DE60019627T2

DE60019627T2 - Ferrofluid-zusammensetzung und verfahren

Info

Publication number: DE60019627T2
Application number: DE60019627T
Authority: DE
Inventors: Lucian Borduz; Yasutake Hirota; Shiro Tsuda
Original assignee: FERROTEC CORP TOKIO/TOKYO; Ferrotec Corp
Current assignee: FERROTEC CORP TOKIO/TOKYO; Ferrotec Material Technologies Corp
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2020-10-28
Also published as: EP1224670A1; EP1224670B1; JP4869527B2; US6277298B1; AU1169001A; JP2003513156A; DE60019627D1; WO2001031662A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Magnetofluide und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Magnetofluide unter Verwendung eines Oberflächenmodifikationsmittels auf Silan-Basis, das kein Dispergiermittel ist, als Tensid-annehmender Schicht auf den magnetischen Teilchen vor der Anwendung eines Tensids. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung Magnetofluide unter Verwendung eines Oberflächenmodifikationsmittels auf Silan-Basis, das kein Dispergiermittel ist, als Tensid-annehmender Schicht auf den magnetischen Teilchen, welche die chemische Stabilität von Magnetofluiden auf Silicon-Basis, Kohlenwasserstoff-Basis und Ester-Basis verbessert. Noch spezieller betrifft die vorliegende Erfindung Magnetofluide unter Verwendung eines Oberflächenmodifikationsmittels auf Silan-Basis, welches die Verwendung von Tensiden ermöglicht, die früher aufgrund ihrer chemischen Natur nicht als erste Tenside in Magnetofluiden auf Öl-Basis verwendbar waren. Sogar noch spezieller betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung stabiler Magnetofluide mit einem Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis, das kein Dispergiermittel ist, als Tensid-annehmender Schicht.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Magnetofluide, manchmal als "Ferrofluide" oder magnetische Kolloide bezeichnet, sind kolloidale Dispersionen oder Suspensionen von fein zerteilten magnetischen oder magnetisierbaren Teilchen mit einem Größenbereich zwischen 30 und 150 Angström, die in einer Trägerflüssigkeit dispergiert sind. Eines der wichtigen Merkmale von Magnetofluiden ist ihre Fähigkeit, ohne das Erfordernis für einen Behälter durch ein Magnetfeld angeordnet und im Raum gehalten werden zu können. Diese einzigartige Eigenschaft von Magnetofluiden hat zu ihrer Verwendung für eine Vielfalt von Anwendungen geführt. Eine derartige Verwendung ist ihre Verwendung als flüssige Dichtungen mit geringem Rücktriebdrehmoment, wobei die Dichtungen beim Betrieb keine Teilchen erzeugen, wie dies bei herkömmlichen Dichtungen der Fall ist. Diese flüssigen Dichtungen werden in Computer-Plattenlaufwerken in großem Umfang als Ausschlussdichtungen verwendet, um den Durchtritt von in Luft vorliegenden Teilchen oder Gasen von einer Seite der Dichtung zur anderen zu verhindern. Auf dem Umweltgebiet werden Umweltdichtungen verwendet, um flüchtige Emissionen, d. h. Emissionen von Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen, die schädlich oder potentiell schädlich sind, in die Atmosphäre zu verhindern.
Bei anderen Verwendungen dienen Magnetofluide als Wärmeübertragungsfluide zwischen den Sprachspulen und den Magneten von Tonlautsprechern, als Dämpfungsfluide in Dämpfungsanwendungen und als Lagerschmiermittel in hydrodynamischen Lageranwendungen. Noch weiter werden sie als Druckdichtungen in Vorrichtungen mit mehreren flüssigen Dichtungen oder Stufen, wie als Vakuum-Rotationsdurchführungsdichtung, verwendet. Typisch soll diese Art von Dichtung einen Druckunterschied von einer Seite der Dichtung zur anderen aufrechterhalten, während ermöglicht wird, dass eine Rotationswelle in eine Umgebung herausragt, in der ein Druckunterschied vorliegt.
Die magnetischen Teilchen sind im Allgemeinen feine Teilchen aus Ferrit, die durch Zerstäuben, Fällung, Dampfabscheidung oder ähnliche Mittel hergestellt werden. Unter dem Gesichtspunkt der Reinheit, Teilchengrößensteuerung und Produktivität ist die Fällung gewöhnlich das bevorzugte Mittel zur Herstellung der Ferrit-Teilchen. Der überwiegende Teil der industriellen Anwendungen, die Magnetofluide verwenden, enthält Eisenoxide als magnetische Teilchen. Die geeignetsten Eisenoxide für Magnetofluid-Anwendungen sind Ferrite, wie Magnetit, oder γ-Eisen(III)-oxid, das als Maghemit bezeichnet wird. Ferrite und Eisen(III)-oxide bieten eine Anzahl von physikalischen und chemischen Eigenschaften für das Magnetofluid, deren wichtigsten Sättigungsmagnetisierung, Viskosität, magnetische Stabilität und chemische Stabilität des gesamten Systems sind. Um in Suspension zu verbleiben, erfordern die Ferrit-Teilchen einen Tensidüberzug, dem Fachmann auch als Dispergiermittel bekannt, um zu verhindern, dass die Teilchen koagulieren oder agglomerieren.
Fettsäure wie Ölsäure sind als Dispergiermittel verwendet worden, um magnetische Teilchensuspensionen in einigen unpolaren Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten mit niedrigem Molekulargewicht zu stabilisieren. Diese unpolaren Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten mit niedrigem Molekulargewicht sind relativ flüchtige Lösungsmittel wie Kerosin, Toluol und dergleichen. Das Verdampfen dieser flüchtigen Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten aufgrund ihrer relativen Flüchtigkeit ist ein bedeutender Nachteil, da es die Funktion des Magnetofluids selbst verschlechtert. So muss ein Magnetofluid, um nützlich zu sein, mit einer Trägerflüssigkeit mit niedrigem Dampfdruck und nicht mit einer Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt hergestellt werden. Jedoch waren die Ferrofluide auf Kohlenwasserstoff-Basis wegen einer relativ großen Viskositätsänderung als Funktion der Temperatur bei einigen Anwendungen beschränkt.
Die Tenside/Dispergiermittel weisen zwei Hauptfunktionen auf. Die erste besteht darin, einen dauerhaften Abstand zwischen den magnetischen Teilchen sicherzustellen, um die Anziehungskräfte zu überwinden, die von Van-der-Waals-Kräften und magnetischer Anziehung verursacht werden, d. h. um eine Koagulation oder Agglomeration zu verhindern. Die zweite besteht darin, eine chemische Zusammensetzung auf der äußeren Oberfläche des magnetischen Teilchens bereitzustellen, die mit dem flüssigen Träger kompatibel ist.
Die Sättigungsmagnetisierung (G) von Magnetofluiden ist eine Funktion des dispersen Phasenvolumens der magnetischen Materialien in dem Magnetofluid. In Magnetofluiden ist das tatsächliche disperse Phasenvolumen gleich dem Phasenvolumen der magnetischen Teilchen plus des Phasenvolumens des angebrachten Dispergiermittels. Je höher der Gehalt an magnetischen Teilchen ist, desto höher ist die Sättigungsmagnetisierung. Die Art von magnetischen Teilchen in dem Fluid legt ebenfalls die Sättigungsmagnetisierung des Fluids fest. Ein gegebener Volumenprozentsatz an Metallteilchen in dem Fluid, wie Cobalt und Eisen, erzeugt eine höhere Sättigungsmagnetisierung als der gleiche Volumenprozentsatz an Ferrit. Die ideale Sättigungsmagnetisierung für ein Magnetofluid wird durch die Anwendung festgelegt. Beispielsweise sind die Sättigungsmagnetisierungswerte bei Ausschlussdichtungen, die in Festplattenlaufwerken verwendet werden, typisch niedriger als die Werte bei Vakuumdichtungen, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden.
Die meisten der heute verwendeten Magnetofluide weisen eine bis drei Arten von Tensiden auf, die in einer, zwei oder drei Schichten um die magnetischen Teilchen herum angeordnet sind. Die Tenside für Magnetofluide weisen eine genügend lange Kette und an einem Ende eine funktionelle Gruppe auf. Die Kette kann auch aromatische Kohlenwasserstoffe enthalten. Die funktionelle Gruppe kann kationischer, anionischer oder nichtionischer Natur sein. Die funktionelle Gruppe ist entweder durch chemische Bindung oder durch physikalische Kraft oder durch eine Kombination von beiden an der äußeren Schicht der magnetischen Teilchen angebracht. Die Kette oder der Schwanz des Tensids liefert einen dauerhaften Abstand zwischen den Teilchen und die Kompatibilität mit dem flüssigen Träger.
Vielfältige Magnetofluide und Verfahren zur Herstellung derselben sind in der Vergangenheit entwickelt worden. Die Trägerflüssigkeit auf Öl-Basis ist im Allgemeinen ein organisches Molekül, entweder ein polares oder unpolares, mit vielfältigen chemischen Zusammensetzungen, wie ein Kohlenwasserstoff (Polyalpha-olefine, Moleküle mit aromatischer Kettenstruktur), Ester (Polyolester), Silicon oder fluorierte und andere exotische Moleküle mit einem Molekulargewichtsbereich bis zu etwa acht- bis neuntausend. Die meisten Verfahren verwenden ein Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt, um die Ferrit-Teilchen zu peptisieren. Um das Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel aus dem resultierenden Magnetofluid auf Öl-Basis in diesen Verfahren zu verdampfen, erfordern alle diese Verfahren eine Wärmebehandlung des Magnetofluids bei etwa 70°C oder mehr oder bei einer niedrigeren Temperatur unter verringertem Druck. Da es eine Anzahl von Faktoren gibt, welche die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Magnetofluide beeinflussen, und da Verbesserungen bei einer Eigenschaft eine andere Eigenschaft nachteilig beeinflussen können, ist die Auswirkung, die eine Änderung der Zusammensetzung oder des Verfahrens auf die Gesamt-Nützlichkeit eines Magnetofluids haben wird, schwierig vorherzusagen. Es ist in der Technik bekannt, dass Magnetofluide, bei denen eines der Dispergiermittel eine Fettsäure, wie Öl-, Linol-, Linolen-, Stearin- oder Isostearinsäure, ist, für einen oxidativen Abbau des Dispergiermittelsystems empfänglich sind. Dies hat eine Gelierung des Magnetofluids zur Folge.
Siliconöle sind als flüssige Träger in Ferrofluid-Zusammensetzungen und zur Verwendung in Lautsprechern vorgeschlagen worden. Jedoch war es in der Praxis schwierig, stabile Ferrofluide auf Siliconöl-Basis zu synthetisieren. Frühere Versuche, Ferrofluide auf Siliconöl-Basis zu synthetisieren, die solche Tenside wie Ölsäure verwenden, hatten einen sehr begrenzten Erfolg. Mit Tensiden vom Ölsäure-Typ sind nur Ferrofluide auf der Basis von Siliconen mit sehr niedrigen Molekulargewichten mit unerwünscht hohen Verdampfungsgeschwindigkeiten des Silicons hergestellt worden. Zusätzlich hat sich auch die Verwendung anderer Tenside bei der Herstellung von Ferrofluiden auf Silicon-Basis als nicht zufriedenstellend erwiesen, da derartige Fluide auf Silicon-Basis sich in einem Magnet- oder Schwerefeld entweder bei der Lagerung oder bei der Verwendung als nicht stabil erwiesen haben.
Das Tensid, das die Ferrofluid-Teilchen dispergiert hält, ist für einen korrekten Ferrofluid-Betrieb kritisch. Ferrofluide mit mehreren Tensiden sind herkömmlich verwendet worden. Ein derartiges Ferrofluid ist im U.S. Patent Nr. 4,956,113 beschrieben.
Das U.S. Patent Nr. 4,956,113 (1990, Kanno et al.) lehrt ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetofluids. Das Magnetofluid enthält feine Teilchen aus Ferrit, die stabil in einem Basisöl mit niedrigem Dampfdruck dispergiert sind. Das Magnetofluid wird hergestellt, indem man N-Polyalkylenpolyamin-substituiertes Alkenylsuccinimid zu einer Suspension von feinen Ferrit-Teilchen mit adsorbiertem Tensid gibt, welche in einem Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt dispergiert sind. Das auf den feinen Ferrit-Teilchen adsorbierte Tensid ist eines von jenen, die üblicherweise für die Dispergierung von feinen Teilchen in einem Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel verwendet werden, bevorzugt höhere Fettsäuresalze und Sorbitanester. Die Mischung wird erwärmt, um das Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel zu entfernen, gefolgt von der Zugabe von Basisöl mit niedrigem Dampfdruck und einem speziellen Dispergiermittel. Die resultierende Mischung wird einer Dispergierbehandlung unterzogen.
Es ist bekannt, dass Ferrofluide unter Verwendung einer großen Vielfalt von flüssigen Trägern hergestellt werden können, einschließlich Kohlenwasserstoffen, wie Kerosin oder Heptan, Aromaten, wie Toluol, Xylol oder Styrol, und Diestern, wie Ethylhexylazelat, sowie anderer wässriger Lösungen, Alkoholen, Acetaten oder Ethern. Jedoch sind die derzeitigen Ferrofluide auf Kohlenwasserstoff- und Ester-Basis in einigen Anwendungen beschränkt, da der flüssige Träger im Allgemeinen eine relativ große Viskositätsänderung als Funktion der Temperatur zeigt. Siliconöle (Polysiloxane) können als flüssige Träger in Ferrofluid-Zusammensetzungen verwendet werden. Insbesondere zeigen Polydimethylsiloxan- (PDMS-) Öle mit hohem Molekulargewicht eine relativ geringe Viskositätsänderung und besitzen einen breiten Betriebstemperaturbereich. Deshalb können mit PDMS-Ölen hergestellte Ferrofluide in Umgebungen verwendet werden, wo Ferrofluide auf Kohlenwasserstoff- und Ester-Basis nicht ohne weiteres geeignet sind.
Langzeitstabile und konzentrierte Ferrofluide auf Siliconöl-Basis sind teilweise aufgrund der Unverfügbarkeit eines zufriedenstellenden Tensidsystems in der Praxis schwierig zu synthetisieren. Das U.S. Patent Nr. 4,356,098 (1982, Chagnon) offenbart ein Ferrofluid mit einem Siliconöl-Träger, welches ein einziges Siliconöl-Tensid verwendet. Jedoch wurde gefunden, dass das einzige Siliconöl-Tensid schlecht an der Oberfläche der magnetischen Teilchen anhaftet. Zusätzlich tendiert das Ferrofluid auf Silicon-Basis dazu, in einer kurzen Zeitspanne zu polymerisieren und fest zu werden, so dass es seine ursprünglichen Fluid-Eigenschaften verliert.
Das U.S. Patent Nr. 5,851,416 (1998, Raj et al.) offenbart ein Ferrofluid auf Siliconöl-Basis, das eine kolloidale Dispersion von fein zerteilten magnetischen Teilchen in einem Siliconöl-Träger umfasst. Die Oberflächen der magnetischen Teilchen sind mit einem ersten Tensid, das einen Kohlenwasserstoff mit mindestens einer polaren Gruppe umfasst, und einem zweiten Tensid modifiziert, das ein Siliconöl-Tensid mit mindestens einer polaren Gruppe umfasst und das in dem Siliconöl-Träger löslich ist. Man nimmt an, dass ein Ferrofluid auf der Grundlage dieser Offenbarung eine schlechte Gelzeit aufweist, hauptsächlich wegen des großen Kohlenwasserstoff-Schwanzes, der durch die Ölsäure bereitgestellt wird. Es ist wohlbekannt, dass ein großes Kohlenwasserstoff-Molekül sich in einem Silicon nicht lösen kann und dass ein großes Kohlenwasserstoff-Molekül das ganze System instabil macht. Man nimmt auch an, dass die Verwendung einer großen Tensidmenge mit einem Trägeröl mit relativ hoher Viskosität zu einer relativ niedrigen maximalen Sättigungsmagnetisierung und hohen Viskosität des Produkts beiträgt.
Der ganze Stand der Technik verwendet ein, zwei oder drei Tenside, um die magnetischen Teilchen in einer Trägerflüssigkeit zu dispergieren. Weiter gibt es eine beschränkte Auswahl für ein erstes Dispergiermittel, das auf magnetischen Teilchen adsorbiert werden kann und sie in Trägerflüssigkeit dispergieren kann. Es gibt auch Stand der Technik, welcher die Verwendung eines Oberflächenmodifikationsmittels mit niedrigem Molekulargewicht als Additiv zu einem Ferrofluid vorschlägt.
Das U.S. Patent Nr. 5,676,877 (1997, Borduz et al.) offenbart eine Ferrofluid-Zusammensetzung und ein Verfahren zur Herstellung eines chemisch stabilen Magnetofluids, das fein zerteilte magnetische Teilchen umfasst, die mit Tensiden bedeckt sind. Ein Oberflächenmodifikationsmittel wird ebenfalls verwendet, welches nach der Adsorption der Tenside zugesetzt wird, um gründlich die freie oxidierbare äußere Oberfläche der äußeren Schicht der Teilchen zu bedecken, die nicht durch die Tenside bedeckt ist.
Kein Stand der Technik schlägt die Verwendung von Oberflächenmodifikationsmitteln mit niedrigem Molekulargewicht, die keine Dispergiermittel sind, als Oberflächenmodifikationsmittel zur Bedeckung der Oberfläche der magnetischen Teilchen vor der Adsorption von Tensiden mit größerer Größe vor oder legt diese nahe.
Deshalb wird ein Magnetofluid benötigt, das ein Oberflächenmodifikationsmittel mit niedrigem Molekulargewicht aufweist, welches die Oberfläche der magnetischen Teilchen vor dem Anbringen von Tensiden mit größerer Größe bedeckt. Es wird auch ein Magnetofluid benötigt, das ein Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis mit niedrigem Molekulargewicht aufweist, welches die Oberfläche der magnetischen Teilchen vor dem Anbringen von Tensiden mit größerer Größe bedeckt. Weiter wird ein Magnetofluid benötigt, das ein Oberflächenmodifikationsmittel auf Alkylalkoxysilan-Basis mit niedrigem Molekulargewicht aufweist, welches die Oberfläche der magnetischen Teilchen vor dem Anbringen von Tensiden mit größerer Größe bedeckt. Noch weiter wird ein Magnetofluid auf Siliconöl-Basis, Kohlenwasserstoff-Basis oder Ester-Basis benötigt, das ein Oberflächenmodifi kationsmittel auf Alkylalkoxysilan-Basis mit niedrigem Molekulargewicht aufweist, welches die Oberfläche der magnetischen Teilchen bedeckt und die Verwendung von Tensiden ermöglicht, die früher nicht als erste Tenside verwendbar waren oder die ein kompliziertes Verfahren erforderten, um als erstes Tensid verwendbar zu sein. Schließlich wird ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetofluids auf Siliconöl-Basis, Kohlenwasserstofföl-Basis und Esteröl-Basis benötigt, welches eine erhöhte chemische Stabilität aufweist.
Die EP-A-0 845 790 (Bayer AG) offenbart die Verwendung eines Silanisierungsmittels, um eine Polymerbeschichtung an die magnetischen Teilchen zu binden. Das Silanisierungsmittel muss für die anschließende Polymerbeschichtung geeignet sein, so dass eine feste Bindung zwischen dem Silan und der Polymerbeschichtung gebildet wird.
Die WO-A-01/27945, veröffentlicht am 19.04.2001 und mit dem Prioritätsdatum vom 15.10.1999, offenbart eine Zusammensetzung und ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetofluids mit einer Mehrzahl von magnetischen Teilchen, die mit mindestens einem Tensid bedeckt sind. Es wird ein Fluorkohlenstoffsilan-Modifikationsmittel verwendet, das zugesetzt wird, um die freie oxidierbare äußere Oberfläche der äußeren Schicht der Teilchen zu bedecken, um die Säurebeständigkeit des Kolloids zu erhöhen. Die Anmelderin der WO-A-01/27945 ist dieselbe Anmelderin wie diejenige der vorliegenden Erfindung und schließt zwei Erfinder ein, die auch Erfinder der vorliegenden Anmeldung sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Magnetofluid muss in zwei Bereichen eine Stabilität zeigen, um in derzeitigen Industrieanwendungen verwendet werden zu können. Der erste ist, dass es eine magnetische Stabilität unter einem sehr hohen Magnetfeldgradienten aufweist. Die magnetischen Teilchen tendieren dazu, unter hohen Magnetfeldgradienten zu agglomerieren und zu aggregieren und sich vom Rest des Kolloids abzutrennen.
Der zweite ist, dass es eine chemische Stabilität aufweist, welche die Oxidation des Tensids und des organischen Ölträgers betrifft. Alle organischen Öle unterliegen im Laufe der Zeit einem langsamen oder schnellen Oxidationsprozess. Dies hat eine erhöhte Viskosität des Öls bis zu dem Punkt zur Folge, wo das Öl ein Gel oder ein Feststoff wird. Der Prozess wird in Hochtemperaturanwendungen des Magnetofluids beschleunigt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Magnetofluid bereitzustellen, das ein Oberflächenmodifikationsmittel mit niedrigem Molekulargewicht aufweist, welches die Oberfläche der magnetischen Teilchen vor dem Anbringen von Tensiden mit größerer Größe bedeckt, und das eine erhöhte chemische Stabilität aufweist. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Magnetofluid bereitzustellen, das ein Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis mit niedrigem Molekulargewicht aufweist, welches die Oberfläche der magnetischen Teilchen vor dem Anbringen von Tensiden mit größerer Größe bedeckt, und das eine erhöhte chemische Stabilität aufweist. Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Magnetofluid bereitzustellen, das ein Oberflächenmodifikationsmittel auf Alkylalkoxysilan-Basis mit niedrigem Molekulargewicht aufweist, welches die Oberfläche der magnetischen Teilchen vor dem Anbringen von Tensiden mit größerer Größe bedeckt, und das eine erhöhte chemische Stabilität aufweist. Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Magnetofluid auf Siliconöl-Basis, Kohlenwasserstofföl-Basis oder Esteröl-Basis bereitzustellen, das ein Oberflächenmodifikationsmittel auf Alkylalkoxysilan-Basis mit niedrigem Molekulargewicht aufweist, welches die Oberfläche der magnetischen Teilchen bedeckt, was die Verwendung von Tensiden, die früher nicht als erste Tenside verwendbar waren, um sich direkt mit den äußeren Schichten der magnetischen Teilchen zu verbinden, oder von Tensiden ermöglicht, die ein kompliziertes Verfahren erforderten, um als erste Tenside verwendbar zu sein, und das eine erhöhte chemische Stabilität aufweist. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetofluids auf Siliconöl-Basis, Kohlenwasserstofföl-Basis und Esteröl-Basis bereitzustellen, welches eine erhöhte chemische Stabilität aufweist.
Die vorliegende Erfindung erreicht diese und andere Ziele durch Bereitstellung eines Magnetofluids, wie in den Ansprüchen 1, 13 definiert, und eines Verfahrens zur Herstellung eines Magnetofluids, wie in Anspruch 24 definiert, wobei die Zusammensetzung des Magnetofluids die Verwendung eines Oberflächenmodifikationsmittels auf Silan-Basis einschließt, welches kein Dispergiermittel ist, um den Bereich von verwendbaren Tensiden in Ferrofluiden auf Siliconöl-Basis, Kohlenwasserstofföl-Basis zu verbreitern und die chemische Stabilität der Ferrofluide zu erhöhen. Weitere Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2–12, 14–23, 25–40 definiert.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Magnetofluid bereit, das aus magnetischen Teilchen zusammengesetzt ist, die mit einem Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis mit kleinem Molekulargewicht beschichtet sind, welches auf der äußeren Oberfläche der magnetischen Teilchen adsorbiert ist. Mindestens ein Tensid wird dann auf den mit dem Oberflächenmodifikationsmittel beschichteten Teilchen adsorbiert oder angebracht. Die Teilchen werden dann in einem Trägeröl mit niedrigem Dampfdruck suspendiert. Das Magnetofluid der vorliegenden Erfindung ist aus vier Komponenten zusammengesetzt, nämlich einer Ölträger-Flüssigkeit, einem Oberflächenmodifikationsmittel mit kleinem Molekulargewicht (bevorzugt einem Alkylalkoxysilan), einem oder mehreren organischen Tensiden/Dispergiermitteln und feinen magnetischen Teilchen. Es ist bekannt, dass Siliconöl und Kohlenwasserstofföl unvereinbare Komponenten in einer Ferrofluid-Mischung sind, d. h., Siliconöl ist nicht mit Kohlenwasserstofföl mischbar (darin löslich). Die Siliconöl- und Kohlenwasserstofföl-Komponente des Ferrofluids trennen sich und werden zu einem instabilen Fluid. Es ist wichtig, dass das Oberflächenmodifikationsmittel klein ist, damit es nicht störend mit dem Tensid wechselwirkt. Im Allgemeinen muss das Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis einen sehr kleinen Schwanzabschnitt aufweisen, so dass das Oberflächenmodifikationsmittel nicht als alleiniges Dispergiermittel in Trägerflüssigkeiten mit niedrigem Dampfdruck verwendet werden kann.
Dies ist wichtig, da Tenside spezielle Eigenschaften aufweisen, welche sie als Tenside geeignet machen, und demgemäß von ihnen angenommen wird, dass sie eine starke Individualität aufweisen. Jedoch ist die Individualität des Oberflächenmodifikationsmittels in unserem Fall nicht willkommen, da ein großer Kohlenwasserstoffschwanz speziell in Siliconöl ungeeignet ist. Für die vorliegende Erfindung ist es wichtig, dass die Tenside eine starke Individualität aufweisen, aber dass das Oberflächenmodifikationsmittel mit niedrigem Molekulargewicht wenig Individualität aufweist. Individualität ist als die Fähigkeit der Verbindung definiert, die kolloidale Stabilität und andere Eigenschaften des Ferrofluids zu beeinflussen und zu ihnen beizutragen. Bevorzugt sollte das Oberflächenmodifikationsmittel wenig oder keine Individualität aufweisen, so dass die Eigenschaften des Ferrofluids hauptsächlich oder vollständig durch das oder die Tensid(e) festgelegt werden. Diese Eigenschaft des Oberflächenmodifikationsmittel ermöglicht auch, dass es die äußere Schicht der magnetischen Teilchen ändert, so dass es ermöglicht, dass andere Tenside, die früher nicht als erste Tenside verwendet werden konnten, auf oder nahe bei dem Oberflächenmodifikationsmittel adsorbieren, welches selbst direkt auf den magnetischen Teilchen adsorbiert ist. Es ist die Annahme der Erfinder, dass das Tensid an oder nahe dem Silicon-Sauerstoffteil des Oberflächenmodifikationsmittels adsorbiert, wie es in 1 demonstriert ist.
Das von der vorliegenden Erfindung verwendete Oberflächenmodifikationsmittel besteht aus einer bis drei ähnlichen funktionellen Gruppen an einem Ende des Moleküls und einem sehr kurzen Schwanz. Das Oberflächenmodifikationsmittel kann durch die Formel R¹ _4–nSiR² _n dargestellt werden, in der die Gruppe R¹ einen Alkylrest mit einem bis acht Kohlenstoffatomen, bevorzugt einem bis sechs Kohlenstoffatomen, bevorzugter einen bis vier Kohlenstoffatomen bezeichnet, R² einen hydrolysierbaren Rest bezeichnet, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Alkoxiden mit einem bis drei Kohlenstoffatomen und Chloriden besteht, und n durchschnittlich 1, 2 oder 3 ist. Insbesondere wurde gefunden, dass Isobutyltrimethoxysilan ein besonders nützliches Oberflächenmodifikationsmittel ist. In diesem speziellen Oberflächenmodifikationsmittel bezeichnet R¹ einen Isobutylrest, bezeichnet R² einen Methoxyrest und ist n gleich drei.
Das Oberflächenmodifikationsmittel gestattet die Verwendung vielfältiger Tenside, die abhängig von der Art des verwendeten Tensids ermöglichen, dass die magnetischen Teilchen in Trägerflüssigkeiten entweder auf Siliconöl-Basis, Kohlenwasserstofföl-Basis oder Esteröl-Basis dispergiert werden. Das Oberflächenmodifikationsmittel ermöglicht auch die Verwendung vielfältiger Tensiden, die früher nicht als erstes Tensid auf magnetischen Teilchen ohne die Verwendung eines weniger wünschenswerten ersten Tensids, wie Fettsäuren, verwendet werden konnten.
Allgemein ist das Verfahren zur Herstellung der vorliegenden Erfindung wie folgt. Die magnetischen Teilchen werden in einer wässrigen Lösung unter Bildung einer Aufschlämmung von magnetischen Teilchen gefällt. Die Aufschlämmung wird auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, und eine vorbestimmte Menge an Oberflächenmodifikationsmitteln mit kleinem Molekulargewicht wird zugesetzt. Die Aufschlämmung wird dann entweder (1) einem Hochgeschwindigkeitsmischen unterzogen, um die Teilchen zu fällen, oder (2) einem Hochgeschwindigkeitsmischen und einer Peptisierung mit einer vorbestimmten Tensidmenge in einem Kohlenwasserstoff- oder Silicon-Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt unterzogen.
Bei dem Fällungsverfahren (1) wird das Wasser dekantiert, und die magnetischen Teilchen, die mit dem Oberflächenmodifikationsmittel mit kleinem Molekulargewicht beschichtet sind, werden mehrere Male mit Wasser gewaschen. Die magnetischen Teilchen werden dann vorübergehend in einem Kohlenwasserstoff- oder Silicon-Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt suspendiert.
Das Kohlenwasserstoff- oder Silicon-Lösungsmittel, das sowohl bei dem Verfahren (1) als auch (2) verwendet wird, schließt aliphatische, alicyclische und aromatische Kohlenwasserstoffe oder Silicon-Lösungsmittel mit Siedepunkten von 60°C bis 200°C ein. Zum Beispiel kann mindestens eines aus Hexan, Heptan, Octan, Isooctan, Decan, Cyclohexan, Toluol, Xylol, Mesitylen, Ethylbenzol, Petrolether, Leichtbenzin, Naphtha, Ligroin, Polydimethylsiloxan- (PDMS-) Lösungsmittel mit niedrigem Molekulargewicht usw. verwendet werden. Heptan ist das Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel der Wahl mit niedrigem Siedepunkt zur Herstellung des Magnetofluids auf Lösungsmittel-Basis der vorliegenden Erfindung.
Beim Verfahren (1) wird die Fluid-Mischung etwa 10 Minuten lang auf einen Magneten gegeben. Das Lösungsmittel wird dekantiert, und die verbleibenden Teilchen werden in mehr des Kohlenwasserstoff-Lösungsmittels mit niedrigem Siedepunkt unter Bildung einer weiteren Aufschlämmung suspendiert. Die Aufschlämmung wird auf eine vorbestimmte Temperatur, bevorzugt 85°C ± 5°C, erwärmt. Eine vorbestimmte Tensidmenge in einem kompatiblen Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt wird auf etwa 85°C erwärmt, und die Tensid/Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel-Mischung wird zu der Aufschlämmung gegeben. Die Aufschlämmungs/Tensid-Mischung wird für eine kurze Zeitspanne gerührt und dann abkühlen gelassen.
Beim Verfahren (2) wird eine vorbestimmte Tensidmenge zu einer vorbestimmten Menge an Kohlenwasserstoff- oder Silicon-Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt gegeben und auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Die Tensid-Mischung wird dann zu der Mischung der mit Oberflächenmodifikationsmittel beschichteten Teilchen gegeben, etwa 5 Minuten gerührt und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.
Nach Abkühlenlassen sowohl beim Verfahren (1) als auch (2) wird das Fluid etwa 30 Minuten lang auf einen Magneten gegeben. Der obere Teil des Fluids, welcher das Ferrofluid auf Lösungsmittel-Basis ist, wird in einen getrennten Behälter, wie ein Becherglas, gegeben. Eine gewisse Menge an Trägeröl wird zu dem Ferrofluid auf Lösungsmittel-Basis gegeben, und das Lösungsmittel wird dann entfernt, bevorzugt durch Verdampfen bei erhöhter Temperatur. Nur beim Verfahren (2) wird auch eine gewisse Tensidmenge zugesetzt, wenn das Trägeröl dem Ferrofluid auf Lösungsmittel-Basis zugesetzt wird.
Die zugesetzte Menge an Trägeröl ist derart, dass sie im Bereich von 35 bis etwa 75% des Volumens des End-Ferrofluids liegt, abhängig von der bevorzugten Sättigungsmagnetisierung des End-Ferrofluids. Eine ausreichende Menge an Trägeröl wird dann zugesetzt, um die Sättigungsmagnetisierung des End-Ferrofluids auf den bevorzugten Wert einzustellen. Der bevorzugte Wert der Sättigungsmagnetisierung hängt von der beabsichtigten Anwendung ab.
Obwohl die feinen magnetischen Ferrit-Teilchen durch Zerstäubung, Fällung, Dampfabscheidung oder ähnliche Mittel hergestellt werden können, verwendet die vorliegende Erfindung aus Gründen der Reinheit, Teilchengrößensteuerung und Produktivität eine Fällung als bevorzugtes Verfahren. Geeignete magnetische Teilchen zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung umfassen Ferrite, wie Magnetit und Ferrite auf MnZn-Basis, gamma-Eisenoxid, Chromdioxid und verschiedene Metalllegierungen. Bevorzugt bestehen die magnetischen Teilchen aus Magnetit (Fe₃O₄) und gamma-Eisenoxid (Fe₂O₃). Bevorzugter bestehen die magnetischen Teilchen aus Magnetit. Die Fällung der magnetischen Teilchen wird durch rasche Neutralisation einer wässrigen Lösung, die Eisenionen enthält, mittels einer alkalischen Lösung, wie Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid und Ammoniumhydroxid, vorgenommen, was eine Suspension von feinen magne tischen Teilchen zum Ergebnis hat. Der Fachmann ist mit Verfahren zur Herstellung geeigneter magnetischer Teilchen vertraut.
Magnetische Teilchen in dem End-Magnetofluid können einen durchschnittlichen Durchmesser der magnetischen Teilchen von 3 nm (30 Å) bis 15 nm (150 Å) aufweisen. Der bevorzugte durchschnittliche Durchmesser der magnetischen Teilchen in der vorliegenden Erfindung beträgt 9 nm (90 Å) bis 11 nm (110 Å). Die geeignete Teilchengröße kann leicht aufgrund der beabsichtigten Anwendung des Magnetofluids festgelegt werden. Beispielsweise beträgt der bevorzugte durchschnittliche Durchmesser der magnetischen Teilchen zur Verwendung in einer Dichtungsanwendung 9 nm (90 Å) bis 10 nm (100 Å) und für eine Tonanwendung beträgt er 9 nm (90 Å) bis 11 nm (110 Å). Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Konzentration der magnetischen Teilchen hängt ebenfalls von der beabsichtigten Verwendung des Magnetofluids ab, und die optimale Menge kann leicht festgelegt werden. Vorzugsweise beträgt die Konzentration der magnetischen Teilchen 1 bis 40 Volumen% des Magnetofluids. Bevorzugter beträgt die Konzentration der magnetischen Teilchen 1 bis 30 Volumen% des Magnetofluids. Beispielsweise beträgt die bevorzugte Konzentration der magnetischen Teilchen für eine Vakuumdichtung 10 bis 30 Volumen%, für eine Computerdichtung 5 bis etwa 15 Volumen% und für einen Tonlautsprecher 2 bis 30 Volumen%.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine mögliche Anordnung von Tensiden mit langem Schwanz über einer Schicht aus Oberflächenmodifikationsmittel mit kleinem Molekulargewicht auf den magnetischen Teilchen.
2 zeigt die magnetischen Teilchen mit Anhaftung des Oberflächenmodifikationsmittels mit kleinem Molekulargewicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Auf der Grundlage des Standes der Technik war es überraschend und unerwartet zu finden, dass stabile magnetische Kolloide in Ferrofluiden auf Siliconöl-Basis, Kohlenwasserstofföl-Basis und Esteröl-Basis erhalten werden konnten, wenn Ferrit-Teilchen verwendet wurden, welche mit Oberflächenmodifikationsmitteln mit kleinem Molekulargewicht, die keine Dispergiermittel sind und eine relativ kleine Anzahl von Kohlenstoffatomen im Schwanzteil aufweisen, beschichtet waren. Weiter war es überraschend und unerwartet zu finden, dass magnetische Kolloide mit Tensiden erhalten werden konnten, die früher für derartige Ferrofluide nicht verwendet werden konnten, wenn die Ferrit-Teilchen mit einem Oberflächenmodifikationsmittel mit kleinem Molekulargewicht, das kein Dispergiermittel ist, vor der Behandlung mit den Tensiden beschichtet wurden.
Die vorliegende Erfindung verwendet ein Oberflächenmodifikationsmittel mit kleinem Molekulargewicht, das kein Dispergiermittel ist, um die magnetischen Teilchen vor der Behandlung mit einem oder mehreren Tensiden zu bedecken. 1 ist eine beispielhafte Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung, die ein Tensid-beschichtetes magnetisches Teilchen 10 zeigt. Das Tensid-beschichtete magnetische Teilchen 10 umfasst ein magnetisches Teilchen 12, das von einem Oberflächenmodifikationsmittel mit kleinem Molekulargewicht 14 bedeckt ist, welches mit einem Tensid 16 bedeckt ist. 2 zeigt das magnetische Teilchen 12, das mit Oberflächenmodifikationsmittel 14 bedeckt ist.
Das Magnetofluid der vorliegenden Erfindung ist aus vier Komponenten zusammengesetzt, nämlich einem flüssigen Träger mit niedrigem Dampfdruck, einem Oberflächenmodifikationsmittel mit kleinem Molekulargewicht, mindestens einem organischen Tensid/Dispergiermittel und feinen magnetischen Teilchen. Die Trägerflüssigkeiten sind im Allgemeinen Siliconöle, Kohlenwasserstofföle und Esteröle. Bei Ferrofluiden auf Siliconöl-Basis kann jedes Polysiloxan verwendet werden. Bei Ferrofluiden auf Kohlenwasserstofföl-Basis kann die Kohlenwasserstofföl-Trägerflüssigkeit irgendeine Trägerflüssigkeit sein, die dem Fachmann als für Magnetofluide nützlich bekannt ist. Die Trägerflüssigkeit kann eine polare Trägerflüssigkeit oder eine unpolare Trägerflüssigkeit sein. Die Wahl der Trägerflüssigkeit und die verwendete Menge hängen von der beabsichtigten Anwendung des Magnetofluids ab. Dies kann vom Fachmann ohne weiteres festgelegt werden.
Unpolare Trägerflüssigkeiten, die bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung nützlich sind, umfassen Kohlenwasserstofföle, insbesondere Poly-α-olefinöle niedriger Flüchtigkeit und niedriger Viskosität. Derartige Öle sind ohne Weiteres im Handel erhältlich. Zum Beispiel sind SYNTHANE-Öle, hergestellt von Gulf Oil Company, oder Durasyn-Öle, hergestellt von Amoco Chemicals, mit Viskositäten von 2, 4, 6, 8 oder 10 mm²/s (Centistoke (cSt)) bei 100°C als unpolare Trägerflüssigkeiten in der vorliegenden Erfindung nützlich.
Polare Trägerflüssigkeiten, in denen stabile Suspensionen von magnetischen Teilchen gebildet werden können, umfassen irgendwelche der Ester-Weichmacher für Polymere, wie Vinylchloridharze. Derartige Verbindungen sind ohne Weiteres aus Handelsquellen erhältlich. Geeignete polare Trägerflüssigkeiten umfassen Ester von gesättigten Kohlenwasserstoffsäuren, wie (C₆-C₁₂)-Kohlenwasserstoffsäuren, Phthalate, wie Dioctyl- und andere Dialkylphthalate, Citratester und Trimellitatester, wie Tri(n-octyl/n-decyl)ester. Andere geeignete polare Träger umfassen Phthalsäure-Derivate, wie Dialkyl- und Alkylbenzylorthophthalate, Phosphate, wie Triaryl-, Trialkyl- oder Alkylarylphosphate, und Epoxy-Derivate, wie epoxidiertes Sojabohnenöl.
Die bevorzugte, in der vorliegenden Erfindung verwendete polare Ester-Trägerflüssigkeit ist ein Trimellitatester. Bevorzugter ist die Trägerflüssigkeit ein Trimellitattriester, die in großem Umfang als Weichmacher in der Draht- und Kabel-Industrie verwendet werden. Der bevorzugte Trimellitattriester ist zum Beispiel von Aristech Chemical Corporation, Pennsylvania, USA, unter dem Handelsnamen PX336 erhältlich.
Siliconöl-Trägerflüssigkeiten sind allgemein ein flüssiges Material mit einer linearen polymeren Struktur, die durch Substitution verschiedener organischer Gruppen an den Seiten der Siliciumatome von Siloxan abgeleitet sind, wobei das Silicium an mindestens ein Sauerstoffatom in der Kette gebunden ist. Typisch ist ein derartiges Siliconöl über einen speziellen Temperaturbereich von beispielsweise etwa –50°C bis etwa 250°C bei einer sehr niedrigen Viskositätsänderung mit der Temperatur (einem sehr hohen Viskositätsindex) stabil. Der Ausdruck "Siliconöl" soll Siliconester und andere flüssige Silicon-Verbindungen mit den obigen allgemeinen Eigenschaften einschließen. Eine typische Formel eines Siliconöls ist:
worin R eine aliphatische Gruppe, wie eine Alkylgruppe, bevorzugt ein Methyl-, Ethyl- oder Propylrest, oder eine Alkoxygruppe oder eine Phenylgruppe sein kann, R aber typisch eine Phenylgruppe oder eine Methylgruppe oder Kombinationen derselben ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist R eine Methylgruppe. Typische flüssige Siliconöle mit einem hohen Viskositätsindex umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Polydimethylsiloxan, Polymethylphenylsiloxan, Polydipropylsiloxan, Polyphenylsiloxan und andere flüssige Siliconöle, in denen eine lineare Silicium-Sauerstoff-Hauptkette vorliegt und in denen x einen Wert von 0 bis 10.000, bevorzugt von 1 bis 200 und am bevorzugtesten von 10 bis 125 aufweist. Bei dem Ölträger kann es sich um eine Mischung von Trägerflüssigkeiten handeln.
Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Oberflächenmodifikationsmittel mit niedrigem Molekulargewicht ist ein Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis.
Das von der vorliegenden Erfindung verwendete Oberflächenmodifikationsmittel besteht aus einer bis drei ähnlichen funktionellen Gruppen an einem Ende des Moleküls und einem sehr kurzen Schwanz aus Kohlenwasserstoff-Atomen. Das Oberflächenmodifikationsmittel kann durch die Formel R¹ _4–nSiR² _n dargestellt werden, in der die Gruppe R¹ einen Alkylrest mit einem bis acht Kohlenstoffatomen, vorzugsweise einem bis sechs Kohlenstoffatomen, bevorzugter einem bis vier Kohlenstoffatomen bezeichnet, R² einen hydrolysierbaren Rest bezeichnet, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Alkoxiden mit einem bis drei Kohlenstoffatomen und Chloratomen besteht, und n durchschnittlich 1, 2 oder 3 ist. Insbesondere wurde gefunden, dass Isobutyltrimethoxysilan ein besonders nützliches Oberflächenmodifikationsmittel ist. In diesem speziellen Oberflächenmodifikationsmittel bezeichnet R¹ einen Isobutylrest, bezeichnet R² eine Methoxyrest und steht n für drei. Man nimmt an, dass der Kupplungsmechanismus an die freie Oberfläche durch das Silan entweder darin besteht, dass (1) der Alkoxyteil des Oberflächenmodifikationsmittels mit dem Proton aus der anorganischen Hydroxylgruppe auf der Oberfläche der magnetischen Teilchen unter Bildung von Alkohol als Nebenprodukt reagiert oder dass (2) das Silan-Oberflächenmodifikationsmittel mit Wasser hydrolysiert oder (3) eine Kombination von beiden vorliegt und dass Silicium sich mittels des Sauerstoffs aus der Hydroxylgruppe, die auf dem Oberflächenmodifikationsmittel oder der äußeren Schicht der magnetische Teilchen vorliegt, an die äußere Schicht der magnetischen Teilchen bindet.
Bei der Reaktion mit der Oberfläche wird das Oberflächenmodifikationsmittel sogar noch kleiner, da ein Teil des Moleküls, d. h. die Alkoxid- oder Chlorid-Reste, als Nebenprodukt dieser Reaktion eliminiert wird.
Für Ferrofluide auf Siliconöl-Basis sind annehmbare Tenside diejenigen, die als Silicone mit (einem) hydrophilen Rest(e) beschrieben werden. Sie sind aus Dimethylsiloxan-Molekülhauptketten zusammengesetzt, in denen einige der Methylgruppen durch Polyalkylenoxy-, Pyrrolidon- oder Carboxylatgruppen ersetzt sind, die durch eine Propylgruppe an das Siliciumatom geknüpft sind. Eine typische Formel eines Silicon-Tensids ist:
worin R eine Carboxylatpropylgruppe oder eine Aminoalkylgruppe sein kann. Typische flüssige Silicon-Tenside umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, polare Silicone, wie (Carboxylatpropyl)methylsiloxan-Dimethylsiloxan-Copolymere und Aminoethylaminopropylmethoxysilan-Dimethylsiloxan-Copolymere und andere flüssige Silicon-Tenside, bei denen eine lineare Silicium-Sauerstoff-Hauptkette vorliegt.
Für Ferrofluide auf Kohlenwasserstoff-Basis und Ester-Basis können Tenside wie höhere Fettsäuren, aschefreie Dispergiermittel, kationische und nichtionische organische Verbindungen als Tensid verwendet werden.
Wegen der Behandlung der magnetischen Teilchen mit einem Oberflächenmodifikationsmittel mit niedrigem Molekulargewicht der vorliegenden Erfindung können nun die organischen Tenside, die früher nicht als erstes Tensid verwendet werden konnten oder die ein kompliziertes Verfahren erforderten, um als erstes Tensid verwendet zu werden, in organischem Lösungsmittel verwendet werden. Beispiele für derartige Tenside sind Dicocodimoniumchlorid (Adrogen 462 von Witco Corporation, NY, USA), POE Laurat (CPH376 von The CP Hall Company, Illinois, USA), Alkylamine (Lubrizol 890, Ircosperse 2173 und Ircosperse 2177 von Lubrizol Corporation, OH, USA), aschefreien Dispergiermittel vom Alkenylbernsteinsäureanhydrid-Typ (Paranox 105 von Exxon Chemical Company, Texas, USA), Fettsäure-Verbindungen, wie Cetyldimethicon-Copolyol + Polyglycerylisostearat, Hexyllaurat (Abil WE-09 von Goldschmidt Chemical Corporation, VA, USA), Polyglyceryl-6-dioleat (Plurol Oleique WL 1173 von Gattefosse Corporation, NJ, USA) und Polyglycerol-3-diisostearat (Plurol Di Isostearique von Gattefosse) und polymere Ester (Troysol CD2 von Troy Chemical Corporation, NJ, USA).
Verfahren zur Herstellung von magnetischen Teilchen, Standardgröße
39,4 g Eisen(II)-sulfat-Heptahydrat werden in ausreichend Wasser gelöst, um eine Endmischung von 147 cm³ zu bilden. Zu dieser Mischung werden 64 cm³ 42° Baumé Eisen(III)-chlorid gegeben und gerührt, bis die Mischung homogen ist, was eine erste Mischung erzeugt. Eine zweite Mischung wird hergestellt, indem 90 cm³ 26%-ige Ammoniaklösung und 55 cm³ Wasser zusammengegeben werden.
Verfahren zur Herstellung von magnetischen Teilchen, doppelte Größe
Die erste Mischung wird dann zu der zweiten Mischung gegeben und gerührt, bis sie homogen ist. 78,8 Gramm Eisen(II)-sulfat-Heptahydrat werden in ausreichend Wasser gelöst, um eine Endmischung mit 294 cm³ zu bilden. Zu dieser Mischung werden 128 cm³ 42° Baumé Eisen(III)-chlorid gegeben und gerührt, bis die Mischung homogen ist, was eine erste Mischung erzeugt. Eine zweite Mischung wird hergestellt, indem 180 cm³ 26%-ige Ammoniaklösung und 110 cm³ Wasser zusammengegeben werden. Die erste Mischung wird dann zu der zweiten Mischung gegeben und gerührt, bis sie homogen ist.
Geltestverfahren
Die Magnetofluid-Proben werden jeweils in eine Glasschale mit einem Innendurchmesser von etwa 12,9 mm, einem Außendurchmesser von etwa 15,0 mm und einer Länge von etwa 10,0 mm gegeben. Ein ausreichendes Volumen an Magnetofluid wird zu jeder Schale gegeben, so dass die Dicke des Magnetofluids in der Glasschale etwa 3 mm beträgt. Die Glasschalen werden in eine Aluminiumplatte mit eingebohrten Löchern gegeben (190 mm × 315 mm × 20 mm), wobei die Löcher eine solche Größe aufweisen, dass die Glasschalen satt anliegen. Die Aluminiumplatte wird dann in einen Ofen mit einer gesteuerten Temperatur von 150 ± 3°C, 170 ± 3°C oder 190 ± 3°C gegeben, abhängig von der Temperatur, bei der ein spezieller Test durchgeführt wird. Die Glasschalen werden periodisch aus dem Ofen entfernt, über eine bis zwei Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt und bezüglich Anzeichen einer Gelbildung überprüft. Ein kleiner Magnet wird am Meniskus des Fluids in der Schale angeordnet. Wenn das Material nicht mehr zu dem Abschnitt des Magnets angezogen wurde, der über dem Meniskus gehalten wurde, wurde angenommen, dass das Magnetofluid geliert hatte.
BEISPIEL 1
Ferrofluide auf Siliconöl-Basis der vorliegenden Erfindung wurden unter Verwendung des bevorzugten Oberflächenmodifikationsmittels Isobutyltrimethoxysilan (erhältlich von Dow Corning Corporation, Midland, MI, Kat. Nr. 1-2306) und zwei Arten von Silicon-Tensiden, (Carboxylatpropyl)methylsiloxan-Dimethylsiloxan-Copolymeren (erhältlich von Gelest, Inc., Pennsylvania, USA, Kat. Nr. YBD-125) und Aminoethylaminopropylmethoxysiloxan-Dimethylsiloxan-Copolymeren (erhältlich von Gelest, Inc., Kat. Nr. ATM-1322), hergestellt. Die Trägerflüssigkeit oder das Basisöl ist ein Polydimethylsilicon-Öl, das von Gelest, Inc., erhältlich ist (Kat. Nr. DMS T-12). Das Verfahren zur Herstellung der Ferrofluide auf Siliconöl-Basis mit dem bevorzugten Oberflächenmodifikationsmittel folgt.
Es ist wichtig zu bemerken, dass in Schritt 12 eine gewisse Menge an Basisöl zu dem Ferrofluid auf Heptan-Basis gegeben wird. Die Menge an Basisöl, die dem Ferrofluid auf Heptan-Basis zugesetzt wird, beträgt typisch 35% bis 55% des Endvolumens an erhaltenem Ferrofluid für ein 20 mT-(200 G-)Fluid und beträgt typisch 55% bis 75% des Endvolumens an Ferrofluid für ein 10 mT-(100 G-) Fluid. Das Endvolumen des erhaltenen Ferrofluids wird vom Fachmann leicht unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt:
worin M_h = Sättigungsmagnetisierung des Ferrofluids auf Heptan-Basis
V_h = Volumen des Ferrofluids auf Heptan-Basis M_f = Sättigungsmagnetisierung, die für das End-Ferrofluid gewünscht wird
V_f = Volumen des End-Ferrofluids
Die Sättigungsmagnetisierung und das Volumen des Ferrofluids auf Heptan-Basis werden unter Verwendung bekannter Techniken bestimmt. Wenn das Volumen des End-Ferrofluids berechnet ist, wird der Volumenbereich an Basisöl festgelegt, der dem Ferrofluid auf Heptan-Basis zuzusetzen ist.
Schritt 1: Die magnetischen Teilchen werden gemäß dem oben angeführten "Verfahren zur Herstellung von magnetischen Teilchen, Standardgröße" hergestellt.
Schritt 2: 175 cm³ 26%-iger Ammoniak werden zu der Aufschlämmung von magnetischen Teilchen gegeben.
Schritt 3: Die Aufschlämmung wird auf 55°C ± 5°C erwärmt.
Schritt 4: 70 cm³ Oberflächenmodifikationsmittel werden unter Hochgeschwindigkeitsrühren zu der Aufschlämmung gegeben, um die Teilchen zu fällen.
Schritt 5: Das Wasser wird dekantiert, und die Teilchen werden fünfmal mit Wasser gewaschen.
Schritt 6: Die Teilchen werden in 250 cm³ Heptan suspendiert.
Schritt 7: Das Heptan/Teilchen-Fluid wird 10 Minuten lang auf einen Alnico-Magneten gegeben.
Schritt 8: Das Lösungsmittel wird dekantiert, und 150 cm³ Heptan werden wieder zu den Teilchen gegeben.
Schritt 9: Das Heptan/Teilchen-Fluid wird auf etwa 85°C ± 5°C erwärmt.
Schritt 10: In einem getrennten Behälter werden 20 Gramm Tensid zu 200 cm³ Heptan gegeben und auf 85°C ± 5°C erwärmt, dann wird diese Flüssigkeit zu dem Heptan/Teilchen-Fluid von Schritt 9 gegeben und etwa drei (3) Minuten gerührt.
Schritt 11: Man lässt die Mischung auf Raumtemperatur abkühlen und gibt sie dann etwa 30 Minuten lang auf den Alnico-Magneten.
Schritt 12: Das Ferrofluid auf Heptan-Basis wird in einen weiteren Behälter, wie ein Becherglas, dekantiert. Eine ausreichende Menge Siliconöl wird dazugegeben, so dass die Ferrofluide eine Sättigungsmagnetisierung über 20 mT (200 G) nach Verdampfen des Lösungsmittels in Schritt 13 aufweisen werden.
Schritt 13: Das Ferrofluid auf Heptan-Basis wird erwärmt, bis das Verdampfen des Lösungsmittels aufhört, und eine ausreichende Siliconöl-Menge wird dazugegeben, um die Sättigungsmagnetisierung des End-Ferrofluids auf 20 mT (200 G) einzustellen.
Schritt 14: Eine gewisse Menge des 20 mT-(200 G-)Fluids wird verwendet, um ein 15 mT-(150 G-) und 10 mT-(100 G-)Ferrofluid herzustellen. Dies wird vorgenommen, indem man zwei getrennte Mengen an 20 mT-(200 G-)Ferrofluid auf einer Heizplatte auf 100°C erwärmt und eine ausreichende Menge Siliconöl zu jeder Probe gibt, um die Sättigungsmagnetisierung einer Probe auf 15 mT (150 G) und der anderen auf 10 mT (100 G) einzustellen.
Tabelle 1A zeigt die Gelierungszeiten von verschiedenen Ferrofluiden auf Siliconöl-Basis, die unter Verwendung des Oberflächenmodifikationsmittels Isobutyltrimethoxysilan mit den angegebenen Tensiden hergestellt wurden. Tabelle 1B zeigt die Gelierungszeiten von Proben-Ferrofluiden ähnlich jenen von Tabelle 1A, die aber keiner Behandlung mit Oberflächenmodifikationsmitteln unterzogen worden sind (Schritte 2–4).
Tabelle 1A
Tabelle 1B
BEISPIEL 2
Es wurde Ferrofluide auf Kohlenwasserstofföl-Basis und Esteröl-Basis unter Verwendung des bevorzugten Oberflächenmodifikationmittels Isobutyltrimethoxysilan (erhältlich von Dow Corning Corporation, Midland, MI, Kat. Nr. 1-2306) und drei Arten von Tensiden, Findet AD-18, erhältlich von Finetex, Inc., NJ, USA, AW398, erhältlich von Anedco, Inc., Texas, USA, und Hypermer LP1, erhältlich von ICI Americas, Inc., Delaware, USA, hergestellt. Bei dem Ferrofluid auf Kohlenwasserstoff-Basis ist das Trägeröl Poly-alpha-olefin mit einer Viskosität von 4 cSt bei 100°C. Bei dem Ferrofluid auf Esteröl-Basis ist die Trägerflüssigkeit ein Trimellitattriester, der von Aristech Chemical Corporation, Pennsylvania, USA, unter dem Handelsnamen PX336 erhältlich ist. Das Verfahren zur Herstellung der Ferrofluide auf Kohlenwasserstoff- und Esteröl-Basis mit dem bevorzugten Oberflächenmodifikationsmittel ist wie folgt:
Schritt 1 bis Schritt 8 sind die gleichen wie die in Beispiel 1 angeführten.
Schritt 9: Eine 7,5 cm³-Probe des Heptan/Teilchen-Fluids wird auf 85°C ± 5°C erwärmt.
Schritt 10: In einem getrennten Behälter wird 1 Gramm Tensid zu 10 cm³ Heptan gegeben und auf 85°C ± 5°C erwärmt, dann wird dieses Fluid zu dem Heptan/Teilchen-Fluid von Schritt 9 gegeben und etwa drei (3) Minuten gerührt.
Schritt 11: Man lässt die Mischung auf Raumtemperatur abkühlen und gibt sie dann etwa 30 Minuten lang auf einen Alnico-Magneten.
Schritt 12: Eine ausreichende Menge Trägeröl wird zugesetzt, so dass die Ferrofluide eine Sättigungsmagnetisierung über 10 mT (100 G), bevorzugt im Bereich von 10 mT bis 20 mT (im Bereich von 100 G bis 200 G) nach Verdampfen des Lösungsmittels in Schritt 12 aufweisen werden. Die zugesetzte Menge an Trägeröl wird unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Formel berechnet. Das Ferrofluid auf Heptan-Basis wird erwärmt, bis das Verdampfen des Lösungsmittels aufhört, und eine ausreichende Menge Trägerflüssigkeit wird dazugegeben, um die Sättigungsmagnetisierung des End-Ferrofluids auf 10 mT (100 G) einzustellen.
Tabelle 2 zeigt die Gelierungszeiten verschiedener Ferrofluide auf Kohlenwasserstofföl-Basis und Esteröl-Basis, die unter Verwendung des Oberflächenmodifikationsmittels Isobutyltrimethoxysilan mit den angegebenen Tensiden hergestellt wurden. Tabelle 2

PAO: Poly-alpha-olefin

BEISPIEL 3
Es wurden Ferrofluide auf Kohlenwasserstofföl-Basis unter Verwendung des bevorzugten Oberflächenmodifikationsmittels Isobutyltrimethoxysilan (erhältlich von Dow Corning Corporation, Midland, MI, Kat. Nr. 1-2306) und eines Schmieröl-Additivs als des ersten Tensids hergestellt, welches als Paranox 105^® bekannt ist, ein Stickstoff-funktionalisiertes Polyalkenylbernsteinsäureanhydrid-Dispergiermittel enthält und von Exxon Chemical Company, Texas, USA hergestellt wird. Es sollte bemerkt werden, dass vor der vorliegenden Erfindung Tenside vom Typ N-Polyalkylenpolyamin-substituiertes Alkenylsuccinimid ein kompliziertes Verfahren erforderten, um als erstes Tensid zur Herstellung von Ferrofluiden auf Öl-Basis verwendet zu werden. Es wurden Vergleichstests zwischen den Ferrofluid-Proben, die mit dem Oberflächenmodifikationsmittel und dem Tensid hergestellt waren, und Proben unter Verwendung von Ölsäure als erstem Tensid und Paranox 105^® als zweitem Tensid durchgeführt. Das Trägeröl ist ein Poly-alpha-olefin, das als Emery 3008 bekannt ist und von Henkel Corporation, Emery Group, Ohio, USA erhältlich ist. Es wurden zusätzliche Vergleichstests zwischen ähnlichen Fluiden, aber mit Zusatz eines Antioxidans durchgeführt, welches als Irganox L57 bezeichnet wird und von Ciba Speciality Chemicals, New York, USA erhältlich ist. Die Verfahren zur Herstellung der Ferrofluide auf Kohlenwasserstoff-Basis mit Ölsäure und mit dem bevorzugten Oberflächenmodifikationsmittel sind wie folgt:
Verfahren für Ölsäure-Ferrofluid
Schritt 1: Die magnetischen Teilchen werden gemäß dem oben angeführten "Verfahren zur Herstellung von magnetischen Teilchen, Standardgröße" hergestellt.
Schritt 2: 8 cm³ 26%-iger Ammoniak werden zu der Aufschlämmung von magnetischen Teilchen gegeben.
Schritt 3: 6,5 cm³ Ölsäure in 92,5 cm³ Heptan werden zu der Aufschlämmung von magnetischen Teilchen gegeben und 5 Minuten gerührt.
Schritt 4: 20 cm³ Aceton werden zu der Mischung von Schritt 3 gegeben und 3 Minuten gerührt.
Schritt 5: Das Ferrofluid auf Heptan-Basis wird in ein anderes Becherglas abgehebert und 30 Minuten lang auf einen Alnico V-Magneten gegeben.
Schritt 6: Der obere Teil (Ferrofluid auf Heptan-Basis) wird in ein anderes Becherglas überführt.
Schritt 7: 20,7 Gramm Paranox 105 und etwas Trägerflüssigkeit werden zu dem Ferrofluid auf Heptan-Basis gegeben, und die Mischung wird auf einer Heizplatte auf etwa 160°C erwärmt und etwa 1 Stunde gehalten. Die zugesetzte Menge der Trägerflüssigkeit wird unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Formel berechnet. Es wird ausreichend Trägerflüssigkeit verwendet, um die Sättigungsmagnetisierung auf 20 mT (200 G) einzustellen. Bei der Probe, die Antioxidans enthält, werden dem 200 G-Ferrofluid 2% Antioxidans zum Volumen des 200 G-Ferrofluids zugesetzt.
Verfahren für Oberflächenmodifikationsmittel-Ferrofluid
Schritt 1: Die magnetischen Teilchen werden gemäß dem oben angeführten "Verfahren zur Herstellung von magnetischen Teilchen, Standardgröße" hergestellt.
Schritt 2: 175 cm³ 26%-iger Ammoniak werden zu der Aufschlämmung von magnetischen Teilchen gegeben.
Schritt 3: Die Aufschlämmung von magnetischen Teilchen wird auf 55°C ± 5°C erwärmt.
Schritt 4: In einem getrennten Behälter/Becherglas werden 20 Gramm Tensid (Paranox 105) in 200 cm³ Heptan auf 55°C ± 5°C erwärmt.
Schritt 5: 70 cm³ Oberflächenmodifikationsmittel werden unter Hochgeschwindigkeitsrühren zu der Aufschlämmung von Schritt 3 gegeben, um die Teilchen zu fällen.
Schritt 6: Nach etwa 1 Minute beginnen die Teilchen, aneinander zu kleben, und dann wird die Tensidmischung von Schritt 4 zu den Teilchen von Schritt 5 gegeben und etwa 5 Minuten gerührt und dann auf etwa Raumtemperatur abkühlen gelassen.
Schritt 7: Nach Abkühlen wird das Ferrofluid auf Heptan-Basis in ein anderes Becherglas abgehebert und 30 Minuten lang auf einen Alnico V-Magneten gegeben.
Schritt 8: Der obere Teil des Ferrofluids auf Heptan-Basis wird in ein anderes Becherglas entfernt.
Schritt 9: 14,5 Gramm Paranox 105 und etwas Trägerflüssigkeit werden zu dem Ferrofluid auf Heptan-Basis gegeben, und die Mischung wird auf einer Heizplatte auf etwa 160°C erwärmt und etwa 1 Stunde gehalten. Die zugesetzte Menge der Trägerflüssigkeit wird unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Formel berechnet. Es wird ausreichend Trägerflüssigkeit verwendet, um die Sättigungsmagnetisierung auf 20 mT (200 G) einzustellen. Bei der Probe, die Antioxidans enthält, werden dem 20 mT-(200 G-)Ferrofluid 2% Antioxidans zum Volumen des 20 mT-(200 G-)Ferrofluids mit dem Paranox 105 zugesetzt.
Tabelle 3 zeigt die Gelierungszeiten von verschiedenen Ferrofluiden auf Kohlenwasserstofföl-Basis, die unter Verwendung eines Oberflächenmodifikationsmittels plus Paranox 105 und von Ölsäure plus Paranox 105 mit und ohne Antioxidans hergestellt wurden.
BEISPIEL 4
Es wurden Ferrofluide auf Kohlenwasserstofföl-Basis und Esteröl-Basis unter Verwendung des bevorzugten Oberflächenmodifikationsmittels Isobutyltrimethoxysilan (erhältlich von Dow Corning Corporation, Midland, MI, Kat. Nr. 1-2306) und von zehn Tensiden hergestellt, die früher nicht als erstes Tensid auf magnetischen Teilchen verwendet werden konnten oder die ein kompliziertes Verfahren erforderten, um als erstes Tensid verwendet zu werden. Die getesteten Tenside sind Androgen 462, erhältlich von Witco Corporation, New York, USA, CPH376, erhältlich von The C. P. Hall Company, Illinois, USA, Lubrizol 890, Ircosperse 2173 und Ircosperse 2177, erhältlich von Lubrizol Corporation, Ohio, USA, Paranox 105, erhältlich von Exxon Chemical Company, Texas, USA, Abil WE-09, erhältlich von Goldschmidt Chemical Corporation, Virginia, USA, Plurol Oleique WL1173 und Plurol Di Isostearique (PIS), erhältlich von Gattefosse Corporation, New Jersey, USA, und Troysol CD2, erhältlich von Troy Chemical Corporation, New Jersey, USA. Bei dem Ferrofluid auf Kohlenwasserstofföl-Basis ist das Trägeröl Poly-alpha-olefin mit einer Viskosität von 4 cSt bei 100°C, erhältlich von Henkel Corporation, Emery Group, Ohio, USA (Kat. Nr. 3004). Bei dem Ferrofluid auf Esteröl-Basis ist das Trägeröl ein Trimellitattriester, erhältlich von Aristech Chemical Corporation, Pennsylvania, USA, unter dem Handelsnamen PX336. Das Verfahren zur Herstellung der Ferrofluide auf Kohlenwasserstofföl-Basis und Esteröl-Basis mit dem bevorzugten Oberflächenmodifikationsmittel ist wie folgt:
Schritt 1 bis Schritt 8 sind die gleichen wie die in Beispiel 1 angeführten.
Schritt 9: Das Heptan/Teilchen-Fluid wird in 20 Proben aufgeteilt und auf 85°C ± 5°C erwärmt.
Schritt 10: In einem getrennten Behälter wird 1 Gramm Tensid zu 10 cm³ Heptan gegeben und auf 85°C ± 5°C erwärmt, dann wird dieses Fluid zu einer der Proben des Heptan/Teilchen-Fluids von Schritt 9 gegeben und etwa drei (3) Minuten gerührt. Dieser Schritt wird für jede der verbleibenden 19 Proben wiederholt, so dass jedes Paar von Proben das gleiche Tensid zur späteren Verwendung bei der Herstellung eines Ferrofluids auf Kohlenwasserstofföl-Basis und auf Esteröl-Basis enthält.
Schritt 11: Man lässt die Mischung auf Raumtemperatur abkühlen und gibt sie dann 30 Minuten lang auf einen Alnico-Magneten.
Schritt 12: Eine ausreichende Menge Trägeröl wird zugesetzt, so dass die Ferrofluide nach Verdampfen des Lösungsmittels in Schritt 12 eine Sättigungsmagnetisierung über 10 mT (100 G) aufweisen werden. Die zugesetzte Menge des Trägeröls wird unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Formel berechnet. Das Ferrofluid auf Heptan-Basis wird erwärmt, bis das Verdampfen des Lösungsmittels aufhört, und eine ausreichende Menge Trägerflüssigkeit wird zugesetzt, um die Sättigungsmagnetisierung des End-Ferrofluids auf 10 mT (100 G) einzustellen. Die Trägerflüssigkeit ist entweder Emery 3004 oder PX-336.
Tabelle 4 zeigt die Gelierungszeiten von verschiedenen Ferrofluiden auf Kohlenwasserstofföl-Basis und Esteröl-Basis, die unter Verwendung des Oberflächenmodifikationsmittels Isobutyltrimethoxysilan mit den angegebenen Tensiden hergestellt wurden. Tabelle 4

NG: bedeutet, dass kein stabiles Kolloid erzeugt wurde.

BEISPIEL 5
Es wurden erfindungsgemäße Ferrofluide auf Siliconöl-Basis unter Verwendung von anderen Oberflächenmodifikationsmitteln auf Silan-Basis mit kleinem Molekulargewicht hergestellt. Diese Oberflächenmodifikationsmittel sind Isobutyltrimethoxysilan (Kat Nr. SII6453.7 von Gelest, Inc., Pennsylvania, USA), Isobutyltriethoxysilan (Kat. Nr. SII6453.5 von Gelest, Inc.), Dimethyldimethoxysilan (Kat. Nr. KBM22 von Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Tokio, Japan), Dimethyldiethoxysilan (Kat. Nr. SID4121.0 von Gelest, Inc.), Trimethylmethoxysilan (Kat. Nr. SIT8566.0 von Gelest, Inc.), n-Propyltrimethoxysilan (Kat. Nr. SIP6918.0 von Gelest, Inc.), n-Butyltrimethoxysilan (Kat. Nr. SIB1988.0 von Gelest, Inc.) und Isobutyltrichlorsilan (Kat. Nr. SII6453.0 von Gelest, Inc.). Das Silicon-Tensid ist YBD125 von Gelest, Inc. Die Trägerflüssigkeit oder das Basisöl ist ein Polydimethylsiloxan, das von Gelest, Inc. erhältlich ist (Kat. Nr. DMS T-12). Das Verfahren zur Herstellung des Ferrofluids auf Siliconöl-Basis mit den oben angeführten Oberflächenmodifikationsmitteln ist wie folgt:
Schritt 1: Die magnetischen Teilchen werden gemäß dem oben angeführten "Verfahren zur Herstellung von magnetischen Teilchen, doppelte Größe" hergestellt.
Schritt 2: Man nehme etwa ein Zehntel des Volumens der Mischung von Schritt 1. (Etwa ein Zehntel des Volumens wird für jedes getestete Oberflächenmodifikationsmittel verwendet.)
Schritt 3: 35 cm³ 26%-iger Ammoniak werden zu der Aufschlämmung von magnetischen Teilchen von Schritt 2 gegeben.
Schritt 4: Die Aufschlämmung wird auf 55°C ± 5°C erwärmt.
Schritt 5: Eine angegebene Menge an Oberflächenmodifikationsmittel wird unter Hochgeschwindigkeitsrühren über etwa 5 Minuten zu der Aufschlämmung gegeben, um die Teilchen zu fällen. Die Menge jedes Oberflächenmodifikationsmittels ist in Tabelle 5 angegeben.
Schritt 6: Das Wasser wird dekantiert, und die Teilchen werden fünfmal mit Wasser gewaschen und in zwei Proben aufgeteilt.
Schritt 7: Eine ausreichende Menge Heptan wird zu jedem der aufgeteilten Teilchen von Schritt 6 gegeben, um 30 cm³ Aufschlämmung von magnetischen Teilchen herzustellen.
Schritt 8: Das Fluid auf Heptan-Basis wird etwa 10 Minuten lang auf einen großen Alnico V-Magneten gegeben.
Schritt 9: Das Lösungsmittel wird dekantiert, und zusätzliches Heptan wird zu den verbleibenden Teilchen gegeben, um 20 cm³ Aufschlämmung zu bilden.
Schritt 10: Die Aufschlämmung wird auf 85°C ± 5°C erwärmt.
Schritt 11: In einem getrennten Behälter/Becherglas werden 3 Gramm Tensid in 20 cm³ Heptan auf 85°C ± 5°C erwärmt.
Schritt 12: Die erwärmte Tensid/Heptan-Mischung von Schritt 11 wird zu der erwärmten Aufschlämmung von Schritt 10 gegeben und etwa 3 Minuten gerührt.
Schritt 13: Man lässt die Mischung von Schritt 12 auf Raumtemperatur abkühlen und gibt sie dann 30 Minuten lang über den Alnico-Magneten.
Schritt 14: Der obere Teil des Ferrofluids auf Heptan-Basis wird in ein anderes Becherglas entfernt. Eine gewisse Menge des Trägeröls wird zu dem Ferrofluid auf Heptan-Basis gegeben. Eine ausreichende Menge Siliconöl wird so zugegeben, dass die Ferrofluide nach Verdampfung des Lösungsmittels eine Sättigungsmagnetisierung über 10 mT (100 G) aufweisen werden. Die zugesetzte Menge an Trägeröl wird unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Formel berechnet. Die Mischung wird erwärmt, um das Lösungsmittel zu verdampfen. Nach Verdampfen des Lösungsmittels wird etwas Trägeröl zu dem Ferrofluid gegeben, um die Sättigungsmagnetisierung des End-Ferrofluids auf 10 mT (100 G) einzustellen.
Tabelle 5 zeigt die Gelierungszeiten von Ferrofluiden auf Siliconöl-Basis, die unter Verwendung von anderen Oberflächenmodifikationsmitteln mit kleinem Molekulargewicht hergestellt wurden.
Tabelle 5
BEISPIEL 6
Es wurden erfindungsgemäße Ferrofluide auf Kohlenwasserstofföl-Basis unter Verwendung von anderen Oberflächenmodifikationsmitteln auf Silan-Basis mit kleinem Molekulargewicht hergestellt. Diese Oberflächenmodifikationsmittel sind n-Propyltrimethoxysilan (Kat. Nr. SIP6918.0 von Gelest, Inc.), n-Butyltrimethoxysilan (Kat. Nr. SIB1988.0 von Gelest, Inc.) und Isobutyltrichlorsilan (Kat. Nr. SII6453.0 von Gelest, Inc.). Das Tensid ist ein aschefreies Dispergiermittel, das unter dem Handelsnamen Paranox 105 erhältlich ist. Das Trägeröl ist Poly-alpha-olefin mit einer Viskosität von 8 cSt bei 100°C, erhältlich von Henkel Corporation, Emery Group (Kat. Nr. 3008). Das Verfahren zur Herstellung der Ferrofluide auf Kohlenwasserstofföl-Basis mit den oben angeführten Oberflächenmodifikationsmitteln ist wie folgt:
Schritt 1: Die magnetischen Teilchen werden gemäß dem oben angeführten "Verfahren zur Herstellung von magnetischen Teilchen, doppelte Größe" hergestellt.
Schritt 2: Man nehme ein Zehntel des Volumens der Mischung von Schritt 1. (Etwa ein Zehntel des Volumens wird für jedes getestete Oberflächenmodifikationsmittel verwendet.)
Schritt 3: 35 cm³ 26%-iger Ammoniak werden zu jeder aufgeteilten Aufschlämmung von magnetischen Teilchen von Schritt 2 gegeben.
Schritt 4: Die Aufschlämmung wird auf 55°C ± 5°C erwärmt.
Schritt 5: Eine angegebene Menge an Oberflächenmodifikationsmittel wird über etwa 5 Minuten unter Hochgeschwindigkeitsrühren zu der Aufschlämmung gegeben, um die Teilchen zu fällen. Die Menge jedes Oberflächenmodifikationsmittels ist in Tabelle 6 angegeben.
Schritt 6: Das Wasser wird dekantiert, und die Teilchen werden fünfmal mit Wasser gewaschen und in zwei Proben aufgeteilt.
Schritt 7: Eine ausreichende Menge Heptan wird zu einem der aufgeteilten Teilchen von Schritt 6 gegeben, um 30 cm³ magnetische Aufschlämmung herzustellen.
Schritt 8: Das Fluid auf Heptan-Basis wird etwa 10 Minuten lang auf einem großen Alnico V-Magneten gegeben.
Schritt 9: Das Lösungsmittel wird dekantiert, und zusätzliches Heptan wird zu den verbleibenden Teilchen gegeben, um 20 cm³ Aufschlämmung zu bilden.
Schritt 10: Die Aufschlämmung wird auf 85°C ± 5°C erwärmt.
Schritt 11: 4 Gramm Tensid in 20 cm³ Heptan werden auf 85°C ± 5°C erwärmt.
Schritt 12: Die erwärmte Tensid/Heptan-Mischung von Schritt 11 wird zu der erwärmten Aufschlämmung von Schritt 10 gegeben und etwa 3 Minuten gerührt.
Schritt 13: Man lässt die Mischung von Schritt 12 auf Raumtemperatur abkühlen und gibt sie dann etwa 30 Minuten lang über den Alnico-Magneten.
Schritt 14: Der obere Teil des Ferrofluids auf Heptan-Basis wird in ein anderes Becherglas entfernt. Eine ausreichende Menge Trägeröl wird zu dem Ferrofluid auf Heptan-Basis gegeben, so dass das Ferrofluid nach Verdampfen des Lösungsmittels eine Sättigungsmagnetisierung über 10 mT (100 G) aufweisen wird. Die zugesetzte Menge an Trägeröl wird unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Formel berechnet. Die Mischung wird erwärmt, um das Lösungsmittel zu verdampfen. Nach Verdampfen des Lösungsmittels wird etwas Trägeröl (Poly-alpha-olefinöl) zu dem Ferrofluid gegeben, um die Sättigungsmagnetisierung des End-Ferrofluids auf 10 mT (100 G) einzustellen.
Tabelle 6 zeigt die Gelierungszeiten von Ferrofluiden auf Kohlenwasserstofföl-Basis, die unter Verwendung der anderen Oberflächenmodifikationsmittel mit kleinem Molekulargewicht hergestellt wurden.
Tabelle 6

Claims

Ferrofluid-Zusammensetzung, umfassend: eine Mehrzahl von magnetischen Teilchen; ein Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis, das auf der Mehrzahl von magnetischen Teilchen als Tensid-annehmende Schicht adsorbiert ist, wobei das Oberflächenmodifikationsmittel ein genügend kleines Molekulargewicht, ausreichend, um ein Nicht-Dispergiermittel zu sein und wenig oder keine Individualität verglichen mit der Individualität eines Tensids aufweist, wobei das Oberflächenmodifikationsmittel durch die Formel R¹ _4–nSiR² _n dargestellt wird, worin die Schwanzgruppe R¹ einen Alkylrest mit einem bis acht Kohlenstoffatomen bezeichnet, R² einen hydrolysierbaren Rest mit einem bis drei Atomen bezeichnet und n für 1, 2 oder 3 steht; mindestens einen Tensidüberzug über dem Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis in den äußeren Schichten der Mehrzahl von magnetischen Teilchen; und eine Trägerflüssigkeit.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der das Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis eine Schwanzgruppe R¹ mit einem bis sechs Kohlenstoffatomen aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, in der die Schwanzgruppe R¹ eine Gruppe mit einem bis vier Kohlenstoffatomen ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der der hydrolysierbare Rest aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Alkoholaten mit einem bis drei Kohlenstoffatomen besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der der hydrolysierbare Rest Chlorid ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der das Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Isobutyltrimethoxysilan, Isobutyltriethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan, Trimethylmethoxysilan, n-Propyltrimethoxysilan, n-Butyltrimethoxysilan und Isobutyltrichlorsilan besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der das Tensid aus der Klasse von Tensiden ausgewählt ist, die aus kationischen Tensiden, anionischen Tensiden und nicht-ionischen Tensiden besteht, und ein Molekulargewicht von mindestens 150 aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der die Trägerflüssigkeit ein organisches Molekül ist, das mit mindestens einem Tensid kompatibel ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 8, in der die Trägerflüssigkeit aus einer Trägerflüssigkeit auf Silicon-Basis, einer Trägerflüssigkeit auf Kohlenwasserstoff-Basis und einer Trägerflüssigkeit auf Ester-Basis ausgewählt ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der die Trägerflüssigkeit eine Trägerflüssigkeit auf Siliconöl-Basis, eine Trägerflüssigkeit auf Kohlenwasserstofföl-Basis oder eine Trägerflüssigkeit auf Esteröl-Basis ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, in der das Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis ein Alkylalkoxysilan-Oberflächenmodifikationsmittel oder ein Alkylchlorsilan-Oberflächenmodifikationsmittel ist.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Antioxidans in der Ferrofluid-Zusammensetzung.
Magnetisches Fluid, erhältlich durch das Verfahren, welches umfasst: Adsorbieren eines Oberflächenmodifikationsmittels auf Silan-Basis auf einer Mehrzahl von magnetischen Teilchen als Tensid-annehmende Schicht, wobei das Oberflächenmodifikationsmittel ein ausreichend kleines Molekulargewicht, um ein Nicht-Dispergiermittel zu sein, und wenig oder keine Individualität im Vergleich zu der Individualität eines Tensids aufweist, wobei das Oberflächenmodifikationsmittel durch die Formel R¹ _4–nSiR² _n dargestellt wird, worin die Schwanzgruppe R¹ einen Alkylrest mit einem bis acht Kohlenstoffatomen darstellt, R² einen hydrolysierbaren Rest mit einem bis drei Atomen darstellt und n für 1, 2 oder 3 steht; Auftragen mindestens eines Tensids über dem Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis in den äußeren Schichten der Mehrzahl von magnetischen Teilchen; und Suspendieren der Mehrzahl von magnetischen Teilchen in einer Trägerflüssigkeit.
Magnetisches Fluid nach Anspruch 13, in dem die Schwanzgruppe R¹ ein bis sechs Kohlenstoffatome aufweist.
Magnetisches Fluid nach Anspruch 14, in dem die Schwanzgruppe ein bis vier Kohlenstoffatome aufweist.
Magnetisches Fluid nach Anspruch 13, in dem der hydrolysierbare Rest aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Alkoholaten mit einem bis drei Kohlenstoffatomen besteht.
Magnetisches Fluid nach Anspruch 13, in dem der hydrolysierbare Rest ein Chlorid ist.
Magnetisches Fluid nach Anspruch 13, in dem das Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Isobutyltrimethoxysilan, Isobutyltriethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan, Dimethyldiethoxysilan, Trimethylmethoxysilan, n-Propyltrimethoxysilan, n-Butyltrimethoxysilan und Isobutyltrichlorsilan besteht.
Magnetisches Fluid nach Anspruch 13, in dem das Tensid aus der Klasse von Tensiden ausgewählt ist, die aus kationischen Tensiden, anionischen Tensiden und nichtionischen Tensiden besteht, und ein Molekulargewicht von mindestens 150 aufweist.
Magnetisches Fluid nach Anspruch 13, in dem die Trägerflüssigkeit ein organisches Molekül ist, das mit mindestens einem Tensid kompatibel ist.
Magnetisches Fluid nach Anspruch 20, in dem die Trägerflüssigkeit eine Trägerflüssigkeit auf Siliconöl-Basis, eine Trägerflüssigkeit auf Kohlenwasserstofföl-Basis oder eine Trägerflüssigkeit auf Esteröl-Basis ist.
Magnetisches Fluid nach Anspruch 13, in dem das Oberflächenmodifikationsmittel auf Silan-Basis ein Alkylalkoxysilan-Oberflächenmodifikationsmittel oder ein Alkylchlorsilan-Oberflächenmodifikationsmittel ist.
Magnetisches Fluid nach Anspruch 13, weiter umfassend ein Antioxidans, das dem magnetischen Fluid zugesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Ferrofluid-Zusammensetzung, wobei das Verfahren umfasst: Erhalten einer Mehrzahl von magnetischen Teilchen, die in einem ersten Lösungsmittel suspendiert sind; Adsorbieren eines Oberflächenmodifikationsmittels auf Silan-Basis mit kleinem Molekulargewicht auf der Mehrzahl von magnetischen Teilchen, wobei das Oberflächenmodifikationsmittel ein genügend kleines Molekulargewicht, ausreichend, um ein Nicht-Dispergiermittel zu sein, und wenig oder keine Individualität verglichen mit der Individualität eines Tensids aufweist, wobei das Oberflächenmodifikationsmittel durch die Formel R¹ _4–nSiR² _n dargestellt wird, worin die Schwanzgruppe R¹ einen Alkylrest mit einem bis acht Kohlenstoffatomen bezeichnet, R² einen hydrolysierbaren Rest mit einem bis drei Atomen bezeichnet und n für 1, 2 oder 3 steht; Beschichten der Mehrzahl von Teilchen mit adsorbiertem Oberflächenmodifikationsmittel mit mindestens einem Tensid, wobei die Auswahl des mindestens einen Tensids nicht von der Auswahl des Oberflächenmodifikatonsmittels auf Silan-Basis abhängt; und Suspendieren der Mehrzahl von beschichteten magnetischen Teilchen in einer Trägerflüssigkeit auf Öl-Basis.
Verfahren nach Anspruch 24, in dem der Schritt des Erhaltens der Mehrzahl von magnetischen Teilchen weiter das Erwärmen der Mehrzahl von magnetischen Teilchen auf eine Temperatur über Umgebungstemperatur und unter dem Siedepunkt des ersten Lösungsmittels einschließt.
Verfahren nach Anspruch 25, in dem das Erwärmen bei einer Temperatur von etwa 50°C bis etwa 60°C stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 24, in dem der Oberflächenmodifikationsmittel-Adsorptionsschritt weiter einschließt, dass man das Oberflächemodifikationsmittel zu der Mehrzahl von magnetischen Teilchen in dem ersten Lösungsmittel gibt.
Verfahren nach Anspruch 27, weiter umfassend das Rühren des Lösungsmittels mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit, um die Mehrzahl von magnetischen Teilchen zu fällen.
Verfahren nach Anspruch 28, weiter umfassend das Abtrennen des ersten Lösungsmittels von der Mehrzahl von magnetischen Teilchen und das Suspendieren der Mehrzahl von magnetischen Teilchen in einem ersten Teil eines zweiten Lösungsmittels.
Verfahren nach Anspruch 27, weiter umfassend das Erwärmen der Mehrzahl von magnetischen Teilchen, die in dem ersten Teil des zweiten Lösungsmittels suspendiert sind, auf eine Temperatur über Umgebung und unter dem Siedepunkt des zweiten Lösungsmittels.
Verfahren nach Anspruch 24, in dem der Tensid-Beschichtungsschritt weiter einschließt, dass man das mindestens eine Tensid zu einem zweiten Teil des zweiten Lösungsmittels unter Bildung einer Tensid-Mischung gibt und die Tensid-Mischung auf eine Temperatur über Umgebungstemperatur und unter dem Siedepunkt des zweiten Lösungsmittels erwärmt.
Verfahren nach Anspruch 31, weiter umfassend das Vereinigen der Tensid-Mischung mit der Mehrzahl von magnetischen Teilchen, auf denen das Oberflächenmodifikationsmittel adsorbiert ist.
Verfahren nach Anspruch 24, in dem der Schritt des Suspendierens in der Trägerflüssigkeit auf Öl-Basis weiter die Zugabe einer vorbestimmten Menge der Trägerflüssigkeit zu der Mehrzahl von Tensid-beschichteten magnetischen Teilchen und das Entfernen des zweiten Lösungsmittels einschließt.
Verfahren nach Anspruch 33, weiter umfassend die Zugabe einer ausreichenden Menge der Trägerflüssigkeit nach Entfernen des zweiten Lösungsmittels, um ein magnetisches Fluid mit einer vorbestimmten Sättigungsmagnetisierung zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 24, in dem der Tensid-Beschichtungsschritt weiter die Zugabe des mindestens einen Tensids zu einem zweiten Lösungsmittel unter Bildung einer Tensid-Mischung und das Erwärmen der Tensid-Mischung auf eine Temperatur über Umgebungstemperatur und unter dem Siedepunkt des zweiten Lösungsmittels einschließt.
Verfahren nach Anspruch 35, weiter umfassend das Vereinigen der Tensid-Mischung mit der Mehrzahl von magnetischen Teilchen, auf denen das Oberflächenmodifikationsmittel adsorbiert ist, unter Bildung einer vereinigten Mischung und Rühren der vereinigten Mischung über eine vorbestimmte Zeit.
Verfahren nach Anspruch 36, weiter umfassend, dass man die vereinigte Mischung über eine vorbestimmte Zeit über einem Magneten anordnet.
Verfahren nach Anspruch 37, weiter umfassend das Entfernen eines oberen Flüssigkeitsteils der vereinigten Mischung, die Zugabe einer vorbestimmten Menge der Trägerflüssigkeit und des Tensids zu dem oberen Flüssigkeitsteil und dann das Entfernen des zweiten Lösungsmittels.
Verfahren nach Anspruch 38, weiter umfassend die Zugabe einer ausreichenden Menge der Trägerflüssigkeit nach Entfernung des zweiten Lösungsmittels, um ein magnetisches Fluid mit einer vorbestimmten Sättigungsmagnetisierung zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 24, weiter umfassend die Zugabe eines Antioxidans zu der Ferrofluid-Zusammensetzung.