DE69802464T2

DE69802464T2 - Verfahren zur Herstellung von magnetischer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE69802464T2
Application number: DE69802464T
Authority: DE
Inventors: Lutful M. Aziz; Kuldip Raj
Original assignee: Ferrofluidics Corp
Current assignee: Ferrofluidics Corp
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: EP0880149A1; EP0880149B1; US5958282A; DE69802464D1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft Prozesse zur Herstellung von Ferrofluiden in wesentlich größeren Mengen und in kürzerer Zeit, als dies mit bestehenden Techniken möglich ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Ferrofluide sind kolloidale Systeme, die magnetische Partikel enthalten, typischerweise einen Durchmesser im Größenbereich von 10 nm aufweisen und in einem flüssigen Träger suspendiert sind. Der Unterschied zwischen Ferrofluiden und anderen bekannten Kolloiden besteht darin, daß Ferrofluide besonders Partikel verwenden, die magnetische Eigenschaften besitzen, während andere Kolloide aus nicht magnetischen Partikeln zusammengesetzt sind. Kommerziell erhältliche Ferrofluide setzen sich im allgemeinen aus Magnetit- oder gemischten Ferritpartikeln zusammen, obgleich es möglich ist, Partikel anderer magnetischer Materialien, wie z. B. Eisen, Kobalt, Nickel, Chromdioxid, Eisennitrid oder magnetische Legierungen dieser Materialien, zu verwenden. Im allgemeinen ist das Ferrofluid kolloidal stabil und besitzt eine relativ geringe Viskosität.
Um ein stabiles Kolloid zu bilden, sollte die Partikelgröße im Bereich von 10 nm liegen. In der Praxis sind die Partikel im allgemeinen kugelförmig und klein genug, um einen einzelnen magnetischen Bereich zu bilden, der einen winzigen Dauermagnet mit einem zugehörigen Nord- und Südpol bildet. Die Partikel besitzen des weiteren Schichten aus Surfactants, um eine durch magnetische Anziehungskräfte und Van der Waalssche Anziehungskräfte verursachte Agglomeration zu verhindern. Es ist auch möglich, ein stabiles Kolloid zu bilden, indem entweder positive oder negative elektrische Ladungen verwendet werden, um die Partikel getrennt zu halten: diese Formulierungen werden als "ionische Ferrofluide" bezeichnet. Die in den einzelnen Arten von Ferrofluiden verwendeten Surfactants sind trägerspezifisch, da der jeweilige Surfactant mit dem Träger verträglich sein muß. Die Partikel können entweder eine Einzelschicht oder eine Doppelschicht aus Surfactants besitzen und entweder kationischer, anionischer oder nicht ionischer Art sein.
Ein typisches Ferrofluid kann aus den folgenden Volumenanteilen bestehen: 4% Partikel, 8% Surfactants, und 88% flüssiger Träger. Ferrofluide sind durch den flüssigen Träger gekennzeichnet, in dem die Partikel suspendiert sind, da dieser die Hauptkomponente darstellt. Ein auf Wasser basierendes Ferrofluid ist zum Beispiel eine stabile Suspension aus magnetischen Partikeln in Wasser, wohingegen ein auf Öl basierendes Ferrofluid eine stabile Suspension aus magnetischen Partikeln in einem Öl ist (wie zum Beispiel ein Kohlenwasserstoff, ein Ester, ein Fluorkohlenstoff, ein Siliconöl oder ein Polyphenylether, usw.). Die physikalischen Eigenschaften eines Ferrofluids basieren ebenfalls auf der Auswahl des flüssigen Trägers, da dieser die Mehrheitskomponente darstellt. Darüber hinaus sind, wie oben erwähnt, die Surfactants für Ferrofluide auf Wasser- und Ölbasis unterschiedlich.
Magnetische Kolloide können als "flüssige Magneten" betrachtet werden, die mit einem Magnetfeld manipuliert und positioniert werden können, um Abdichtungen durchzuführen und die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Zu den kommerziellen Anwendungen von Ferrofluiden gehören Abdichtungen, Dämpfungen, Wärmeübertragung, Schalldämmung, Materialtrennung, sowie Abfühlungen und Teileüberprüfungen. Sie werden in unterschiedlichsten Produkten, wie zum Beispiel als Ausschließungsdichtungen, Lautsprecher und Schrittmotoren, verwendet. Zu den typischen Industriebereichen, in denen Produkte auf Ferrofluid-Basis eingesetzt werden, gehören: die Halbleiterindustrie, die Computerindustrie, die Luftfahrtindustrie, sowie die Erdöl- und Bergbauindustrie.
Die bekannten Herstellungsprozesse für die Erzeugung von Ferrofluiden beginnen meistens mit der Herstellung von Partikeln aus einem Eisenwerkstoff mit geeigneter Größe, wie zum Beispiel Fe3O4 (Magnetit). Magnetitpartikel mit einer Unterbereichsgröße (z. B. etwa 10 nm), wie sie für die Verwendung in einem Ferrofluid erforderlich sind, stehen kommerziell nicht zur Verfügung. Daher werden zwei Verfahren angewendet, um Partikel geeigneter Größe herzustellen: das Mahlen in einer Kugelmühle und chemische Ausfällung. Diese Verfahren werden im Detail in einem Buch mit dem Titel Ferrohydrodynamics von R. E. Rosensweig; Cambridge University Press, sowie in einem Buch mit dem Titel Magnetic Fluid Handbook and Applications Handbook, Herausgeber B. Berkovoski, Begell House, Inc., New York (1996), beschrieben.
Ein typischer Mahlprozeß in einer Kugelmühle beginnt mit kommerziell erhältlichem Magnetpulver, wie zum Beispiel Magnetitpulver, das Partikel enthält, deren Größe im Mikronbereich liegt, wie zum Beispiel zwischen etwa 0,15 und 0,3 Mikron (z. B. zwischen etwa 150 nm bis 300 nm). Die kommerziell verfügbaren Magnetitpartikel werden danach gemahlen, um ihre Größe um etwa 90% zu reduzieren, nämlich auf etwa 10 nm. Ein typischer Mahlprozeß in einer Kugelmühle ist im US-Patent Nr. 3.917.538 beschrieben. Bei diesem Prozeß werden entsprechende Mengen an Magnetitpulver, an Surfactants und einem Lösemittel in ein Edelstahl- Mahlgefäß gegeben, das zu etwa 40% mit Mahlkörpern gefüllt ist, wie zum Beispiel mit 6,35 mm (1/4 Zoll) großen Stahlkugeln. Um ein möglichst wirkungsvolles Mahlen zu ermöglichen, sollte die Viskosität des Lösemittels niedrig sein. In einem auf Wasser basierenden Ferrofluid besitzt der Wasserträger eine niedrige Viskosität und kann daher als Lösemittel für den Mahlprozeß verwendet werden. Bei einem auf Öl basierenden Ferrofluid besitzt die Trägerflüssigkeit oft eine relativ hohe Viskosität. In der Folge wird während des Mahlvorgangs oft ein Lösemittel mit einem geringen Molekulargewicht dem Ölträger hinzugegeben, um die Viskosität zu verringern. Dieses Lösemittel wird in der Folge durch Verdampfung entfernt, um die Sättigungsmagnetisierung im fertigen Ferrofluid zu erhöhen.
Durch die Walzwirkung der Mühle wirkt das Medium wiederholt auf das grobe Magnetit ein und zerkleinert es zu Partikeln mit Unterbereichsgröße, wobei einige der Partikel gleichzeitig mit dem Surfactant beschichtet werden. Da das Mahlmedium eine relativ niedrige Scherenergie erzeugt, dauert ein herkömmlicher Kugelmühlenzerkleinerungsvorgang zwischen zwei und sechs Wochen, wobei die Dispersionsqualität gering ist. Das durch diesen Prozeß gebildete Kolloid umfaßt im allgemeinen unbeschichtete Partikel und große Aggregate und erfordert daher einen nachfolgenden Verfeinerungsschritt, bei dem unerwünschte Partikel und Aggregate entfernt werden.
Darüber hinaus besitzt das fertige Produkt auf Grund des Vorhandenseins kleiner Partikel, die während des Mahlvorgangs erzeugt werden, oft eine hohe Viskosität. Es ist bekannt, daß diese kleinen Partikel die thermische Beständigkeit des Fluids weiter verschlechtern. Man nimmt auch an, daß der Prozeß nur große Aggregate nützlicher kleiner Partikel verringern kann, die anfangs im kommerziell erhältlichen Magnetitpulver vorhanden sind. Der Ertrag ist gering, die Ausfällungszeiten sind lang, und die dabei entstehenden Kosten sind hoch, so daß das Kugelmühlen- Mahlverfahren im allgemeinen für die Großmengenherstellung kommerzieller Ferrofluide nicht geeignet zu sein scheint.
Magnetitpartikel können auch durch chemische Ausfällungsprozesse erzeugt werden. Im allgemeinen werden bei solchen Prozessen Magnetitpartikel durch Vermischen von eisenhältigen Lösungen und Ferrisalzlösungen in Gegenwart eines alkalischen Mediums erzeugt. Die sich daraus ergebenden Partikel werden danach mit dem Surfactant beschichtet. Mit Hilfe dieser Technik können sowohl auf Wasser als auch auf Öl basierende Ferrofluide erzeugt werden. So offenbart zum Beispiel das US-Patent Nr. 5.240.626 die Synthese eines auf Wasser basierenden Ferrofluids, in dem Magnetitpartikel in Nanogröße mit einem einzelnen carboxylfunktionalen Polymersurfactant beschichtet werden. Zwei getrennte Surfactantbeschichtungen werden im US-Patent Nr. 4.094.804 für Magnetitpartikel in wässriger Phase verwendet. Lignosulphonat, ein Nebenprodukt der Zellstofferzeugung, wurde für die Herstellung eines kostengünstigen, auf Wasser basierenden Kolloids durch chemische Ausfällung von Magnetit-Mikrokristallen verwendet, wie dies im US-Patent Nr. 4.110.208 offenbart ist.
Ferrofluid, das mit Hilfe dieser Prozesse erzeugt wird, erfordert jedoch typischerweise eine umfassende Verarbeitung, nachdem die Partikel erzeugt wurden, um die Partikelgröße auf einen akzeptablen Bereich zu beschränken. Das sich daraus ergebende Ferrofluid besitzt auch eine hohe Viskosität und eine geringe Magnetisierung. Aus diesem Grund ist dieses Fluid für viele praktische Anwendungen nicht geeignet. Darüber hinaus erfordert die chemische Ausfällung die Verwendung mehrerer Chemikalien, umfangreiche Verarbeitungsschritte, wie zum Beispiel das Waschen von Partikeln, das kontrollierte Erwärmen für die Befestigung des Surfactants und die magnetische Trennung zur Trennung der Phasen. Während des Prozesses wird auch chemischer Abfall erzeugt. Die auf diese Weise erzeugten Kolloide sind teuer.
Wenngleich zahlreiche Prozesse zur Herstellung von Ferrofluiden bekannt sind, handelt es sich bei diesen Fluiden selbst 25 Jahre nach deren erstmaligem Bekanntwerden noch immer um Spezialprodukte, die in kleinen Mengen bei hohen Herstellungskosten erzeugt werden. Daher sind Ferrofluide derzeit für Anwendungen mit hohem Volumen, wie zum Beispiel Stromtransformatoren und Materialseparatoren, kommerziell nicht einsetzbar.
Daher besteht ein Bedarf an einem Prozeß, mit dessen Hilfe es möglich ist, ein kostengünstiges Ferrofluid zu erzeugen, das in kurzer Zeit in großen Mengen hergestellt werden kann. Es ist auch wünschenswert, daß ein solches Fluid auf Wasser basiert, da Fluide auf Wasserbasis die Verwendung minimaler Mengen an chemischen Zutaten erfordern und sehr kostengünstig sein können, da der Wasserträger kostengünstig ist. Weiters sollte das Ferrofluid durch einen Prozeß erzeugt werden, der keine Abfälle verursacht und nicht arbeitsintensiv ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß den Prinzipien der Erfindung verwendet ein Ferrofluid-Herstellungsprozeß ein nicht magnetisches Eisenpulver als Ausgangsmaterial und führt Energie zu diesem nicht magnetischen Eisenpulver zu, um es magnetisch und damit für die Verwendung in einem Ferrofluid geeignet zu machen.
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem nicht magnetischen Ausgangsmaterial um α-Fe&sub2;O&sub3;, das in der Literatur oft als rotes Eisenoxid bezeichnet wird. Dieses Material ist kommerziell in einer Partikelgröße im Bereich von 10 nm erhältlich, weshalb nur wenig bis kein MahlaufWand erforderlich ist, um die Größe dieser Partikel zu verringern. Das Material wird zusammen mit einem Lösemittel und einem Surfactant in eine kommerzielle Reibungsmühle gegeben, wo die Mühlenwirkung die nicht magnetischen Partikel in magnetische Partikel umwandelt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird Wasser als Mahllösemittel und als Trägerflüssigkeit für das Ferrofluid verwendet. Dadurch entfällt die Notwendigkeit des Lösemittel-Austauschschrittes, der bei Ölträgern erforderlich ist. Das sich daraus ergebende, auf Wasser basierende Ferrofluid besitzt eine hohe Sättigungsmagnetisierung, eine niedrige Viskosität und eine gute kolloidale Stabilität. Mit Hilfe des erfinderischen Verfahrens kann eine große Menge an Fluid auf kostengünstige Weise in kurzer Zeit synthetisiert werden. Dadurch können leicht sehr hohe Produktionsmengen erzielt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die oben genannten sowie weitere Vorteile der Erfindung können besser durch die Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in denen:
Fig. 1 ein schematisches Fließbild der Verarbeitungsvorrichtung ist, die entweder in einem Chargenmodus oder in einem kontinuierlichen Modus verwendet werden kann, um ein Ferrofluid gemäß dem erfinderischen Verfahren herzustellen.
Fig. 2 ein Graph ist, der eine Verkürzung der Verarbeitungszeit zeigt, wenn im Vergleich zur herkömmlichen Verwendung einer Kugelmühle eine Reibungsmühle zum Mahlen der Ferrofluid-Ausgangsmischung gemäß den Prinzipien der Erfindung verwendet wird.
Fig. 3 eine Tabelle ist, welche charakteristische Eigenschaften des mit verschiedenen Surfactants gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Ferrofluide zeigt.
Fig. 4 eine Tabelle ist, welche charakteristische Eigenschaften des in großen Mengen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung hergestellten Ferrofluide zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Ausgangsmaterial um ein nicht magnetisches rotes Eisenoxid. Das in dieser Ausführungsform verwendete rote Eisenoxid wurde von der Firma BASF in Mount Olive, New Jersey, hergestellt. Dieses Material wird unter der Handelsbezeichnung "rotes Carbonyl-Eisenoxid" verkauft. Die Partikelgröße liegt im Bereich von 10-130 nm. Die Schüttdichte des Pulvers beträgt 0,7-0,8 kg/l, und es ist wasserunlöslich. Es wurde ein Röntgenstrahldiffraktionsmuster des Pulvers erzeugt und dadurch bestätigt, daß es sich um α- Fe&sub2;O&sub3; handelt. Als ein Magnet in die Nähe des Pulvers gebracht wurde, zeigte dieses keine magnetische Anziehungskraft.
Das α-Fe&sub2;O&sub3; Ausgangsmaterial wird in einer Reibungsmühle verarbeitet, die eine starke Scherkraft auf das Material ausübt, um das nicht magnetische rote Eisenoxidpulver in magnetisches Magnetit (Fe&sub3;O&sub4;) umzuwandeln. Reibungsmühlen können von zahlreichen unterschiedlichen Quellen gekauft werden. In den folgenden Beispielen wurden zwei unterschiedliche Maschinen, die von der Firma Union Process aus Akron, Ohio, erzeugt werden, verwendet. Die erste Reibungsmühle war das Modell 01-HDDM (1,4 Liter Schalenkapazität), bei dem es sich um eine vertikale Laborreibungsmühle für die Verarbeitung kleiner Materialmengen handelt. Die zweite Reibungsmühle war ein Modell DM-20 (20 Liter Schalenkapazität), bei dem es sich um eine horizontale Reibungsmühle für mittelgroße Produktionsmengen handelt. Als Reibmedium wurden in diesen Mühlen Kugeln aus Kohlenstoffstahl mit einem Durchmesser von 0,85 oder 0,25 mm verwendet, und die Mühlen konnten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrieben werden. Die Reibungsmühle enthält eine sich drehende Welle, an der eine Reihe von Scheiben mit Löchern befestigt ist, welche die kinetische Wellenenergie auf das Mahlmedium und den Schlamm in der Mühle übertragen. Die vom Prozeß erzeugte Wärme wird durch den Fluß der verrührten Suspension sowie durch Kühlung von außen abgeleitet. Diese Mühlen werden herkömmlicherweise bei Mahl- und Dispersionsanwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel bei der Herstellung von Druckerfarben, Lacken und Beschichtungsmaterialien.
Wenn die Laborreibungsmühle 01-HDDM verwendet wird, werden die im Mahlprozeß verwendeten Materialien direkt und einzeln durch eine Öffnung in das Gefäß geleert. Die Welle wird zuerst mit niedriger Geschwindigkeit gedreht, um die Materialien zu vermischen. Danach wird die Geschwindigkeit zwecks Kolloidbildung erhöht. Wenn das Material in der Reibungsmühle DM-20 verarbeitet wird, kann der Prozeß kontinuierlich oder in Chargen durchgeführt werden. In beiden Fällen wird zuerst ein wässriger Schlamm, Surfactant und rotes Eisenoxid in einem großen Faß, wie zum Beispiel einem 208,2 l (55 Gallonen) fassenden Faß, vorgemischt und danach in die Reibungsmühle geleert.
Fig. 1 ist ein schematisches Fließbild einer veranschaulichenden Vorrichtung für die Chargenproduktion oder die kontinuierliche Produktion von Ferrofluid gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Wasser-Lösemittel, das Surfactant und rotes Eisenoxid werden in den richtigen Anteilen, wie sie unten beschrieben werden, in den Vormischkessel 100 gegeben. Ein Rührwerk 102 hält das Eisenoxid im Schlamm in Suspension. Der Schlamm wird durch das Auslaßrohr 104 zu einem Ventil 106 geführt, welches den Schlamm über das Rohr 108 zu einer Schlauchquetschpumpe 110 führt.
Von der Pumpe 110 wird der Schlamm über das Rohr 112 zur DM-20 Reibungsmühle 114 geführt, wo der Schlamm vermahlen wird, um ein stabiles Kolloid zu erzeugen und das nicht magnetische Eisenoxid in Magnetit umzuwandeln. Die Mühle 114 ist über die Rohre 115 und 115A mit dem Wärmetauscher/Kühler 116 verbunden, der die Temperatur der Mischung regelt. Die Mischung wird dann durch das Rohr 118 zum Sammelbehälter 122 geführt. Ein zweites Rührwerk 120 hält die Mischung in Suspension. Die Mischung kann über das Rohr 124 zum Ventil 106 und zur Pumpe 110 zurückgeführt werden, um eine zweite Verarbeitung in der Reibungsmühle zu durchlaufen, falls die gewünschte Magnetisierung in einem ersten Durchlauf durch die Reibungsmühle 114 nicht erzielt werden konnte. Alternativ dazu kann das fertige Ferrofluid aus dem Sammelgefäß 122 entfernt werden. Wenn die Vorrichtung im Chargenmodus verwendet wird, wird der vorgemischte Schlamm im Gefäß 100 in die Reibungsmühle geleitet und dort gemahlen. Das sich daraus ergebende Kolloid wird im Sammelgefäß 122 gesammelt. Wenn der gesamte Inhalt des Gefäßes 100 von der Mühle 114 verarbeitet wurde, wird der gesamte Inhalt des Gefäßes 122 über das Rohr 124 zurück zum Gefäß 100 geführt, und der Mahlvorgang wird wiederholt.
In einer Reibungsmühle ist der Mahlvorgang viel aggressiver als in einer Kugelmühle. Aus diesem Grund können mit einer Reibungsmühle zufriedenstellende Ergebnisse in viel kürzerer Zeit erzielt werden als mit einer Kugelmühle, und die Verwendung einer Reibungsmühle ist ein wichtiger Faktor bei der Verkürzung der Mahldauer und der Verringerung der Kosten für die Herstellung des Ferrofluids. Zur Veranschaulichung wurde das selbe, auf Wasser basierende Ferrofluid mit der zuvor erwähnten Labormühle und einer herkömmlichen Kugelmühle hergestellt. Die Bestandteile des Ferrofluids wurden sowohl in der Reibungsmühle als auch in der Kugelmühle in den selben Anteilsverhältnissen verwendet. Fig. 2 zeigt die Ergebnisse dieser Veranschaulichung. Ein stabiles Kolloid mit einer akzeptablen Sättigungsmagnetisierung wird von der Reibungsmühle in viel kürzerer Zeit hergestellt als von der Kugelmühle. Zum Beispiel wurde ein Ferrofluid mit einer Sättigungsmagnetisierung von 60 Gauss mit der Reibungsmühle in 60 Minuten hergestellt, aber die Kugelmühle mußte ungefähr 60 Stunden lang betrieben werden, um ein Ferrofluid mit einer entsprechenden Sättigungsmagnetisierung zu erzeugen.
Die Laborreibungsmühle 01-HDDM wurde zum Testen zahlreicher unterschiedlicher Surfactanten für die Herstellung von auf Wasser basierenden Ferrofluiden verwendet. Manche Surfactants eigneten sich besser als andere, und manche Surfactants waren überhaupt nicht geeignet. Die Tests wurden mit der folgenden Mischung durchgeführt: 30 Gramm α-Fe&sub2;O&sub3;, 175 cm³ entionisiertes Wasser, 12 Gramm Surfactant und 400 cm³ Stahlmahlkugeln mit 0,85 mm Durchmesser. Bei jedem Test wurde das α-Fe&sub2;O&sub3; Eisenoxidpulver, entionisiertes Wasser und ein ausgewähltes Surfactant wie oben beschrieben separat in die Laborreibungsmühle 01-HDDM zugegeben und vor dem eigentlichen Vermahlen mit geringer Geschwindigkeit vermischt.
Jeder Mahlvorgang dauerte 6 Stunden und wurde bei einer Reibungsmühlenwellengeschwindigkeit von 3500 U/Min. durchgeführt. Während des Mahlvorgangs wurde kein Kühlwasser verwendet. Die Temperatur des Schlammes erreichte ungefähr 70ºC, als ein stabiler Zustand erreicht wurde. Das sich daraus ergebende Ferrofluid war durch seine Sättigungsmagnetisierung und seine Farbe gekennzeichnet. Ein qualitativ hochwertiges Ferrofluid besitzt eine hohe Sättigungsmagnetisierung und eine gleichförmige schwarze Farbe. Ferrofluide mit niedriger Sättigungsmagnetisierung können nur eingeschränkt verwendet werden. Eine braune Farbe zeigt an, daß das Surfactant mit den anderen Inhaltsstoffen chemisch unverträglich ist, und daß die Partikel nicht ordentlich beschichtet wurden. Die Ergebnisse für eine Anzahl von Surfactants sind in Fig. 3 zusammengefaßt. Auch andere Surfactants wurden getestet, aber sie konnten entweder die Partikel nicht beschichten, oder sie schäumten übermäßig und waren daher nicht zufriedenstellend.
Das selbe Rezept wurde für die Ausfällung von Eisenoxidschlamm für die Großmengenproduktion von Ferrofluid mit der Reibungsmühle DM-20 mit der in Fig. 1 dargestellten Verarbeitungsvorrichtung verwendet. Nur ein Surfactanttyp wurde in den Tests mit der DM-20 Reibungsmühle verwendet, nämlich das Westvaco Poleax 88B Surfactant.
Bei diesen Tests wurde 40 Kilogramm eines roten α- Fe&sub2;O&sub3; Eisenoxids in ein 208,2 l (55 Gallonen) großes Faß gegeben. Fünfzehn Kilogramm Poleax 88B Surfactant wurden hinzugefügt, und danach wurden 151,4 l (40 Gallonen) entionisiertes Wasser hinzugefügt. Die Zutaten wurden verrührt und vermischt, um 170,34 l (45 Gallonen) eines homogenen Schlamms zu erhalten.
Chargen von 170,34 l (45 Gallonen) dieses Schlamms wurden danach mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung verarbeitet, die im Chargenmodus betrieben wurde. Die Mischung aus dem Gefäß 100 wurde mit einer Geschwindigkeit von 75,7 l (20 Gallonen) pro Stunde in die Reibungsmühle 114 geleitet. Die gesamte Ausgabe der Mühle wurde in einem leeren Behälter 122 gesammelt. Dieser Vorgang stellte den "Durchgang Nr. 1" dar. Der gesamte Inhalt des Gefäßes 122 wurde danach für einen zweiten Durchgang in das Gefäß 100 geleitet. Dieser Vorgang wurde für jede Charge von 170,34 l (45 Gallonen) für insgesamt vier Durchgänge wiederholt. Die Gesamtzeit pro Durchgang betrug ungefähr zwei Stunden.
Die Ergebnisse für fünf Chargen von 170,34 l (45 Gallonen) sind in Fig. 4 dargestellt. Bei der Messung der Partikelgröße wurde in jeder Charge ein Größenbereich von 9 nm (90 Ångström) festgestellt. In etwa 8 Stunden wurden die 170,34 l (45 Gallonen) an "gebrauchsfertigem" Ferrofluid mit diesem Vorgang hergestellt. Die Sättigungsmagnetisierung des Fluids betrug 165 Gauss. Die Verwendung einer Reibungsmühle mit größerer Kapazität wird einen größeren Durchsatz ermöglichen. Während der Ausfällung wurde kein Abfall erzeugt.
Es wurden auch Versuche unternommen, auf Wasser basierende Ferrofluide sowohl mit der Labor-Reibungsmühle als auch der Kugelmühle mit den (hinsichtlich der Partikelgröße) besten schwarzen Magnetitpulvern, die am Markt verfügbar sind, synthetisch herzustellen. Es wurde das selbe Rezept verwendet wie für das Mahlen des roten Oxids. Zusätzlich dazu handelte es sich bei dem verwendeten Surfactant um Westvaco Poleax 88B, das bekanntermaßen mit rotem Eisenoxid gut zusammenarbeitet. Eine Quelle für Magnetitpulver war ein Produkt, das die Bezeichnung "BASF Micromagnetite" trägt und von der Firma BASF in Mount Olive, New Jersey, hergestellt wird. Dieses Pulver hatte eine Partikelgröße von 150 nm (0,15 Mikron). Eine weitere Quelle für Magnetitpulver war ein Produkt mit der Bezeichnung HPX-6173, das von der Firma Harcros Pigment in Fairview Heights, Illinois, hergestellt wird und eine Partikelgröße von 45 nm aufweist. Unsere Ergebnisse mit diesen Experimenten zeigten, daß die auf diese Weise gebildeten Kolloide nicht sehr stabil waren, und daß sich viele Partikel setzten. Die Magnetisierung der Ferrofluide war gering (~10 Gauss). Das Ergebnis mit der Reibungsmühle war jedoch besser als mit der Kugelmühle.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung von kolloidalen Ferrofluiden in einer wesentlich kürzeren Zeit als mit herkömmlichen Techniken. Die Verarbeitungszeit kann von Stunden auf Minuten oder von Tagen auf Stunden verkürzt werden, wodurch die wirtschaftliche Herstellung von Ferrofluiden in kommerziellen Mengen ermöglicht wird. Das sich daraus ergebende, auf Wasser basierende Ferrofluid besitzt eine hohe Sättigungsmagnetisierung, eine niedrige Viskosität und eine gute kolloidale Stabilität. Eine große Fluidmenge kann in kurzer Zeit kostengünstig synthetisch hergestellt werden, und der Prozeß kann leicht an ein sehr hohes Produktionsvolumen angepaßt werden. Die Technik ist automatisiert, erfordert minimale Überwachung und umfaßt eine geringe Anzahl an Arbeitsschritten. Bei der synthetischen Herstellung wird kein Abfall erzeugt, da nur drei Komponenten für die Herstellung des Fluids verwendet werden.
Wenn dieses auf Wasser basierende Ferrofluid mit einem kationischen Surfactant hergestellt wird, wie dies im US-Patent Nr. 3.917.438 an Rosensweig diskutiert wird, können zusätzlich dazu die magnetischen Partikel unumkehrbar beflockt und auf kostengünstige Weise verarbeitet werden, indem sie mit einer Auswahl eines neuen Surfactants in einem anderen Medium, wie zum Beispiel einem Ölträger, erneut suspendiert werden.
Wenngleich diese Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, ist es für Fachleute dieses Bereiches doch offensichtlich, daß verschiedene Änderungen an Form und Inhalt daran vorgenommen werden können, ohne dadurch vom Umfang der Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen dargelegt wird, abzuweichen.

Claims

1. Ein Verfahren zur Erzeugung eines Ferrofluids enthält die Schritte:

(a) Kombinieren von Partikeln von α-Fe&sub2;O&sub3;, Wasser und ein Surfactant zur Bildung eines Schlamms;

(b) Einbringen des Schlamms in eine Reibungsmühle, und

(c) Betätigen der Reibungsmühle über eine Zeitspanne, die ausreichend ist, um die nichtmagnetischen Eisenoxid-Partikel in magnetische Oxidpartikel umzuwandeln.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin der Surfactant Westvaco Reax 88B ist.

3. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin die α-Fe&sub2;O&sub3; Partikel eine Größe zwischen 10 und 130 nm haben.

4. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin die α-Fe&sub2;O&sub3; Partikel aus rotem Carbonyl-Eisenoxid-Pulver von BASF bestehen.

5. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin das Wasser entionisiertes Wasser ist.

6. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt (b) den Schritt umfaßt:

(b1) Einbringen eines Stahlmahl-Mediums in die Reibungsmühle.

7. Das Verfahren nach Anspruch 6, worin das Stahlmahl-Medium Kugeln aus Kohlenstoffstahl im Durchmesser von 0,25 mm sind.

8. Das Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schlamm in Gewichtsanteilen 19% α-Fe&sub2;O&sub3; Pulver, 73% Wasser und 8% Westvaco Reax 88B Surfactant aufweist.

9. Das Verfahren nach Anspruch 1 und 8, worin die Zeitspanne im Schritt (c) ausreichend lang ist, so daß das erzeugte Ferrofluid eine vorbestimmte Sättigungsmagnetisierung von wenigstens 150 Gauss erhält.