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Bei
in technischen Anwendungen verwendeten Magnetfluids, die im Allgemeinen
als Ferrofluids bezeichnet werden, handelt es sich um eine Dispersion
aus eine feine Teilung aufweisenden Magnet- oder magnetisierbaren
Partikeln mit einer Größe im Bereich
von ungefähr
dreißig
(30) bis ungefähr
einhundertfünfzig (150)
Angström,
die in einer Trägerflüssigkeit
dispergiert sind.
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Die
Magnetpartikel sind typischerweise mit Tensiden oder einem Dispersionsmittel
bedeckt. Bei der Mehrheit der Industrieanwendungen, bei welchen
Magnetpartikel verwendet werden, werden Eisenoxide Magnetpartikel
mit eingebunden. Die am besten geeigneten Eisenoxide für Magnetfluidanwendungen
sind Ferrite wie zum Beispiel Magnetit (Fe3O4) oder Eisen-(III)-oxide (Fe2O3) wie zum Beispiel Gamma. Ferrite und Eisen-(III)-oxide bieten
eine Anzahl physikalischer und chemischer Eigenschaften für das Magnetfluid,
wobei die wichtigsten derselben die Sättigungsmagnetisierung, Viskosität, magnetische
Stabilität
und chemische Sta bilität
des gesamten Systems sind. Die Menge der Magnetpartikel in der Magnetfluidzusammensetzung
kann bis zu 40 Vol.-% betragen.
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Die
Tenside erfüllen
zwei Hauptaufgaben. Die erste besteht in der Sicherstellung eines
dauerhaften Abstandes zwischen den Magnetpartikeln, um die von den
Van der Waals-Kräften
und der magnetischen Wechselwirkung verursachten Anziehungskräfte zu überwinden,
und die zweite besteht in der Bereitstellung einer chemischen Zusammensetzung
auf der Außenschicht
des bedeckten Partikels, die mit der Trägerflüssigkeit und den Chemikalien
in dem Umgebungsbereich kompatibel ist. Die meisten der heute verwendeten
Magnetfluids weisen eine (1) bis drei (3) Arten von Tensiden auf,
die in einer (1), zwei (2) oder drei (3) Schichten um die Magnetpartikel
herum angeordnet sind. Die Tenside für Magnetfluids sind langkettige
Moleküle,
die eine Kettenlänge
von mindestens sechzehn (16) Atomen wie zum Beispiel Kohlenstoff
oder eine Kette aus Kohlenstoff und Sauerstoff, und eine funktionelle
Endgruppe an einem Ende aufweisen. Die funktionelle Endgruppe kann
kationischer, anionischer oder nicht ionogener Art sein. Die funktionelle
Endgruppe ist an der Außenschicht
von Oxiden (Magnetpartikel) entweder durch chemische Bindung oder
physikalische Kraft oder eine aus beiden bestehende Kombination
befestigt, und die Kette oder der Schwanz des Tensids stellt einen
dauerhaften Abstand zwischen den Partikeln, und die Kompatibilität mit der
Trägerflüssigkeit
bereit. Zu allen praktischen Zwecken kann die Menge an Tensid in
der Magnetfluidzusammensetzung bis zu dreißig (30) Vol.-% betragen.
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Der
Träger
ist im Allgemeinen ein polares oder nicht polares organisches Molekül aus verschiedenen chemischen
Zusammensetzungen wie zum Beispiel Kohlenwasserstoff (Polyalphaolefine,
aromatische Moleküle
mit Kettenstruktur), Ester (Polyolester), Silikon oder fluorierten
und anderen fremdartigen Molekülen
mit einem Molekulargewicht in einem Bereich bis zu Fünftausend
(5000).
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Mehrere
physikalische und chemische Eigenschaften des Magnetfluids stehen
mit der Art des Trägers in
Zusammenhang, wie zum Beispiel Viskosität, Verdampfungsrate, Beständigkeit
und Kompatibilität
mit dem Umgebungsbereich.
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Viele
Patente betreffen die Herstellung von Magnetfluids, wobei die für diese
Erfindung relevantesten die folgenden sind:
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In
dem U.S.-Patent Nr. 3,531,413 ist ein Verfahren beschrieben, bei
dem Magnetpartikel anfangs in einem nicht polaren Lösungsmittel
dispergiert, und dann mit einem polaren Lösungsmittel ausgeflockt werden, wobei
die Partikel von dem anfänglichen
Lösungsmittel
getrennt, und in einem anderen Lösungsmittel
wieder schwebend gehalten werden.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 3,917,538 ist ein Verfahren beschrieben, welches
aus dem Mahlen von groben Magnetpartikeln in einem wässrigen
Träger
unter Verwendung eines Dispersionsmittels besteht. Das durch den
Mahlvorgang erhaltene wässrige
Ferrofluid wird ausgeflockt, und die Magnetpartikel werden aus der
wässrigen
Lösung
abgeschieden. Die Partikel werden dann gewaschen, getrocknet und
dann unter Verwendung eines zweiten Dispersionsmittels wieder in
einem organischen Träger
schwebend gehalten.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 3,700,595 ist die Verwendung einer Karbonsäure beschrieben,
die mindestens eine Zwölfer
(12)-Kohlenstoffkette als Tensid aufweist, welches öllöslich und
wasserlöslich
ist, oder ein Polyisobutenkarboxylsäuretensid mit hohem Molekulargewicht
aufweist.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 4,280,918 ist ein Verfahren zur Herstellung
einer magnetischen Dispersion zur Verwendung bei der magnetischen
Beschichtung beschrieben. Die Magnetpartikel werden mit einem gleichförmigen Werkstoff,
vorzugsweise kolloider Kieselerde, beschichtet. Die Beschichtung
verhindert die Aggregation von Magnetpartikeln. Der pH-Wert des
Schlammes wird durch eine Säure
auf einen Wert zwischen drei (3) und sechs (6) reguliert, um eine
positive elektrostatische Ladung auf den Magnetpartikeln zu erzeugen,
und um eine kolloide Kieselerde zu mischen, die eine negative elektrostatische
Ladung aufweist. Die zwei gegensätzlich
geladenen Partikel werden zu den Magnetparti keln angezogen, und
die Kieselerdepartikel werden irreversibel mit den Magnetpartikeln
verbunden.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 4,315,827 ist ein Verfahren zur Herstellung
einer stabilen Ferrofluidzusammensetzung durch die Dispersion von
Magnetpartikeln in Poly-phenylether unter Verwendung von Tensiden
beschrieben, die eine funktionelle polare Gruppe, die mit der Oberfläche der
Partikel reagiert, und eine Schwanzgruppe aufweisen, die in der
Trägerflüssigkeit
lösliche
Phenyl-, Benzyl- oder Phenoxygruppen enthält.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 4,356,098 ist ein Verfahren zur Herstellung
einer stabilen Silikonöl-Ferrofluidzusammensetzung
beschrieben, die eine kolloide Dispersion von eine feine Teilung
aufweisenden Magnetpartikeln in einer Silikonölträgerflüssigkeit aufweist, wobei eine
Dispersionsmenge an Silikonöltensiden
eine funktionelle Gruppe, die eine chemische Bindung mit der Oberfläche der
Magnetpartikel ausbildet, und eine Schwanzgruppe enthält, die
in dem Silikonölträger löslich ist,
um eine stabile magnetische Zusammensetzung auszubilden. Die Schwanzgruppe
des Tensids weist eine Anzahl von Atomen von Silikon- und Sauerstoffketten auf,
um in dem Silikonöl
löslich
zu sein.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 4,430,239 ist eine stabile Ferrofluidzusammensetzung
beschrieben, die eine kolloide Dispersion von eine feine Teilung
aufweisen den Magnetpartikeln in einer Trägerflüssigkeit und eine Dispersionsmenge
eines Dispersionsmittels aufweist, wobei das Mittel ein Phosphorsäureester
aus einem langkettigen Alkohol aufweist, wobei der langkettige Alkohol
mit der polaren Trägerflüssigkeit
kompatibel ist.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 4,576,725 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines Magnetfluids durch die Dispersion von Magnetpartikeln in einer
Basisflüssigkeit
beschrieben, die einen mittleren Durchmesser von mehreren Hundert
Angström
aufweisen. Die Partikel werden durch die Kondensation von Metalldampf
in der Trägerflüssigkeit
erhalten. Die metallischen Magnetpartikel in dem Ferrofluid werden
sehr schnell oxidiert. Der Oxidationsvorgang der Metallpartikel
verändert
die Anfangseigenschaft des Ferrofluids dramatisch.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 4,599,184 ist ein Versuch zur Verbesserung der
Oxidation und der magnetischen Stabilität der von der Metalldampfkondensation
durch die Beschichtung der Partikel mit einem grenzflächenaktiven
Mittel oder Tensid erhaltenen magnetischen Metallpartikel beschrieben.
Um ein stabiles Magnetfluid zu erhalten, müssen die Partikel wie bei jedem
anderen Verfahren mit einem Tensid bedeckt werden.
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In
den U.S.-Patenten Nr. 4,604,229 und 4,687,596 sind Verfahren zur
Herstellung von stabilen, elektrisch leitfähigen Magnetfluids unter Verwendung kationischer
Tenside mit hohem Molekulargewicht und polarer Träger beschrieben.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 4,608,186 ist ein Magnetfluid beschrieben, welches
feine Metallpartikel von Kobalt und ein aus einer aus Polyglyzerinsäureestern,
Sorbitansäureestern
und einer Mischung derselben bestehenden Gruppe ausgewähltes grenzflächenaktives
Mittel aufweist. Die Trägerflüssigkeit
ist ein Kohlenwasserstoff. Die Zusammensetzung enthält Tocopherol
als Antioxidationsadditiv.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 4,624,797 ist ein Magnetfluid beschrieben, welches
feine Metallpartikel von Kobalt und ein aus der aus öllöslichem
anionischem Sulfosuccinat und nicht ionischem fettigem Polyglyzerinsäureester
bestehenden Gruppe oder aus der aus Polyethylenglykolalkylether
und einem Lösungsmittel
mit niedriger Flüchtigkeit
bestehenden Gruppe ausgewähltes
grenzflächenaktives
Mittel aufweist.
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Metallische
Magnetpartikel mit einem Durchmesser von weniger als Zweihundert
(200) Angström,
die gleichmäßig mit
einem Tensid beschichtet sind, sind sehr unstabil und oxidieren
sehr schnell. Heute gibt es keine wirtschaftlichen Anwendungen eines
solchen Fluids, bei denen magnetisierbare Metallpartikel verwendet
werden. Der hauptsächliche
Nachteil dieses Verfahrens ist die Oxidation der Magnetpartikel.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 4,938,886 ist ein Super-Paramagnetfluid beschrieben, welches
Magnetpartikel, ein Dispersionsmittel mit einer A-X-B-Formel aufweist,
welches an den Magnetpartikeln verankert ist, wobei A von der Vorstufe
eines nicht ionogenen grenzflächenaktiven
Mittels abgeleitet ist, welches eine endständige OH-Gruppe aufweist, wobei
die Vorstufe aus einer aus ethoxylierten oder propoxylierten Alkoholen
und anderen ethoxylierten Verbindungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist,
B eine Karboxylsäuregruppe
ist, die das Dispersionsmittel an den Magnetpartikeln verankert,
und X eine Verbindungsgruppe zwischen A und B ist, und eine Trägerflüssigkeit,
die ein thermodynamisch gutes Lösungsmittel
für A ist.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 5,013,471 ist ein Magnetfluid beschrieben, bei
dem die Partikel mit einem Chlorsilantensid bedeckt sind, welches
eine Kette mit zehn (10) bis fünfundzwanzig
(25) Kohlenstoffatomen aufweist. Fluoratome werden gegen die Wasserstoffatome
der Kohlenwasserstoffkette des Chlorsilantensids ausgetauscht, und
fluoriertes Öl
wird als Träger
verwendet. Bei diesem Verfahren kommt kein anderes Tensid zum Einsatz.
Gemäß dieser
Referenz muss das Chlorsilantensid groß genug sein, um die Partikel
zu dispergieren und um die kolloide Stabilität des Magnetfluids durch Bereitstellung
eines genügenden
Abstandes zwischen den Partikeln sicherzustellen.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung eines
Silan-Oberflächenmodifizierers mit
einem sehr niedrigen Molekulargewicht, zum Beispiel mit einem (1)
bis zehn (10) Kohlenstoffatomen in der Schwanzkette, um in der Lage
zu sein, zwischen das vorhandene Tensid einzudringen, um die freie (freiliegende)
Oberfläche
zu bedecken, die nicht von dem Tensid mit hohem Molekulargewicht
bedeckt ist. Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann das Silan nicht alleine zum Dispergieren der Magnetpartikel
verwendet werden.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 5,064,550 ist ein Super-Paramagnetfluid beschrieben, welches
ein stabiles Kolloid ist, welches einen nicht polaren Kohlenwasserstoffträger umfasst,
wobei die Magnetpartikel mit mindestens einer Säure beschichtet sind, die aus
der Gruppe ausgewählt
ist, die aus einer organischen Säure
besteht, die nur Kohlenstoff- und Wasserstoffatome in der mit der
Karboxylgruppe verbundenen Kette enthält, wobei die Kette mindestens
neunzehn (19) Kohlenstoffatome und eine mit der Fettsäure acylierte
Aminosäure enthält, wobei
die organischen und die Aminosäuren
verzweigt, ungesättigt
oder beides sind, und ein aschefreies Polymer bereitgestellt wird,
um die Viskosität
des Super-Paramagnetfluids zu erhöhen.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 5,085,789 ist eine Ferrofluidzusammensetzung
beschrieben, die im Wesentlichen aus feinen Partikeln ferromagnetischer
Partikel besteht, wobei Alkylnaphthalin als Träger und als ein Tensid verwendet
wird, wobei der wasserabweisende Teil aus einer Alkylnaphthalinstruktur
besteht.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 5,124,060 ist eine Ferrofluidzusammensetzung
beschrieben, die im Wesentlichen aus einem organischen Lösungsmittelträger besteht,
wobei mit oleophilen Gruppen beschichtete ferromagnetische Partikel
eine Affinität
für das
organische Lösungsmittel
aufweisen, und aus einem grenzflächenaktiven
Fluorkohlenwasserstoff.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 5,143,637 ist ein Magnetfluid beschrieben, welches
aus in einem organischen Lösungsmittel
dispergierten ferromagnetischen Partikeln besteht, wobei es sich
um ein Dispersionsmittel mit niedrigem Molekulargewicht handelt,
und aus einem Additiv mit einer Kohlenstoffzahl zwischen fünfundzwanzig
(25) und Fünfzehnhundert
(1.500). Das Dispersionsmittel mit niedrigem Molekulargewicht wird
zur Dispergierung der Partikel in einem organischen Träger verwendet.
In der Zusammenfassung dieser Referenz ist eine Abhandlung über die
Verwendung eines Verbindungsmittels wie zum Beispiel Silan als Dispersionsmittel vorhanden.
Das Verbindungsmittel muss jedoch ein genügend hohes Molekulargewicht
aufweisen, um als Dispersionsmittel zu wirken. Es sollte erwähnt werden,
dass in dem U.S.-Patent Nr. 5,143,637 kein besonderer Offenbarungsanspruch
vorhanden ist, der auf die Verwendung von Silan als ein Additiv
oder selbst als ein Dispersionsmittel ausgerichtet ist. Die thermische
Stabilität
des Fluids wird durch Zugeben eines Additivs mit hohem Molekulargewicht,
zum Beispiel bis zu Zwanzigtausend (20.000), erhöht, wobei es sich zum Beispiel
um Polystyrol-, Polypropylen-, Polybuten- oder Polybutadienpolymere handelt.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 5,147,573 ist ein Verfahren zur Herstellung
einer kolloiden Dispersion aus elektrisch leitenden Magnetpartikeln
beschrieben, die im Wesentlichen aus Super-Paramagnetpartikeln,
einer elektrisch leitenden organischen Metallverbindung, einem Dispersionsmittel,
welches ein nicht ionogenes, ein anionisches oder ein kationisches
Tensid umfasst, und einem organischen Kohlenwasserstofflösungsmittel
besteht.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 4,554,088 wird ein Polymersilan als ein Verbindungsmittel
verwendet. Bei den Verbindungsmitteln handelt es sich um eine besondere
Art von grenzflächenaktiven
Chemikalien, die funktionelle Gruppen an beiden Enden der langkettigen
Moleküle
aufweisen. Ein Ende der Moleküle
ist an der äußeren Oxidschicht
der Magnetpartikel befestigt, und das andere Ende ist an einer spezifischen
Verbindung befestigt, die bei solchen Anwendungen von Interesse
ist, wie zum Beispiel Arzneimittel, Antikörperenzyme usw.
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In
dem U.S.-Patent Nr. 5,240,628 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines Magnetfluids beschrieben, welches das Zugeben von N-Polyalkylenpolyamin-substitutiertem Alkenylsuccinimid
in ein wasserunlösliches oder
ein leicht wasserlösliches
organisches Lösungsmittel
zu einer wässrigen
Suspension aus feinen Partikeln von Ferriten, und Rühren der
sich ergebenden Mischung umfasst, wodurch eine Emulsion ausgebildet,
und das N-Polyalkylenpolyamin-substitutierte Alkenylsuccinimid auf
den feinen Partikeln von Ferriten absorbiert wird, dann das Herausdestillieren
von Wasser und des organischen Lösungsmittels
aus demselben, und Dispergieren der feinen Partikel von N-Polyalkylenpolyamin-substitutierten-Alkenylsuccinimidabsorbierten
Ferriten in einem Basisöl
mit niedrigem Dampfdruck, welches einen Dampfdruck von nicht mehr
als 0,1 mm Hg bei 25°c
aufweist.
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Bei
keinem der oben erwähnten
Patente ist ein Versuch vorhanden, den Oberflächenbereich der Magnetpartikel
zu bedecken, der nicht bereits von den Tensiden mit großen Abmessungen
bedeckt ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine chemisch stabile Magnetfluidzusammensetzung
und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zusammensetzung.
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Ein
Magnetfluid muss Stabilität
in zwei Bereichen an den Tag legen, um in aktuellen Industrieanwendungen
verwendet zu werden. Der erste besteht darin, dass magnetische Stabilität unter
einem sehr hohen Magnetfeldgradienten vorhanden sein muss, da die
Magnetpartikel unter hohen Magnetfeldgradienten zum Agglomerieren
neigen und sich aus dem Rest des Kolloids abscheiden. Der zweite
besteht darin, dass chemische Stabilität in Bezug auf Oxidation des
Tensids und des organischen Trägeröls vorhanden
sein muss. Alle organischen Öle
unterliegen im Laufe der Zeit einem lang samen oder schnellen Oxidationsprozess,
der mit der Temperatur und der Konzentration des Sauerstoffs im
Umgebungsbereich steigt, der mit dem Öl in Kontakt steht. Dieser
Oxidationsprozess hat eine erhöhte
Viskosität
des Öls
zum Ergebnis, der bis an den Punkt geht, dass das Öl ein Gel
oder Feststoff wird. Es ist auch ein anderer Mechanismus vorhanden,
bei dem Moleküle aufgespaltet
werden und schneller aus dem System heraus verdampfen. Dies ist
die wichtigste Bedingung, um ein chemisch stabiles Kolloid sicherzustellen,
welches Sauerstoff und hoher Temperatur ausgesetzt ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine Magnetfluidzusammensetzung mit verbesserter
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
chemischer Oxidation 1 bis 40 Volumenteile Magnetpartikel, 1 bis
ungefähr
30 Volumenteile zumindest eines Tensids, 10 bis ungefähr 90 Volumenteile
eines organischen Trägerfluids,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung auch 1 bis ungefähr 25 Volumenteile
eines Oberflächenmodifizierers
auf Silanbasis als ein Additiv umfasst, wobei die Silanbasis ein
bis drei hydrolysierbare Reste an einem Ende des Moleküls und einen
Schwanz von einem bis zehn Atomen aufweist, wobei die Silanbasis
kein Dispersionsmittel ist.
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Die
Erfindung wird nun an Hand eines Beispiels unter Bezugnahme auf
die dazugehörige
Zeichnung beschrieben, wobei:
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1 einen
Magnetpartikel mit einem langen Schwanz bzw. ein Tensid darstellt,
welches einen daran befestigten langen Schwanz aufweist.
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Ein
Tensid (S) mit langem Schwanz weist die in 1 sichtbare
Anordnung auf den Magnetpartikeln (MP) auf. Ein Tensid mit langem
Schwanz kann jedoch nicht die gesamte oxidierbare Oberfläche der
Magnetpartikel bedecken.
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Wiederholte
Versuche zeigen, dass ein organisches Öl in Kontakt mit einer festen
Oberfläche,
insbesondere Oxiden, eine schnellere Oxidation durchläuft. Die
Lebensdauer des Öls
wird bedeutend verringert, wenn das Öl mit Magnetpartikeln mit sehr
geringer Abmessung vermischt wird. Eine einfache Rechnung zeigt, dass
ein Kubikzentimeter Magnetfluid mit einer Sättigungsmagnetisierung von
Zweihundert (200) Gauss eine Anzahl von ungefähr zehn (10) bis sechzehn (16)
Magnetpartikeln mit einem Durchmesser von Einhundert (100) Angström aufweist.
Diese Anzahl von Partikeln stellt ungefähr dreißig (30) Quadratmeter an oxidierbarer Außenbereichsfläche pro
Kubikzentimeter an Magnetfluid oder pro ungefähr 0,7 Kubikzentimeter Volumen
von Öl
(ungefähr
0,55 Gramm) bereit. Diese Fläche
könnte
viel größer sein,
wenn man berücksichtigt,
dass die Oberfläche
des oxidierbaren Außenbereiches
nicht gleichförmig
ist, sondern eine Topographie mit „Bergen und Tälern" aufweist. Theoretisch
wird das Tensid auf Grund der sterischen Abstoßung im besten Fall achtzig
Prozent (80%) bis neunzig Prozent (90%) des oxidierbaren Außenbereiches
der Partikel bedecken. Es stehen etwa drei (3) bis (6) Quadratmeter
an unbedecktem oxidierbarem Außenbereich
mit einer sehr kleinen Menge von Öl (0,55 Gramm) in Kontakt.
Diese einfache Rechnung zeigt, dass die Hauptoxidationswirkung des Öls und des
Tensids auf Grund der immensen Oxidoberfläche durch den unbedeckten Oberflächenbereich
der Magnetpartikel bedingt ist.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird ein Oberflächenmodifizierer verwendet,
um den Bereich zu bedecken, der von dem bei der Herstellung des
Magnetfluids verwendeten Tensid nicht bedeckt wurde. Bei der vorliegenden
Erfindung ist es erforderlich, dass der Oberflächenmodifizierer ein sehr niedriges
Molekulargewicht aufweist, und dass es sich nicht um ein Dispersionsmittel
handelt, so dass er durch die Schwänze des vorhandenen Tensids
hindurchdringen kann, um den freien Bereich der nicht von dem vorhandenen
Tensid bedeckten Partikel zu bedecken.
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Der
Oberflächenmodifizierer
muss ein sehr kleines Molekulargewicht und Abmessung aufweisen,
um in der Lage zu sein, durch die unbedeckte oxidierbare Oberfläche der
Magnetpartikel durch den Schwanz der bereits mit der Oberfläche verbundenen
Tenside hindurchzudringen, an der Oberfläche zu haften und die Oberfläche gegen
Oxidation zu schützen.
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Der
bei der vorliegenden Erfindung verwendete Oberflächenmodifizierer besteht aus
einer (1) bis drei (3) ähnlichen
funktionellen Gruppen an einem Ende des Moleküls, und aus einem sehr kurzen
Schwanz von einem (1) bis zehn (10) Atomen. Der Modifizierer kann
durch die Formel R1 nSiR2 4–n dargestellt
werden, wobei die Gruppe R1 einen hydrolysierbaren
Rest bezeichnet, der aus der Gruppe gewählt ist, die aus Alkoxiden
mit einem bis drei Kohlenstoffatomen besteht; R2 einen
Alkylrest mit einem (1) bis zehn (10) Kohlenstoffatomen bezeichnet;
und n im Mittel 1, 2 oder 3 ist, wobei sich insbesondere Isobutyltrimethoxysilan
als bei der Erfindung verwendbare, besonders nützliche Oberflächenbehandlung
herausgestellt hat und durch die obige Formel dargestellt ist, wobei
R1 einen Methoxyrest, R2 den
Isobutylrest bezeichnet, und n drei ist. Der Mechanismus zur Verbindung
mit der freien oxidierbaren Oberfläche ist vermutlich wie folgt:
Der Alkoxyteil des Oberflächenmodifizierers
reagiert mit dem Proton von der anorganischen Hydroxylgruppe, so dass
sich Alkohol als Nebenprodukt bildet, und das Silikon verbindet
sich mit dem Sauerstoff von der auf der Außenschicht der Magnetpartikel
vorhandenen Hydroxylgruppe.
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Während der
Reaktion mit der Oberfläche
wird der Oberflächenmodifizierer
sogar noch kleiner, da annähernd
ein Drittel (1/3) des Moleküls
als ein Nebenprodukt dieser Reaktion eliminiert wird.
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Es
gibt mehrere andere Möglichkeiten
zur Verbesserung der chemischen Stabilität des Magnetfluids, wie zum
Beispiel Zugeben der passenden Menge eines Antioxidationsmittels,
Auswahl einer guten Kombination von (einem) Tensiden) und (einem)
Trägeröl(en), welches
eine im Wesentlichen gleichförmige
Partikelgröße aufweist,
die näher
an Einhundert (100) Angström
usw. liegt. Nachdem alle diese Optionen sorgfältig in Erwägung gezogen wurden, kann eine
weitere Verbesserung der chemischen Oxidation des Magnetfluids durch Zugeben
von Isobutyltrimethoxysilan oder anderen kleinen Molekülen erreicht
werden, die dieselbe Fähigkeit zum
Bedecken der Magnetpartikel aufweisen.
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BEISPIEL 1
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13,0
g Ferrosulfatheptahydrat und 24 g Eisen-III-chlorid-Hexahydrat wurden in Wasser
aufgelöst,
und die Gesamtmenge der Lösung
wurde auf 70 cm3 mit Wasser reguliert. 30
cm3 von 28%-iger Ammoniaklösung wurden
der Eisensalzlösung
zugegeben und Fe3O4-Partikel
wurden niedergeschlagen.
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Warme Ölseife,
die aus 2,1 g Ölsäure und
27 cm3 von 3%-iger Ammoniaklösung bestand,
wurde ebenfalls hergestellt. Die Ölseife wurde dann dem Fe3O4-Partikelschlamm mit
Rühren
zugegeben, wobei sich der gesamte Schlamm für eine Zeitdauer von über einer
(1) Stunde setzen konnte und die Partikel mit einem Ölion bedeckt
wurden. 30 cm3 Heptan wurden in den ölbedeck ten
Schlamm gegossen, und der gesamte Schlamm wurde gerührt und
zum Setzen in Ruhe gelassen. Die ölbeschichteten Partikel wurden
in Heptan peptisiert, und das Magnetfluid auf Heptanbasis wurde
in ein 200 cm3-Becherglas entleert.
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Die ölbedeckten
Magnetpartikel wurden mit 50 cm3 Azeton
ausgeflockt und der Überstand
wurde entfernt. Die Partikel wurden vier (4) Mal mit 50 cm3 Azeton, 75 cm3 Wasser
gewaschen, und 15 cm3 einer 28%-igen Ammoniaklösung wurden
in das Becherglas zugegeben und die Partikel wurden durch leichtes
Umrühren
zum Beispiel mit ungefähr
260 U/min. schwebend gehalten.
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Der
Schlamm wurde auf 70°C
erwärmt
und 11 cm3 Isobutyltrimethoxysilan wurden
zugegeben, und die Schlammtemperatur wurde für eine Zeitdauer von 30 Minuten
auf ungefähr
75°C ± 5°C gehalten.
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Nach
dem Abkühlen
des Schlammes wurde der Überstand
entfernt, und die Partikel wurden fünf (5) Mal mit 50 cm3 Azeton gewaschen.
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Dann
wurden die gewaschenen Partikel in Heptan dispergiert, und 20 cm3 von 2 Centistokes Polyalphaolefinöl wurden
bei 100°C
zu dem Magnetfluid auf Heptanbasis zugegeben, das Heptan wurde durch
Erwärmen
desselben entfernt, und die Sättigungsmagnetisierung
des Magnetfluids auf Ölbasis
wurde durch das Zugeben von Öl
auf 200 Gauss reguliert.
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Das
Magnetfluid, Muster #1-1, welches 200 Gauss und 2 Centistokes Ölbasis betrug,
wurde erhalten. Ein anderes Magnetfluid, Muster #1-2, welches 200
Gauss und 2 Centistokes Ölbasis
betrug, wurde auf dieselbe Art und Weise wie Muster #1-1 mit der
Ausnahme hergestellt, dass das Isobutyltrimethoxysilan während des
Verfahrens nicht auf die Partikel aufgebracht wurde.
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Die
Magnetfluids, Muster #1-1 und #1-2, wurden jeweils in einer Glasschale
mit einem Innendurchmesser von 12,9 mm, einem Außendurchmesser von 15,0 mm
und einer Länge
von 10 mm positioniert. Die Dicke des Magnetfluids in der Glasschale
betrug 3 mm. Die Glasschalen wurden in einem Loch positioniert, welches
in eine Aluminiumplatte gebohrt war (110 mm × 110 mm × 10 mm), wobei das Loch so
bemessen war, dass die Glasschale mit Passsitz hineinpasste. Die
Aluminiumplatte wurde dann auf einem Aluminiumblock (220 mm × 220 mm × 20 mm)
bei einer geregelten Temperatur in einem Ofen positioniert. Es wurde
ein Test bei 80°C
durchgeführt,
dessen Ergebnis in Tabelle 1 dargestellt ist.
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BEISPIEL 2
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Das ölbedeckte
und mit Isobutyltrimethoxysilan behandelte Magnetfluid auf Heptanbasis
wurde auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt.
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7
cm3 Polyisobutenylsuccinimid und 13 cm3 von 6 Centistokes Polyalphaolefinöl wurden
bei 100°C
zu dem Magnetfluid auf Heptanbasis zugegeben, das Heptan wurde durch
Erwärmen
desselben entfernt und die Sättigungsmagnetisierung
des Magnetfluids auf Ölbasis
wurde durch das Zugeben des Öls
auf 200 Gauss reguliert.
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Ein
Magnetfluid, Muster #2-1, welches 200 Gauss und 6 Centistokes Ölbasis betrug,
wurde erhalten.
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Ein
anderes Magnetfluid, Muster #2-2, welches 200 Gauss und 6 Centistokes Ölbasis betrug,
wurde auf dieselbe Art und Weise wie Muster #2-1 mit der Ausnahme
hergestellt, dass das Isobutyltrimethoxysilan während des Verfahrens nicht
auf die Partikel aufgebracht wurde.
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Ein
Gelierzeittest wurde auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel
1 beschrieben, für
die Muster #2-1 und #2-2 durchgeführt, wobei die Prüftemperatur
jedoch auf 150°C
angehoben wurde. Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
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Die
chemisch stabile Magnetfluidzusammensetzung umfasst
bis ungefähr 40 Volumenteile
Magnetpartikel, vorzugsweise ungefähr 1 bis 40 Volumenteile Magnetpartikel;
bis
ungefähr
30 Volumenteile zumindest eines Tensids, vorzugsweise ungefähr 1 bis
ungefähr
30 Volumenteile zumindest eines Tensids;
10 bis ungefähr 90 Volumenteile
eines organischen Trägerfluids;
und
bis ungefähr
25 Volumenteile eines Oberflächenmodifizierers
auf Silanbasis, vorzugsweise ungefähr 1 bis ungefähr 25 Volumenteile
eines Oberflächenmodifizierers
auf Silanbasis als ein Additiv, um die chemische Oxidation der Zusammensetzung
zu verbessern.
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Das
Tensid ist aus der Klasse von Tensiden ausgewählt, die aus kationischen Tensiden,
anionischen Tensiden und nicht ionogenen Tensiden besteht, und ein
Molekulargewicht von zumindest 150 aufweist, wobei das Trägerfluid
ein organisches Molekül
ist, das mit den Tensiden kompatibel ist.
