新型磁性液体的制备及其旋转轴动态封油技术研究

摘要：磁性液体是一种重要的新型功能材料，具有独特的物理、化学性质及其非常广泛的应用。本文采用化学共沉淀法制备了纳米级（10nm）Fe3O4微粒，并采用自制的表面活性剂和ZDW基液制备了新型憎油基磁性液体，探讨了该磁性液体在旋转轴动态封油上的应用，并讨论了密封器件的极齿结构参数、永磁体的选择、密封级数等参数对旋转轴动态封油性能的影响。

　　关键词：磁性液体，转轴密封，憎油基，封油技术

　　1　引言

　　由于磁性液体具有磁性与流动性两者合一的独特性质，一经问世，立即引起了世界各国科学家的浓厚兴趣[1,2]。对它的基础理论、理化性质、制备工艺等各方面的研究日益深入，它的应用范围也迅速扩展到航天、电子、化工、冶金、仪表、环保、医疗等各个领域，其中磁性液体旋转轴动密封技术是磁性液体较成熟也是Z重要的应用之一，是磁性液体所有应用中个商业化的技术，现已广泛应用于X－射线转靶衍射仪、单晶炉、电子计算机、大功率激光器等精密仪器的转轴密封。磁性液体旋转轴动密封是一种非接触式密封（即动件和静件没有直接接触），其工作原理是：由环状永磁体，导磁极靴和导磁转轴构成闭合磁路，利用永磁体中的磁能，在转轴与极靴极齿顶端的齿形间隙中产生强弱相间的非均匀磁场，将磁性液体紧紧吸住，形成磁性液体“O”型密封环，把间隙堵死，从而达到密封的目的。与其它各种各样的转轴动密封技术相比，磁性液体密封技术具有零泄漏、无固体磨擦、无机械磨损、能耗小、寿命长等优异特性，许多过去无法解决的工程难题，由于磁性液体的问世而迎刃而解。

　　磁性液体动密封（真空或气体）经过30年的发展，已达到较高的技术水平，并以其独特的密封性能在工业中广泛应用。磁性液体封油技术具有更广阔的应用前景，由于难度大，迄今尚未见公开报道。本文制备了新型憎油基磁性液体，并着重讨论了该磁性液体在旋转轴动态封油技术上的应用。

　　2　磁性液体的制备

　　磁性液体由磁性超细微粒、表面活性剂、基液三部分构成稳定的胶体体系。

　　制备磁性微粒的方法很多，有机械研磨、金属有机热分解法、电解法、真空蒸镀法等，我们采用化学共沉淀法[3],以FeCl2、FeCl3(或FeSO4)为原料，NaOH(NH3.H2O)为沉淀剂，制备出10nm左右的Fe3O4微粒。

　　表面活性剂的选择是制备性能优良磁性液体的关键所在。表面活性剂可以是一种，也可以是数种联合使用。总的选择原则是：活性剂的一端要能化学吸附在磁性微粒表面，形成溶剂化膜，而另一端要与基液有较高的亲合性，使其能在基液中自由伸展摆动，同时还要求表面活性剂分子有一定的链长，以克服微粒间的范.德.瓦尔斯吸引力。表面活性剂可以与沉淀剂一起加入到铁盐溶液中，也可以在磁性微粒形成后加入，以防止微粒进一步聚集、长大。包裹好表面活性剂的微粒要经过多次清洗，以去除多余的物理吸附于微粒表面的活性剂。

　　用作旋转轴封油用的磁性液体，其基液必须与被密封的油不具有相亲性，不发生破坏性化学反应，有较低的饱和蒸气压，同时要有合适的表面活性剂与之匹配，现有的磁性液体如烃基、二酯基磁性液体无法用于旋转轴封油，因为磁性液体与所要密封的介质会相互混溶，使磁液浓度很快下降，导致密封失效。水与油不互溶，理论上说水基磁性液体可用于封油，但是，由于水的饱和蒸汽压高，容易挥发，使磁性液体很快失去液体特性导致密封失效。我们是采用自制的ZDW基液制备新型的磁性液体来进行旋转轴封油实验。这种ZDW基液和油不互溶，饱和蒸汽压低，常温放置一年没有检测到重量损耗。磁性液体的制备过程大致如下：

　　准确称量适量的二氯化铁（或）、三氯化铁溶于水中配制成一定浓度的溶液，强力搅拌下加入到70-900C的*溶液中，通过调变溶液的pH值、反应温度和反应时间来控制磁性微粒的粒径。加入表面活性剂，80℃反应2小时，使表面活性剂化学吸附于磁性微粒表面。经多次充分洗涤，除去物理吸附的表面活性剂和其它杂质。低温干燥后加入ZDW基液，加入第二种表面活性剂，即制成稳定的ZDW基磁性液体。在磁场、电场中长期放置或高速离心没有观测到分层或沉淀现象。

　　3　磁性液体旋转轴动态封油器件的设计

　　在真空或压力状态下工作的旋转轴密封，历来是精密机械和精密仪器设计制造中的一个难题。传统的密封方式都是采用器件与转轴过紧配合，靠固体与固体之间的紧密接触来达到密封的目地。这就不可避免地造成固体摩擦、机械磨损，因而寿命短、易泄漏。而磁性液体密封技术从根本上解决了这些问题。

　　磁性液体旋转轴动密封通常采用如图1所示的几种结构。图1中（a）