DE3806657A1

DE3806657A1 - Ferrofluid-zusammensetzungen

Info

Publication number: DE3806657A1
Application number: DE3806657A
Authority: DE
Inventors: Toshikazu Yabe; Atsushi Yokouchi
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1987-03-03
Filing date: 1988-03-02
Publication date: 1988-09-29
Also published as: US5085789A; DE3806657C2; JPH0727813B2; JPS6427207A

Description

Die Erfindung betrifft ferromagnetische Fluide, die im allgemeinen Ferrofluid-Zusammensetzungen genannt werden und bei denen feine Teilchen aus ferromagnetischem Material in sehr stabiler Weise dispergiert sind, und insbesondere solche, die einen niedrigen Dampfdruck sowie eine niedrige Viskosität aufweisen und sich zur Verwendung in unter Vakuum stehenden Abdichtungen eignen.

Herkömmliche Ferrofluide für Vakuumabdichtungen sind zwei Arten von Ferrofluiden, von denen die eine Polyphenyletheröl als flüssigen Träger zum Dispergieren der ferromagnetischen Teilchen verwendet, wie aus US-PS 43 15 827 bekannt, und die andere Alkylnaphthalinöl als flüssigen Träger enthält, wie aus der japanischen Offen legungsschrift Sho 59(1984)-168097 bekannt.

Wenngleich die Ferrofluide der zuerstgenannten Art wegen ihres Gehaltes an Polyphenyletheröl als flüssigem Träger für Abdichtungen unter Ultrahochvakuum geeignet sind, da die Polyphenyletheröle einen sehr niedrigen Dampfdruck von weniger als 10^-7 Torr aufweisen, besitzen sie ungünstigerweise eine hohe Viskosität, da die Vis kosität von Polyphenyletheröl bei 40°C 120 cst beträgt, was zu einem hohen Drehmoment (torque) führt, wenn das Ferrofluid für eine rotierende Welle verwendet wird, und auf diese Weise innerhalb des Ferrofluids selbst oder an den Maschinenteilen oder -komponenten, die mit dem Ferrofluid in Berührung stehen, die Bildung von Reibungswärme verursacht und dadurch die Abdichtung der in Rede stehen den Maschinenteile vermindert.

Wenn andererseits bei der anderen Art von Ferrofluiden Alkylnaphthalinöl als Träger verwendet wird, gibt es mit der Viskosität keine Schwierigkeiten, jedoch treten die weiter unten näher erläuterten Schwierigkeiten auf, die sich von der Tatsache ableiten, daß bei diesen Ferrofluiden Petroleumsulfonsäure als oberflächen aktives Mittel zum Dispergieren der feinen ferromagnetischen Teilchen in dem Träger verwendet werden.

Insbesondere besitzt Petroleumsulfonsäure Anteile an hydrophoben Gruppen, von denen einige eine sehr gerin ge Affinität zu dem Alkylnaphthalinöl als Träger auf weisen. Feine Teilchen aus ferromagnetischem Material, die die genannten Anteile mit geringer Affinität adsor biert enthalten, lassen sich daher nur schlecht in Dis persion halten und fallen leicht aus oder setzen sich innerhalb des Trägers ab; dadurch wird die Ausbeute bei der Herstellung verringert, und es wird unmöglich, ein Ferrofluid mit hoher Konzentration zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung der oben genannten Schwierigkeiten.

Gegenstand der Erfindung ist eine Ferrofluid-Zusammensetzung, enthaltend
Feinteilchen aus ferromagnetischem Material;
einen flüssigen Träger aus Alkylpolyphenyletheröl
und bzw. oder Alkylnaphthalinöl sowie ein oberflächenaktives Mittel, dessen hydrophober Anteil eine Struktur besitzt, die der des flüssigen Trägers äquivalent ist, wodurch die Teilchen aus ferromagnetischem Material in dem flüssigen Träger feinver teilt werden.

Da somit gemäß der Erfindung Träger zum Dispergieren der ferromagnetischen Teilchen verwendet werden, die wie Alkylpolyphenyletheröl und Alkylnaphthalinöl oder ein Gemisch daraus eine geringe Viskosität aufweisen, ist das auf diese Weise erhaltene Ferrofluid dazu in der Lage, die Entstehung von Reibungswärme an einer rotierenden Welle zu vermeiden.

Die Viskosität des Ferrofluids gemäß der Erfindung kann entsprechend den Bedingungen der beabsichtigten Verwendung durch Abmischen der beiden erwähnten Träger in geeignetem Mengenverhältnis eingestellt werden. Da das oberflächenaktive oder die oberflächenaktiven Mittel, die als Dispergiermittel gemäß der Erfindung verwendet werden an dem hydrophoben Anteil eine chemische Struktur aufweisen, die derjenigen des Trägers äquivalent ist, besitzen das oberflächenaktive bzw. die oberflächen aktiven Mittel eine starke chemische Affinität zu dem mit ihm bzw. ihnen zusammen zu verwendenden Träger, wodurch die Dispersion der feinen Teilchen aus ferromagnetischem Material gut stabilisiert werden kann.

Die Träger gemäß der Erfindung sind aus syntheti schen Ölen zusammengesetzt, die eine niedrige Viskosität, einen niedrigen Dampfdruck und einen niedrigen Stockpunkt aufweisen. Insbesondere werden als Träger entweder ein Alkylpolyphenyletheröl oder ein Alkylnaphthalinöl oder beide gemeinsam verwendet wie in der folgenden Tabelle I dargestellt ist.

Tabelle I

In der obigen Tabelle I bedeutet (AP) Alkylpolyphenyletheröl, (AN) Alkylnaphthalinöl und (PE) Polyphenyletheröl, das zum Vergleich angegeben ist.

Gemäß der Erfindung werden als Träger entweder ein Alkylpolyphenyletheröl oder Alkylnaphthalinöl allein oder ein Gemisch zweier synthetischer Öle ver wendet, je nachdem, unter welchen Bedingungen die Ferrofluid-Zusammensetzung gemäß der Erfindung einge setzt werden soll.

Das oberflächenaktive oder die oberflächenaktiven Mittel, das bzw. die gemäß der Erfindung verwendet werden, besitzt bzw. besitzen in seiner bzw. ihrer Struktur sowohl einen Anteil aus unpolaren hydrophoben Gruppen als auch einen Anteil aus polaren hydrophilen Gruppen, so daß ein solches oberflächenaktives Mittel als geeignet ausgewählt werden kann, das an seinem Anteil mit hydrophoben Gruppen eine Struktur besitzt, die derjenigen des zu verwendenden Trägers äquivalent ist.

Mit anderen Worten, falls ein Alkylphenylether als Träger ausgewählt wird, ist ein geeignetes oberflächen aktives Mittel ein solches, das eine Alkylpolyphenyl struktur aufweist, wie beispielsweise ein Natriumsalz von sulfoniertem Octadecyldiphenylether, während in dem Falle, in dem ein Alkylnaphthalin als Träger verwendet wird, ein oberflächenaktives Mittel mit einer Alkylnaphthalin struktur geeignet ist, wie beispielsweise ein Natriumsalz von sulfoniertem Eicosylnaphthalin.

Falls ein Gemisch aus Alkylpolyphenyletheröl und Alkylnaphthalinöl als Träger verwendet wird, ist das zweckmäßigerweise zu verwendende oberflächenaktive Mittel ebenfalls ein Gemisch aus Materialien, von denen jedes die hydrophobe Struktur der entsprechenden Träger komponente aufweist.

Was den Anteil an hydrophilen Gruppen des oberflächenaktiven Mittels betrifft, so ist es erforder lich, das Molekül des oberflächenaktiven Mittels fest auf die Oberfläche der ferromagnetischen Teilchen zu adsorbieren. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß man derartige oberflächenaktive Mittel auswählt, die je nach der elektrischen Oberflächenladung der ferromagnetischen Teilchen einen Molekülteil mit einer solchen elektrischen Ladung aufweisen, mit der sie an die ferromagnetischen Teilchen elektrisch gebunden werden können, beispielsweise eine Säuregruppe, Basengruppe oder Sulfo natgruppe, Sulfatestergruppe, Phosphatestergruppe, Carboxylgruppe, Alkoholgruppe, Aminogruppe oder der gleichen.

Ferromagnetische Teilchen, die sich für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eignen, können sol che sein, wie sie als kolloidale Suspensionen nach einem bekannten Naßverfahren hergestellt werden können; alternativ können sie auch durch eine sogenannte nasse Pulverisierungsmethode hergestellt werden, bei der Magnetit-Teilchen in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel in einer Kugelmühle pulverisiert werden; sie können aber auch auf andere Art und Weise, wie beispielsweise nach Trockenverfahren hergestellt werden.

Es ist auch möglich, ferromagnetische Teilchen anderer Art als Magnetit zu verwenden, beispielsweise solche aus Manganferrit, Nickelferrit, Cobaltferrit, Zusammensetzungen aus diesen Ferriten mit Zink- oder Bariumferrit oder schließlich auch feine Teilchen aus Metall, wie Eisen oder Cobalt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

1 l einer wäßrigen Lösung, die 1 mol Eisen(II)- Sulfat und 1 mol Eisen(III)-Sulfat enthielt, wurde mit 6N Natronlauge versetzt, bis der pH-Wert der Lösung 11 betrug, wonach die Lösung 30 min bei 60°C gealtert wurde und man eine Aufschlämmung aus kolloidalem Magnetit erhielt. Danach wurde die Aufschlämmung mit Wasser von Raumtemperatur gewaschen und der erhaltene Elektrolyt vollständig von der Aufschlämmung abge trennt. Bei diesem Verfahren handelt es sich um die Herstellung von feinen Magnetit-Teilchen nach einem Naßverfahren.

Danach wurden 14 g des Natriumsalzes von sulfo niertem Octadecyldiphenylether der Formel

als oberflächenaktives Mittel der erhaltenen Magnetit aufschlämmung zugesetzt.

Danach wurde die Aufschlämmung mit 3N HCl versetzt, um den pH-Wert der Aufschlämmung auf 3 einzustellen, wonach die Aufschlämmung 30 min lang bei 60°C gerührt wurde, wodurch die Adsorption des oberflächenaktiven Mittels an die Oberfläche der feinen Magnetit-Teilchen bewirkt wurde. Die auf diese Weise behandelte Aufschlämmung wurde stehengelassen, so daß sich die feinen Magnetit-Teilchen koagulieren und absetzen konnten, während die überstehende Lösung dekantiert wurde. Danach wurde eine geeignete Menge Wasser zugesetzt und das Ganze erneut geschüttelt, stehengelassen und erneut dekantiert. Ein derartiges Waschen mit Wasser wurde mehrmals wieder holt, bis der Elektrolyt in der Lösung vollständig ent fernt war, wonach die Lösung filtriert, entwässert und getrocknet wurde und man Magnetit-Teilchen der ge wünschten Größe und Eigenschaften erhielt.

Danach wurden die Magnetit-Teilchen unter ausrei chendem Rühren mit einer geeigneten Menge Hexan versetzt, so daß die Magnetit-Teilchen in der Flüssigkeit disper giert wurden, wonach die Dispersion in einen Zentrifugal separator überführt wurde, um Magnetit-Teilchen von un annehmbar großem Durchmesser durch Zentrifugieren bei 8000 G während 30 min abzutrennen. Das von den übergroßen Teilchen befreite Material wurde danach mit 15 g Octa decyldiphenylether-Öl der Formel

als Träger versetzt, wonach das Ganze hinreichend ver mischt und anschließend in einen Umlaufverdampfer über führt wurde, in dem bei 90°C das noch vorhandene Hexan abgedampft wurde.

Nach dem Abdampfen des Hexans wurde die Lösung 30 min lang bei 5000 G zentrifugiert und dadurch von nicht dispergiert gebliebenen festen Teilchen vollstän dig befreit. Das erhaltene Ferrofluid erwies sich als sehr stabil und wies eine Sättigungsmagnetisierung von etwa 180 Gauss auf.

Beispiel 2

Eine Magnetitaufschlämmung wurde nach dem Naß verfahren ähnlich Beispiel 1 erhalten, wonach die Auf schlämmung filtriert, entgast und bei 70°C getrocknet wurde, so daß man ein Magnetitpulver erhielt. 5 g dieses Pulvers wurden danach mit 1,5 g des Natriumsalzes von sulfoniertem Hexadecyltetraphenylether der Formel

als oberflächenaktivem Mittel versetzt, wonach das Ge misch 2 h lang in einer Kugelmühle vermahlen und pulve risiert wurde.

Danach wurde das auf diese Weise behandelte Gemisch in einen Zentrifugalseperator überführt, wo es 30 min lang einer Zentrifugalkraft von 800 G unterworfen und da durch von Magnetit-Teilchen von größerem Teilchendurch messer befreit wurde. Danach wurden 5 g Octadecyldiphenylether zugesetzt und voll mit dem Gemisch ver mischt, und das erhaltene Ferrofluid erwies sich als sehr stabil wie jenes, das gemäß Beispiel 1 erhalten worden war.

Beispiel 3

Ein sehr stabiles Ferrofluid wurde erhalten, indem man 15 g Eicosylnaphthalin der Formel

als Träger und 25 g des Natriumsalzes von sulfoniertem Eicosylnaphthalin der Formel

als oberflächenaktivem Mittel verwendete und das Gemisch aus diesen Komponenten in gleicher Weise behandelte, wie in Beispiel 1 beschrieben.

Beispiel 4

Ein sehr stabiles Ferrofluid wurde erhalten, indem man unter Anwendung der gleichen Verfahrensweise, wie in Beispiel 2 beschrieben, 5 g Träger aus Eicosylnaphthalin und 2,25 g oberflächenaktives Mittel aus sulfoniertem Eicosylnaphthalin der Formel

einsetzte.

Beispiel 5

Es wurde ein Vergleichsversuch durchgeführt, um den Unterschied zwischen der Lebensdauer der Ferrofluid-Zusammensetzung gemäß der Erfindung und derjenigen des Standes der Technik zu ermitteln.

Hierzu wurde eine Ferrofluid-Zusammensetzung des Standes der Technik hergestellt, indem man 5 g Eicosylnaphthalin als Träger und 2,25 g des Natriumsalzes von Petroleumsulfonsäure vermischte und in derselben Weise behandelte, wie in Beispiel 2 beschrieben.

Je 10 µl des so erhaltenen Ferrofluids sowie des gemäß Beispiel 4 erhaltenen Ferrofluids wurden auf einem Objektträger auf ein Stück aus einem gesinterten Magneten gestellt. Diese Proben wurden auf 100°C erhitzt, um die Zeit festzustellen, bis zu der sich jede Probe verfestigt hatte oder viscos geworden war. Diese Zeit wurde als Maß für die thermische Stabilität genommen, nämlich die Lebensdauer der jeweiligen Probe.

Zwischen den beiden verglichenen Ferrofluiden wurde ein klarer Unterschied festgestellt, wie sich aus der folgenden Tabelle II ergibt.

Tabelle II

Beispiel 6

Ein sehr stabiles Ferrofluid wurde erhalten, indem man nach dem Verfahren gemäß Beispiel 2 5 g Eicosylnaphthalin als Träger und 2,25 g eines oberflächenaktiven Mittels der Formel

verwendete.

Beispiel 7

verwendete.

Aufgrund der Tatsache, daß die Ferrofluide gemäß der Erfindung einen Träger enthalten, der aus einem Alkylpolyphenylether-Öl oder einem Alkylnaphthalin-Öl besteht, die beide eine niedrige Viskosität aufweisen, sowie ein Dispergiermittel enthalten, das an seinem An teil mit hydrophoben Gruppen eine Struktur aufweist, die der des erwähnten Trägers äquivalent ist, ist das er haltene Ferrofluid in der Lage, eine Verschlechterung der Abdichtung, die durch Temperaturerhöhung aufgrund von Reibungswärme bei der Verwendung hervorgerufen wird, zu verhindern. Außerdem können Ferrofluide mit hoher thermischer Stabilität sowie ausgezeichneten Dispergier eigenschaften in hoher Ausbeute erhalten werden.

Claims

1. Ferrofluid-Zusammensetzung, enthaltend Feinteilchen aus ferromagnetischem Material, einen flüssigen Trägr aus einem Alkylpolyphenyl etheröl und bzw. oder Alkylnaphthalinöl sowie ein oberflächenaktives Mittel, dessen hydrophober Anteil eine Struktur aufweist, die derjenigen des flüs sigen Trägers äquivalent ist, wodurch die Teilchen aus ferromagnetischem Material in dem flüssigen Träger fein verteilt werden.

2. Ferrofluid-Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Träger Octadecylphenylether-Öl oder Hexadecyltetraphenylether-Öl und das oberflächenaktive Mittel ein Natriumsalz von sulfoniertem Octadecalphenylether ist.

3. Ferrofluid-Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Träger Eicosylnaphthalin und das ober flächenaktive Mittel sulfoniertes Eicosylnaphthalin, ein Natriumsalz von sulfoniertem Eicosylnaphthalin, ein Dispergiermittel der Formel oder ein Dispergiermittel der Formel ist.