Magnetisches Verhalten Kobaltferrit-basierter Ferrogele im homogenen Magnetfeld

Abstract

Basierend auf einem Kobaltferrit-Ferrofluid wurden Ferrogele durch die chemische Vernetzung von Polyvinylalkohol und Glutardialdehyde hergestellt und bzgl. ihrer magnetischen Eigenschaften untersucht. Ferrogele wurden sowohl mit isotroper als auch anisotroper Orientierung der magnetischen Anisotropieachsen der Partikel synthetisiert. Im Gegensatz zum superparamagnetischen Verhalten des verwendeten Ferrofluids und konventioneller Magnetit-basierter Ferrogele zeigen die untersuchten Ferrogele eine Hysterese. Letztere deutet darauf hin, dass i) das Volumen eines signifikanten Anteils der magnetischen Teilchen über der Grenze für Néelsche Relaxation liegt, und ii) eine mechanische Kopplung zwischen der Teilchen und der Polymermatrix besteht, die die Brownsche Relaxation der Partikel verhindert. Wird ein externes Magnetfeld während der Vernetzungsreaktion angelegt, so wird die Probe auf makroskopischer Skala magnetisch texturiert, was mittels Magnetometrie nachgewiesen wurde. Das effektive magnetische Drehmoment auf die Partikel in einem texturierten Ferrogel ermöglicht durch die elastischen Eigenschaften der Matrix eine Torsions- oder Rotationsdeformation der Probe im homogenen Magnetfeld. Zusätzlich wurde der Einfluss verschiedener Syntheseparameter — Volumenanteil Ferrofluid, Stärke des während der Polymerisation angelegten Felds, Vernetzungsgrad des Polymernetzwerks — auf die magnetischen Eigenschaften der Ferrogele untersucht. Daraus folgte, dass die magnetischen Eigenschaften eines Ferrogels durch Variation der genannten Parameter einstellbar sind.

Based on a cobalt-ferrite-ferrofluid, ferrogels were prepared by chemical crosslinking of polyvinyl alcohol and glutardialdehyde and their magnetic properties were analyzed. Ferrogels were synthesized with both isotropic and anisotropic orientation of the magnetic anisotropy axis of the particles. In contrast to the superparamagnetic properties of the used ferrofluid and of conventional magnetite-based ferrogels, the analyzed ferrogels exhibit hysteresis. This indicates that i) the volume of a significant fraction of magnetic particles lies beyond the critical value that allows Néelian relaxation, and ii) a mechanical interaction between the particles and the polymer network exists, which prevents the particles from Brownian relaxation. By applying an external field during gel polymerization, a macroscopic magnetic texture was induced as confirmed by magnetic measurements. The net-magnetic torque, exerted on the magnetic particles in an anisotropic ferrogel in combination with the soft elastic properties of the gel matrix, enables the application as torsional or rotational soft actuators as demonstrated. Furthermore the influence of various synthesis parameters — volume fraction of the used ferrofluid, strength of the during gel polymerization applied magnetic field, degree of crosslinking of the polymer network — on the magnetic properties of ferrogels has been investigated. According to these examinations the magnetic properties of ferrogels can be tuned by manipulating the mentioned parameters.