Спосіб отримання магнітної нанодисперсії

Корисна модель відноситься до області нанотехнологій і може бути використана для отримання магніточутливої рідини для технічного і медичного застосування. Проблема отримання магнітних рідин з високою і контрольованою стабільністю полягає в тому, що необхідно стабілізувати дисперсний магнітний носій з високими магнітними характеристиками безпосередньо в рідині. Наночастинки (від 1-2 до 30-100 нм) є особливим станом, який відрізняється тим, що кількість поверхневих атомів порівнянна з кількістю атомів усередині частинки. Це обумовлює високу хімічну активність таких частинок і їх особливі фізичні властивості. Зокрема, наночастинки магнітних металів і сплавів, будучи однодоменними, володіють високою намагніченістю і магнітною анізотропією і у ряді випадків можуть володіти високою коерцитивною силою і зберігати магнітні властивості до високих температур. Займаючи проміжне положення між молекулами і звичайними дисперсними системами (з розміром частинок від декількох мікрон до долей мікрону), наночастинки можуть легко стабілізуватися як в рідкій, так і в газовій фазах. Для їх підтримки в цих фазах зазвичай в якості потенційних лігандів використовують речовини, що є активними стабілізаторами. Відомі способи отримання магнітних рідин [див. Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник. Под ред. Г.С. Самойловича. - М.: Машиностроение, 1976, 456 с.; Магнитные жидкости. Б.М. Берковский, В. Медведев, М.С. Краков. - М.: Химия, 1989, 240 с.]] Недоліком відомих способів отримання магнітних рідин є складна і тривала технологія, велика кількість необхідних компонентів і хімічних реактивів. Відомий спосіб отримання магнітних рідин, заснований на змішуванні магнетиту, гасу, олеїнової кислоти і мінерального масла в певних пропорціях [Авторское свидетельство СССР № 1633348; кл. 5 G01N 27/84, 5 G01N 27/85, 1991]. Недоліком відомого способу отримання магнітних рідин є необхідність проведення диспергування і застосування великої кількості компонентів. Відомий спосіб отримання магнітної нанодисперсії, заснований на змішуванні піноутворювача і наночастинок магнітного матеріалу, стабілізованих молекулами поверхнево-активної речовини, при цьому в якості магнітного матеріалу використовують наночастинки фериту барію або магнітотвердих складів типу Nd-Fe-B, Sm-Co, Sm-Fe з розміром частинок 2-30 нм в кількості від 2 до 30 ваг. % [Патент России № 2182579. МАГНИТНЫЕ ПЕНЫ. МПК 7 C08J9/00, С09К3/32. Опубл. 2002.05.20]. Недоліком відомого способу отримання магнітної нанодисперсії є застосування великої кількості компонентів. Відомий спосіб отримання магнітної нанодисперсії, заснований на змішуванні водного або органічного розчину олігомерів, здатних до подальшої полімеризації, поліконденсації, різних цільових добавок (ініціаторів, каталізаторів), піноутворюючих речовин, наночастинок магнітного матеріалу (Fe, CO, Ni, магнітний окисел заліза Fе3О4, Y-Fе2О3) з розміром не більше 40 нм, поверхнево-активних речовин. Пористі стінки такої отриманої пінистої маси містять частинки магнітного матеріалу, стабілізовані поверхнево-активною речовиною [Патент DD № 299469, МПК 3 08 J 9/00, 23.04.92]. Недоліком відомого способу отримання магнітної нанодисперсії є застосування великої кількості компонентів. Відомий спосіб отримання магнітної нанодисперсії, заснований на утворенні плівки оксиду на поверхні частинок магнітного металу, відновлення частинок вихідного оксиду для отримання частинок магнітного металу, змішуванні частинок магнітного металу з розчинником, в якому частинки магнітного металу мають середній діаметр частинок від 5 до 20 нм, а плівка оксиду має товщину від 0,01 до 2 нм [Евразийский патент ЕА 001645В 1. МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ. МПК [7] Н01F 1/28; [7] H01F 1/34. Опубл. 25.06.2001]. Недоліком відомого способу отримання магнітної нанодисперсії є складна і тривала технологія її отримання. Відомий спосіб отримання магнітної рідини, заснований на змішуванні між собою компонентів і нагрівання суміші, при цьому в якості магніточутливих елементів використовується дрібнодисперсний ферит марки "НМС", отриманий шляхом механічного дроблення з помелом частинок 10-3 мм, які в об'ємі 2-3 % поміщаються в середу трансформаторного масла 10-15 % від загального об'єму. Отримана маса ретельно перемішується з додаванням дизельного палива марки "А" до повного об'єму, а нагрівання її проводять до температури 30-35°С [Патент России № 2313085. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ. МПК G01N 27/84 (2006.01). Опубл. 2007.12.20]. Недоліком відомого способу отримання магнітної рідини є використання токсичних речовин і застосування великої кількості компонентів. Відомий спосіб отримання магнітної нанодисперсії, заснований на рівномірному розподілі в полімерній матриці магнітоупорядкованих однодоменних наночастинок, що формуються в матриці в процесі виготовлення матеріалу і мають хімічний зв'язок з матеріалом матриці. Магнітні наночастинки містять 3d перехідні метали Fe, Co, Ni, Mn, Cr, рідкоземельні метали (підгрупа лантану), їх оксиди або комбінації вказаних металів або оксидів, а також вуглець, азот, кремній, германій і бор, а розмір наночастинок може лежати в діапазоні від 1 до 30 нм [Заявка России № 2001134194. Магнитный полимерный материал для радиотехнических изделий. МПК 7 H01F10/00. Опубл. 2003.07.27]. Недоліком відомого способу отримання магнітної нанодисперсії є застосування великої кількості компонентів, а також вузька область застосування отриманої нанодисперсії. Найбільш близьким до того, що заявляється, є спосіб отримання магнітної нанодисперсії шляхом змішування води і магнітних наночастинок, диспергованих і стабілізованих в ній, в якій магнітні наночастинки складаються з магнітних ядерних частинок з розмірами від 3 до 300 нм і оболонки загальної формули М[Ар, С, Bq], де М є магнітними ядерними частинками, А є реакційними групами, В є біологічно активними групами, і С є циклодекстринами, що складаються з 1,4-зв'язаних одиниць глюкози (С6Н7O5)m[(3Н)m-(р+q)], де m = від 6 до 12, р є кількістю груп А, рівне від 1 до 3m, і q є кількістю груп В, рівне 3m-р [Заявка России № 2004111602. МАГНИТНАЯ НАНОДИСПЕРСИЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ЦИКЛОДЕКСТРИНЫ, И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ. МПК 7 С09С1/00. Опубл. 2005.10.20]. Недоліком відомого способу отримання магнітної нанодисперсії є складність технології, а також низька екологічна чистота отриманої магнітної нанодисперсії, оскільки в оболонках наночастинок в якості речовинистабілізатора містяться реакційні групи, біологічно активні групи і циклодекстрини. Це звужує область застосування отриманої нанодисперсії. В основу корисної моделі поставлена задача спрощення технології отримання магнітної нанодисперсії, підвищення ефективності способу за рахунок екологічної чистоти нанодисперсії і розширення області її застосування. Запропонований, як і відомий спосіб отримання магнітної нанодисперсії полягає в тому, що змішують між собою воду і магнітні наночастинки з розмірами від 3 нм до 300 нм, а матеріалом магнітних наночастинок є 3d перехідні метали Fe, Co, Ni, Mn, Cr, і, відповідно до цієї пропозиції, магнітні наночастинки електризують, гідратують молекулами води шляхом утворення наногідратних оболонок навколо магнітних наночастинок, при цьому магнітні наночастинки отримують диспергуванням гранул перехідних металів Fe, Co, Ni, Mn, Cr імпульсами електричного струму у воді. Електризація магнітних наночастинок створює умови для їх гідратування диполями води, що забезпечує стійкість нанодисперсії без додаткових речовин-стабілізаторів. Це підвищує екологічну чистоту способу. Магнітні наночастинки гідратують молекулами води шляхом утворення наногідратих оболонок навколо магнітних наночастинок. Гідратування здійснюють за допомогою створення навколо наночастинок наногідратних оболонок в процесі диспергування металевих гранул імпульсами електричного струму. Відомо, що гідратовані наночастинки володіють рядом переваг в порівнянні з неорганічними солями: вони менш токсичні, стійкі у всьому діапазоні рН, легко розчинні у воді [див. Арсентьева И.П. Использование биологических активных препаратов на основе наночастиц металлов в медицине и сельском хозяйстве. Доклад на совещании: «Индустрия наносистем и материалы: оценка нынешнего состояния и перспективы развития». Москва, Центр «Открытая экономика». Опубл. 07.02.2006]. Оскільки міцели нанодисперсії утворені електрично зарядженими магнітними наночастинками, які гідратовані полярними молекулами води, то нанодисперсія стає стійкою за рахунок дії кулонівських сил. У зв'язку з цим відпадає необхідність застосування спеціальних речовин-стабілізаторів, що спрощує отримання нанодисперсії і підвищує її екологічну чистоту. Магнітні наночастинки отримують диспергуванням гранул перехідних металів Fe, Co, Ni, Mn, Cr імпульсами електричного струму у воді. Це дозволяє отримувати магнітну нанодисперсію в одностадійному процесі, що спрощує технологію отримання магнітної нанодисперсії. Магнітну нанодисперсію отримують таким чином. Здійснюють диспергування гранул перехідних металів Fe, Co, Ni, Mn, Cr імпульсами електричного струму у воді [див. Патент України на корисну модель№ 23550. Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів. МПК B22F 9/14. Опубл.25.05.2007. Бюл. № 7]. При проходженні через ланцюжки металевих гранул імпульсів електричного струму, в яких енергія імпульсів перевищує енергію сублімації випарованого металу, в точках контактів металевих гранул одна з одною виникають іскрові розряди, в яких здійснюється вибухоподібне диспергування металу. Ділянки поверхні металевих гранул в зонах іскрових розрядів плавляться і вибухоподібно руйнуються на найдрібніші нанокраплі і пару. Розплавлені нанокраплі металу, знаходячись у вільному польоті, набувають сферичної форми. Продукти руйнування охолоджуються в деіонізованій воді, де здійснюється фіксація сферичної форми наночастинок. У деіонізованій воді накопичуються частинки в зваженому стані, утворюючи нанодисперсію магнітних наночастинок. Оскільки в зоні іскрових розрядів має місце високий градієнт потенціалу, то наночастинки за час знаходження в електричному полі набувають поверхневого електричного заряду. Оскільки молекули води є диполі, то вони за рахунок електростатичного поля обволікають електрично заряджені наночастинки металу, утворюючи наногідратні оболонки навколо магнітних наночастинок. Це призводить до формування гідратованих магнітних наночастинок, що складаються з металевих наночастинок, оточених диполями води. Щільному оточенню наночастинки диполями води сприяє сферична форма наночастинок і рівномірний електричний заряд їх поверхні. За рахунок гідратування металевих наночастинок диполями води магнітна нанодисперсія стає стійкою без додавання спеціальної речовини-стабілізатора. Стійкість магнітній нанодисперсії додають кулонівські сили, що виникають між поверхнею заряджених магнітних наночастинок і диполями води. Це спрощує технологію отримання нанодисперсії. В результаті магнітна нанодисперсія є двофазною системою, що складається з магнітних наночастинок і води і не містить речовин-стабілізаторів, які, як правило, знижують екологічну чистоту продукту.