Магнитные жидкости (МЖ) - это нанодисперсные системы, содер­жащие дисперсные частицы ферромагнетиков, распределенных в высоко­концентрированных растворах ПАВ или полимеров. Такие жидкости бла­годаря высокой устойчивости в сочетании со свойствами ферромагнетика делает перспективными для применения практически во всех отраслях производства. Необычайный интерес такие жидкости представляют в связи с их модифицирующим действием при нанесении на волокна тканей, что придает тканям свойство улавливать электромагнитные излучения. В на­шей работе магнитную жидкость получали по реакции Эльмора:

2FeCl3*6H2O+FeCl2*4H2O+8NaOH = Fe3O4+8NaCl+20H2O

В результате этой реакции образуется нанодисперсный осадок, кото­рый для получения устойчивой дисперсии пептизируют при слабом нагре­вании и перемешивании в присутствии ПАВ или водорастворимых поли­меров. Использование 25 % аммиака, вместо раствора едкого натра, позво­лило получить более мягкие условия для соосаждения солей и проводить реакцию при комнатной температуре. Образующийся же хлорид аммония, при повышении температуры легко разлагается, с удалением газообразно­го аммиака. Характерной особенностью процесса является использование полуторного избытка аммиака. Только тогда происходит полное осажде­ние феррита. В качестве стабилизаторов в нашей работе использовали оле-ат натрия и желатин. Таким образом, были получены два типа магнитной жидкости.

Исследование магнитных частиц методом АСМ

Магнитные частицы, находящиеся в виде взвеси в жидкости, иссле­довали методом атомной силовой микроскопии (АСМ). Образец для ис­следования получали испарением капли дисперсии, помещенной на под­ложку. В качестве подложки использовали химико-механически полиро­ванную пластину Si. Каплю исследуемой магнитной жидкости разбавили 10 мл ацетона (~ в 100 раз) и обработали в течение 4 мин в ультразвуковой установке для превращения конгломератов частиц в отдельные частицы, так как в присутствии ацетона происходила десорбция стабилизатора с по­верхности частиц. После диспергирования получили магнитную жидкость в ацетоне без осадка. Каплю полученной дисперсии, отобранную из сред­ней по высоте части, снова разбавили 10 мл ацетона и обработали ультра­звуком. Каплю разбавленной таким образом дисперсии поместили на под­ложку. Изготовили также контрольный образец подложки, поместив на неё каплю чистого ацетона.

После испарения ацетона с помощью сканирующего мульти-микроскопа СММ-2000 измеряли рельеф образцов в контактном АСМ ре­жиме с кантилевером с радиусом кончика зонда менее 20 нм. Исходная пластина Si имела максимальную высоту рельефа не более 1.5 нм. На кон­трольном образце частиц не наблюдали. На сканах из различных мест об­разца разбавленной ацетоном дисперсии видны частицы (рисунок 1). Пред­ставлен пример трехмерного изображения поверхности и сечения частиц плоскостью, перпендикулярной подложке. По сечениям хорошо определя­ется высота частиц. Наблюдали отдельные частицы высотой ~ 10 нм и не­скольких десятков нм. Крупные частицы, очевидно, представляют собой конгломераты более мелких частиц, лишенных стабилизатора при разбав­лении ацетоном. Превышение ширины частиц над высотой объясняется хо­рошо известным в АСМ микроскопии эффектом завышения ширины про­филя отдельных микрообъектов, поперечные размеры которых сравнимы с радиусом кривизны кончика зонда микроскопа. Высота же частиц практи­чески не искажается. Поэтому за истинный размер частицы можно принять её высоту. Наблюдали частицы с размерами ~ от 8 до 200 нм.

Рисунок 1 - Пример трехмерного изображения частиц на кремниевой под­ложке (а); сечение частицы плоскостью, перпендикулярной подложке, вы­сота частицы 23 нм (б)  

Осаждение частиц на шелковой ткани проводили из разбавленной вод­ной дисперсии. Разбавление проводили до такой концентрации, при которой оптическая плотность, измеренная на приборе КФК-3 не превышала 1. На рисунке 2 показаны фотографии, полученные на АСМ в лаборатории на-нотехнологий МГТУ. Можно видеть, что чистый шелк имеет гладкую по­верхность, лишенную каких-либо выступов, частицы магнитной жидкости осаждаются с формированием периодической коллоидной структуры, при­чем из дисперсии, стабилизированной олеатом натрия формируются структуры сферических частиц, а из дисперсии, стабилизированной поли­мером образуется структура, покрытая пленкой полимера. В последнем случае модификация должна быть более устойчивой к механическим воз­действиям, нежели при использовании олеата натрия. 

Рисунок 2 - АСМ-фотографии частиц магнитной жидкости на поверхности волокон шелка: а- чистый шелк; б - частицы, стабилизированные олеатом на­трия; в - частицы, стабилизированные желатином

В качестве инструмента управления осаждения частиц на поверхно­сти волковн использовали теорию ДЛФО. Для ее применения требовалось определить размер частиц, который взяли из измерений, приведенных вы­ше, электрокинетический потенциал волокон определяли методом потен­циала протекания по методике описанной в работе [1], потенциал частиц определяли методом макроэлектрофореза. Константу Гамакера взяли из работы [2]. Полученные результаты использовали для расчета энергии взаимодействия частиц между собой и с волокнами. На рисунке 3 приведе­ны кривые потенциальной энергии взаимодействия частиц между собой, а на рисунке 4 - с волокнами хлопка.

Проведенные расчеты позволили прогнозировать условия осаждения частиц магнитной жидкости на волокна х/б ткани. В частности для осаж­дения частиц на волокна потребовалось ввести в неё некоторого количест­ва электролита для осуществления процесса гетерокоагуляции на волокна.

1- энергия отталкивания, 2-энергия притяжения, 3 - суммарная энергия взаи­модействия частиц

Рисунок 3 - Потенциальные кривые энергии взаимодействия частиц маг- нитной жидкости

Рисунок 4 - Потенциальные кривые взаимодействия частиц магнитной жидкости с волокнами хлопка (концентрация соли (NaCl) моль/л: 1-10-4 ; 2­10-3; 3-10-2; 4-10-1 моль/л)

На рисунке 5 приведены кинетические кривые осаждения частиц на во­локнах х/б ткани.

Рисунок 5 - Кинетические кривые осаждения частиц на волокнах ткани: рН=6-8, стабилизатор МЖ 1-полимер, 2-олеат натрия.

Из приведенных кривых видно, что первоначально происходит неко­торая десорбция стабилизатора, в результате чего увеличивается средний размер частиц и, соответственно, увеличивается оптическая плотность дисперсии. После частичной десорбции стабилизатора и снижения устой­чивости частиц начинается их осаждение на поверхности волокон, в ре­зультате чего оптическая плотность дисперсии снижается.

Дисперсия магнитных частиц, стабилизированная желатином остает­ся достаточно устойчивой, так что некоторое количество частиц остается в дисперсии, а частицы, стабилизированные олеатом натрия осаждаются практически полностью.  

Литература

1.     Волков В.А, Жиронкин А.Н., Гордеев А.С.. Электроповерхност­ные свойства некоторых волокон // Сб. науч. тр. «Модифицированные во­локна и волокнистые материалы со специальными свойствами». М.: МГТА, 1992. С.118-124.

2.     Байбуртский Ф. С. Коллоидно-химические закономерности взаи­модействия частиц магнитных жидкостей с поверхностями натуральных волокон. Дисс. ... канд. хим. наук. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1999. 150 с.