происходит разделение смеси на два слоя. Верхний слой, содержащий водно-ацетоновый раствор, отделяют декантацией. Нижний слой, содержащий полуфабрикат магнитной жидкости, вакуумируют при перемешивании, постепенном повышении температуры до 70°С и полного удаления паров ацетона, аммиака и воды. Получают 60 г. МЖ с плотностью 1.4088 г/см³, намагниченность насыщения 41,6кА/м, вязкостью -0,2Па·с, Кпер.=5%.

Пример 2. 83 г Fe ₂(SO₄)₃×7Н ₂O растворяют в 500 мл дистиллированной воды, 138 г FeCl ₃×6Н₂О растворяют в 500 мл дистиллированной воды, фильтруют, смешивают, разбавляют до 2500 мл. К 900 мл концентрированной гидроокиси аммония приливают 1250 мл ацетона и разбавляют до 2500 мл. Растворы солей и гидроокиси аммония сливают через пленочный реактор со скоростью 200 мл/мин в емкость на электромагните. Образующийся осадок магнетита обрабатывают аналогично примеру 1. К осадку магнетита добавляют олеиновую кислоту в количестве 13 г, тщательно перемешивают. Антиокислительную добавку n-аминофенола в количестве 15 мл спиртового раствора (2,0%) добавляют в 36 г полиэтилсилоксана и приливают к магнетиту с олеиновой кислотой при перемешивании. Происходит разделение смеси на два слоя. Верхний слой отделяют декантацией. Нижний, содержащий полуфабрикат МЖ, вакуумируют при перемешивании и 70°С до полного удаления паров ацетона, аммиака и воды. Получили 55 г магнитной жидкости с плотностью 1,4971 г/см³, намагниченностью насыщения 49,3 кА/м, -0,21Па·с, Кпер.=3%.

Пример 3. 123 г FeSO ₄×7Н₂О растворяют в 500 мл дистиллированной воды, 207 г FeCl₃×6Н ₂О растворяют в 500 мл дистиллированной воды, фильтруют, смешивают, разбавляют смесь до 3350 мл дистиллированной водой. К 1200 мл концентрированной гидроокиси аммония приливают 1700 мл ацетона и разбавляют данную смесь дистиллированной водой до 3350 мл. Растворы солей и гидроокиси аммония сливают через пленочный реактор в 10 л емкость на электромагните со скоростью 200 мл/мин, маточный раствор сливают сифоном, магнитный порошок центрифугируют, промывают два раза ацетоном. К осадку магнетита приливают 20 г олеиновой кислоты и тщательно перемешивают в течение 15 мин. Затем в смесь магнетита с олеиновой кислотой вводят 80 г полиэтилсилоксана и 25 мл спиртового раствора n-аминофенола (1,5%) при перемешивании. Происходит разделение смеси на два слоя. Верхний слой сливают, нижний слой, содержащий полуфабрикат магнитной жидкости, вакуумируют при 70°С до полного удаления паров ацетона, аммиака и воды. Получают 130 г магнитной жидкости с плотностью 1,4892 г/см ³, намагниченностью насыщения 47,8 кА/м, =0.19Па·с, Кпер.=4%. Жидкость устойчива при центрифугировании с фактором разделения 8000 g в течение 1 часа.

Магнитная жидкость	Плотность МЖ Кг/м3	Вязкость Па·сек	Намагниченность насыщения кА/м	Кпер.%	Температура окисления
Предлагаемая
1	1,4088	0,20	41,6	5	125
2	1,4971	0,21	49,3	3	130
3	1,4892	0,19	47,8	4	128
	12,5
прототип	1,3992
1	1,4960	0,11	30,0	7	110
2		0,22	47,0	10	115

Магнитные жидкости 1-5, полученные по предлагаемому и известному способам, исследовали на стенде, позволяющем испытывать их в качестве уплотняющего материала в уплотнении для герметизации вращающихся валов. Скорость вращения вала составляет 78 об/мин, избыточное давление до 1,0 атм. При температуре 25°С индукция в зазоре уплотнения изменялась от 0,5 до 1,7 Тл.

Работоспособность МЖ в качестве уплотняющего материала оценивалась по работе вышеописанного уплотнения, а также по коэффициенту перераспределения (Кпер.) магнитной фазы в магнитной жидкости, рассчитанному по результатам испытания на стенде.

Результаты испытаний показывают более высокие эксплуатационные характеристики предлагаемых магнитных жидкостей по сравнению с МЖ, приготовленными по известному способу (таблица). Предлагаемые магнитные жидкости, как уплотняющий материал, обеспечивают герметизацию вращающегося вала (после 6000 часов работы уплотнения разгерметизации не последовало).

Коэффициент перераспределения магнитной фазы в предлагаемой магнитной жидкости составляет 3-7%, известных магнитных жидкостей (7-10%). Реологические характеристики предлагаемых магнитных жидкостей не изменяются в широком интервале скоростей сдвига и носят «ньютоновский» характер.