Журнал физической химии, 2022, T. 96, № 4, стр. 543-546

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Композит магнетита с графеном синтезировали путем соосаждения солей железа (II) и (III) в водной дисперсии графена избытком аммиака при температуре 298 К. В результате получили высокодисперсную суспензию магнетита вместе с частицами композита – магнетит/графен. Полученную суспензию декантировали магнитным полем и многократно промывали дистиллированной водой до удельной проводимости промывных вод 1.77 (мкСм/см) [9]. Соотношение магнетит/графен было выбрано, исходя из разницы в размерах частиц, и составляло 10/1 соответственно. Далее суспензию центрифугировали с целью удаления воды. Графен (восстановленный оксид графена) был предоставлен проф. С.П. Губиным (ИОНХ РАН, Москва).

Магнитную жидкость готовили пептизацией частиц магнетита вместе с композитом магнетит/графен в дисперсионной среде в присутствии ПАВ. В качестве дисперсионной среды был использован диалкилдифенил (Алкарен Д24). Диалкилдифенил был выбран не случайно, он отвечает высоким требованиям практического применения магнитных жидкостей: не токсичен, обладает высокой термической стабильностью, низким давлением паров, низкой вязкостью, хорошими трибологическими характеристиками и устойчив к гидролизу. В качестве ПАВ была выбрана смесь олеиновой кислоты и алкенилянтарного ангидрида [10]. Пептизацию проводили в ультразвуковой ванне при T = 85°C в течение 6–10 ч.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Кристаллическая структура полученного композита была определена рентгенографическим анализом на мультифункциональном дифрактометре D2 PHASER (Bruker, Germany), дифракцией в малых углах 2θ = 3–140°. Было установлено, что пики при 2θ = 18.25, 30.2, 35.6, 43.9, 54.0, 57.90, в соответствии с базой 01-075-9673 для Fe_2.89O_4.51 (рис. 1), относятся к чистому монофазному кристаллическому магнетиту и подтверждают его кристаллическую структуру.

Рис. 1.

Рентгенограмма композита магнетита с графеном.

Рентгенофазовый анализ композита магнетита с графеном показал, что в приготовленном образце присутствует графен (рис. 1). Обнаруженный на рентгенограмме порошка пик при 2θ = = 26.667° в соответствии с DIF 1002.brml (рис. 1), относится к чистому восстановленному оксиду графена [11].

Методом адсорбции инертных газов на автоматическом анализаторе удельной поверхности и размера пор NOVAtouch (Quantachrome, USA) были определены площади удельных поверхностей магнетита, графена и композита магнетит/графен. Было установлено, что добавление графена к магнетиту незначительно увеличивает удельную поверхность образца. Так, S_уд(магнетита) = 108 м²/г, S_уд(композита) = 117 м²/г, S_уд(восстановленного оксида графена) = 70 м²/г. Полученные величины свидетельствуют о развитой поверхности образца композита.

Проведенный анализ синтезированной магнитной жидкости показал, что она обладает большей термической стабильностью, по сравнению с МЖ без добавок графена, не содержит воды и седиментационно устойчива. Термогравиметрический анализ проводили на микротермовесах TG 209 F1 Iris (Netzsch, Germany). На рис. 2 приведена термограмма новой магнитной жидкости, из которой видно, что образец устойчив до 210°С, до этой температуры не наблюдается убыли массы. При температуре 238°С начинается термическая деструкция органических компонентов системы, так например, при 238°С начинается испарение синтетического масла Алкарен Д24 (Т_всп = 240°С, ГОСТ 4333-87), а основное изменение массы происходит при 386.7°С, когда теряется порядка 74% образца, при этой температуре уходит вся органическая составляющая смеси.

Рис. 2.

Термограмма магнитной жидкости с добавкой графена.

Измерение вязкости магнитных жидкостей в отсутствии магнитного поля проводилось на ротационном вискозиметре Rheotest 2.1 (MLW, Germany), с использованием конусо-пластинчатого измерительного устройства в диапазоне скоростей сдвига от 2 до 4860 с^–1. На основании экспериментальных данных была построена реологическая кривая образца магнитной жидкости, которая в условиях сдвигового деформирования подчиняется общим закономерностям, характерным для структурированных систем. То есть с увеличением скорости деформации вязкость МЖ уменьшается в результате разрушения коагуляционной структуры, достигая некоторого наименьшего значения. В результате образуется устойчивая структура. Было установлено, что величина вязкости МЖ с добавкой графена увеличивается по сравнению с вязкостью жидкости приготовленной на основе чистого магнетита с 0.54 Па с [9] до 0.79 Па с. Это закономерно, поскольку добавление твердого компонента с частицами больших размеров (размер чешуйки графена порядка 100 мкм) приводит к увеличению вязкости системы.

Размер частиц композита в составе магнитной жидкости был определен на анализаторе размера частиц Zetasizer nano ZS (Malvern Instruments Ltd, UK), данные приведены в таблице 1. Установлено, что средний размер частиц дисперсной фазы в исследуемой жидкости больше, чем размер частиц магнетита в жидкости сравнения (без добавок графена). Из-за добавки 10% крупных частиц графена величина среднего размера частиц дисперсной фазы увеличилась. Кроме этого в таблице 1 приведены основные физико-химические свойства образца новой магнитной жидкости.

Удельную теплоемкость новой магнитной жидкости измеряли на калориметре DSC 204 F1 Phoenix calorimeter (NETZSCH, Germany) с τ сенсором при температурах 280–380 K (рис. 3).

Рис. 3.

Температурные зависимости удельной теплоемкости новой магнитной жидкости.

В нулевом магнитном поле удельная теплоемкость образца увеличивается от 1.5 до 2.1 (Дж/(г К)) с ростом температуры. Температурная зависимость удельной теплоемкости МЖ на основе композита магнетита с добавкой графена имеет аналогичный характер с магнетитовой магнитной жидкостью, однако, несмотря на небольшое количество графена в МЖ значения ее теплоемкости выше на 13% в исследуемом диапазоне температур.

Таким образом, получен устойчивый образец магнетитовой магнитной жидкости. В качестве добавки к магнитной фазе впервые был использован композит магнетита с восстановленным оксидом графена. Проведено изучение закономерностей изменения свойств новой магнитной жидкости. Изучена удельная поверхность и определен размер частиц магнитной фазы. Исследованы физико-химические свойства магнитной жидкости. Определены: плотность, вязкость, намагниченность насыщения, удельная теплоемкость, проведен термогравиметрический анализ. На основании полученных данных было установлено, что небольшая добавка графена в процессе синтеза магнетита оказывает влияние на удельную поверхность магнитной фазы, термостабильность, вязкость и теплоемкость магнитной жидкости.