Синтез и исследование свойств ферромагнитной жидкости

XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Синтез и исследование свойств ферромагнитной жидкости

Саркытканова Талшын Аяновна 1
1НИШ ЕМН г. Усть-Каменогорска
Попова М.В. 1
1НИШ ЕМН г. Усть-Каменогорск
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Полученные в половине 60-х годов двадцатого века намагничивающиеся жидкости, названные «ферромагнитными жидкостями» до данного момента, являются объектами, имеющими широкий спрос в исследовании явлений, связанные с воздействием электрического и магнитного полей с окружающей средой.

Основные свойства магнитных жидкостей зависят от их состава. Совокупность компонентов входящих в нее, определяет их уникальные характеристики, при этом изменяя составляющие можно изменить свойства магнитной жидкости. Это позволяет применять и адаптировать ее под определенную сферу деятельности.

Магнитные жидкости применяются в тормозных системах, подвесках, управляемых затворах, устройствах для контроля переноса тепла, медицинских препаратах (для точечного воздействия на раковые клетки и доставки лекарственных средств), системах адаптивной оптики и других устройствах,и системах, улучшает охлаждение электронных устройств. Приведены примеры использования магнитных жидкостей длясбора нефти, разлитой на воде, для обогащения полезных ископаемых[1].

Цель данного исследования: получить ферромагнитную жидкость и изучить ее свойства

Задачи исследования:

- анализ литературы и определение основных этапов получения ферромагнитной жидкости;

- синтез ферромагнитной жидкости в лабораторных условиях;

-исследование свойствферромагнитной жидкости

Методы исследования: анализ литературы, сравнение, химические методы анализа, наблюдение.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1Общая характеристика ферромагнитной жидкости

Впервые ферромагнитную жидкость изготовил ученый из NASA Стив Папеллв 1963 году[2], когда работал над созданием жидкого ракетного топлива, которое можно было бы направить к топливному насосу в невесомости с помощью магнитного поля. Для создания ферромагнитной жидкости Папелл приготовил коллоидную систему из мельчайших ферромагнитных частиц (частиц измельченного до состояния пудры магнетита), взвешенных в смеси из поверхностно-активного вещества (олеиновой кислоты) и органического растворителя (керосина).

Именно мельчайшие, размером в пару нанометров, ферромагнитные частицы и ответственны за сильные магнитные свойства этой необычной жидкости. Они занимают всего около 5% объема жидкости, но распределены по нему равномерно. Благодаря своему маленькому размеру эти частицы не оседают на дно, потому что скорость их оседания сравнима со скоростью хаотического броуновского движения. При таких небольших размерах частиц становится значительным их межмолекулярное притяжение, и ферромагнитные частицы стремятся слипнуться. Не дает им это сделать поверхностно-активное вещество, образующее пленку на ферромагнитных частицах, которая не подпускает их близко друг к другу.

Отличительной чертой ферромагнитной жидкости от обычной представляется в ее высокой намагниченности, в десятки сотни раз.

Магнитные жидкости устойчивы. Они имеют постоянную консистенцию, которая не поддается агломерации. Ферромагнитные жидкости не превращаются в однородную субстанцию даже под воздействием сильного магнитного поля.

  1. 2 Методы получения ферромагнитной жидкости

Ферромагнитные жидкости представляют собой постоянные коллоидные системы стабилизированных высокодисперсных частиц магнитного материала в жидкой среде.

Один из распространенных методов - это химическое осаждение. Например, можно использовать метод осаждения гидроксида железа из солей железа, а затем использовать восстановление.

В таблице 1 приведены авторы и методика получения ферромагнитной жидкости, а также достоинства и недостатки данного способа

Таблица 1 – Обзор методик получения ферромагнитных жидкостей

Автор

Методика

Недостатки, достоинства

Боковикова

Т.Н., Степаненко С.В., Капустянская Ж.В.,Двадненко М.В.,Чемерис О.Н.,Васильев И.А.[3]

Образование суспензии магнетита путем соосаждения из растворов металлов, покрытие поверхности частиц магнетита адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, подогрев суспензии магнитных частиц с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества, разделение на фракции с извлечением магнитной жидкости. Cоосаждение из растворов металлов проводят путем окисления солей железа (II) солями меди (II), взятых в соотношении 1:0,6, в качестве стабилизурующего вещества используют смесь олеиновой кислоты и олеата натрия, взятых в соотношении 4:1, и вводят жидкость-носитель после подогрева суспензии магнитных частиц с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества

Удешевленный процесс за счёт использования в качестве одного из материалов раствора сульфата меди (II), однако сам процесс является долгим

СтивПапелл[4]

Для создания ферромагнитной жидкости Папелл приготовил коллоидную систему из мельчайших ферромагнитных частиц (частиц измельченного до состояния пудры магнетита), взвешенных в смеси из поверхностно-активного вещества (олеиновой кислоты) и органического растворителя (керосина).

Отсутствие осадка, теплопроводность, быстрое восстановление формы, однако необходимо постоянное магнитное поле

Демидов А.И., Полатайко И.А.

[5]

Способ получения ферромагнитной жидкости путем растворения в воде солей железа (II) и (III), с последующей фильтрацией образующегося раствора, смешения его с водным раствором аммиака при интенсивном перемешивании, разделения образовавшейся смеси на твердую и жидкую фазы, многократной промывки твердой фазы водой до рН 7, обработки твердой фазы раствором стабилизатора при перемешивании, отстаивания суспензии, разделения жидкой и твердой фаз с помощью магнита, отличающийся тем, что в качестве солей железа (II) и (III) берут соль Мора и железоаммонийные квасцы, которые покапельно смешивают с раствором аммиака, а в качестве стабилизатора используют раствор маннитола в воде.

Сложность контроля размера частиц, склонность к агрегации

Грабовский Ю.П., Лисин А.В.[6]

Способ включает получение высокодисперсных частиц магнетита методом химического соосаждения, стабилизацию полученных частиц магнетита, последующее диспергирование стабилизированных частиц магнетита в низкомолекулярном спирте C1-С3 или ацетоне. Стабилизацию частиц магнетита осуществляют добавлением дикарбоновой кислоты к частицам магнетита, постепенным нагревом полученной суспензии до температуры 40-90°С при перемешивании для взаимодействия частиц магнетита с дикарбоновой кислотой, с промывкой суспензии последовательно водой и ацетоном, сушкой суспензии и добавлением спирта к полученному осадку, после чего осуществляют диспергирование стабилизированных частиц магнетита. В качестве кислоты используют терефталевую или адипиновую или другие высокомолекулярные дикарбоновые кислоты с числом углеродных атомов C6 -C12, а для стабилизации частиц магнетита используют спирты с числом углеродных атомов C6-C12

Высокая устойчивость в неоднородном магнитном поле

Шмелева Л.А., Королев В.В., Дюповкин Н.И., СавинаЛ.Н., Жбанов М.В.[7]

Осаждение высокодисперсного магнетита осуществляется в щелочной среде из водных растворов солей железа с последующей пептизацией в растворе олеиновой кислоты при повышенной температуре под вакуумом.

Нет широкого спектра устойчивости к температурам, окислительная способность

Анализ исследований показал, что основным компонентом ферромагнитной жидкости является магнетит, который получают методом его осаждения в щелочной среде и последующая стабилизация с помощью ПАВ. Поверхностно-активные вещества образуют оболочку вокруг частиц, что приводит к их устойчивости.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Основные этапы синтеза ферромагнитной жидкости

Основные этапы проведения эксперимента по синтезу ферромагнитной жидкости представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема основных этапов синтеза ферромагнитной жидкости

На первом этапе для синтеза магнетита были приготовлены 1,0М растворы хлорида железа (III) и сульфата железа(II). Смешали 100 мл раствора хлорида железа (III) и 50 мл сульфата железа(II) – соотношение объемов 2:1.

Анализ литературы показал, что осаждение можно проводить растворами гидроксида натрия [8] и гидроксида аммония[9]. С целью определения лучшего осадителя, была проведения серия экспериментов 1 – осадитель гидроксид натрия, и серия экспериментов 2 – гидроксид аммония.

В первой серии в химический стакан добавляли порциями 1М раствор гидроксида натрия до рН = 10-11.рН определяли с помощью универсальной индикаторной бумаги.

Во второй серии экспериментов в качестве осадителя использовали – 25% раствор аммиака, также добавляли по каплям до рН 10.

При добавлении осадителя начинается образование черного магнетита (Fe₃O₄) из раствора. В щелочной среде магнетит будет осаждаться согласно реакции:

2FeCl3 + FeSO4 + 8NH4OH → Fe3O4 + 6NH4Cl + (NH4)2SO4 + 4H2O [9]

Сокращенное ионное уравнение:

2Fe3++Fe2++8OH−→ Fe3​O4 + 4H2​O

Перед стабилизацией раствор немного нагрели до 60оС. Стабилизацию проводили раствором полиэтиленгликоля.

Рисунок 2- Проведение эксперимента

Ферромагнитаная жидкость можно увидеть на рисунке 3 (эксперимент 2).

Рисунок 3– Ферромагнитная жидкость, полученная в результате эксперимента второй серии с гидроксидом аммония

Ферромагнитная жидкость в экспериментах серии 1 и 2 представляла собой черную вязкую массу. Визуальных отличительных особенностей не имела.

2.2 Методы исследования ферромагнитной жидкости

Для проверки ферромагнитной жидкости можно использовать несколько методов.

Первый опыт был связан с изучением магнитных свойств жидкости.

Под действием внешнего магнитного поля такая жидкость будет изменять свою форму и двигаться, создавая визуальный эффект магнитных потоков.

В своем эксперименте мы использовали магнит, который подносили к полученной ферромагнитной жидкости. Жидкость отклонялась по направлению к магниту (рисунок 4).

(а) (б)

Рисунок 4 – Проведение эксперимента на определение магнитных свойств

(а-осадитель гидроксид натрия, б - гидроксид аммония)

Кроме это, использовали метод капиллярного поднятия. К капилляру с жидкостью подносили магнит и жидкость начинала подниматься.

Это свидетельствует о наличии магнитных свойств полученной жидкости.

Далее был проведен опыт на определение оптических свойств магнитной жидкости (рисунок 5). Направляли луч света на магнитную жидкость и наблюдали рассеивание.

Рисунок 5 – Опыт по определению оптических свойств (осадитель –гидроксид аммония)

Свет рассеивается на частицах и ферромагнитная жидкость светится под лазерным лучом.

Оптические свойства ферромагнитной жидкости зависят от физических характеристик частиц. Размер частиц меняет интенсивность частиц, чем меньше частицы, тем сильнее рассеивание. Большие частицы, наоборот, приводят к слабому рассеиванию, жидкость выглядит темнее и менее прозрачна. Важным фактором является также концентрация. Чем выше концентрация, тем темнее жидкость и больше рассеивание.

В случае с гидроксидом аммония, на наш взгляд, рассеивание было немного лучше, что свидетельствует об образовании более мелких частиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в нашей работе, мы получили ферромагнитную жидкость. В основу получения полужен метод осаждения магнетита в щелочной среде и стабилизация ПАВ. Осаждение осуществлялось растворами сильного и слабого основания. Гидроксид натрия приводит к более быстрому осаждению и образуются немного более крупные частицы, в то время как гидроксид аммония, осаждает более медленно и образуются более мелкие частицы, что доказывает эксперимент с рассеиванием.

В ходе эксперимента проведено исследование магнитных и оптических свойств полученной жидкости.

Ферромагнитные жидкости обладают выраженными магнитными и оптическими свойствами и могут быть использованы в зависимости от своих свойств в различных областях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Веклич А. В., Ерушевич Д. А., Борисов Р. А., Рачек В. Б. Получение и применение ферромагнитной жидкости // Евразийский научный журнал. - 2020. - № 5. - С. 275–277.

  2. Топоров А.В.Ферромагнитная жидкость. Как была придумана и где используется. Электронный ресурс.- Режим доступа:https://portal.edufire37.ru/articles/50?utm_source=chatgpt.com

  3. Боковикова Т.Н., Степаненко С.В., Капустянская Ж.В., Двадненко М.В., Марченко Л.А., Привалова Н.М., Ефименко С.А.Способ получения магнитной жидкости: патент РФ№ 2339106 С2. -Заявл. 25.12.2006; Опубл. 20.11.2008.

  4. Папелл С. История создания ферромагнитной жидкости / S. Papell // Магнитные жидкости и их применение. - Режим доступа: https://savchenkoyana.github.io/posts/physics/ferrofluid/

  5. Демидов А.И., Полатайко И.А. Способ получения ферромагнитной жидкости: патент РФ № 2 586 965 C1. - Опубл. 10.06.2016.

6. Грабовский Ю.П., Лисин А.В. - Способ получения магнитной жидкости..Патент РФ № 2394295 С1.Заявка: 24.06.2008; Опубл.: 10.07.2010.

7.Королев В.В., Дюповкин Н.И., Савина Л.Н., Шмелёва Л.А., Жбанов М.В.Способ получения ферромагнитной жидкости — Патент РФ № 5047739/02; заявл. 01.04.1992; опублик. 30.11.1994. — патент описывает способ синтеза ферромагнитной жидкости (феррофлюида) с устойчивыми магнитными частицами.

8.Новопашин С.А., Серебрякова М.А., Хмель С.Я. Методы синтеза магнитных жидкостей (обзор) // Теплофизика и аэромеханика. -2015. - Т. 22, № 4. -С. 45–58.

9.Синявский С.В., Прядко А. Синтез наночастиц магнетита методом совместного осаждения и исследование влияния реакционной среды на их магнитные свойства // Материалы XVIII Международной конференции студентов,аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» ТПУ.2021.— С. 310-312. Режим доступа: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/68254/1/conference_tpu-2021-C21_V1_p310-312.pdf

Просмотров работы: 6