ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 89, № 2, с. 336-339
^^^^^^^^^^^^^^^^ ФОТОХИМИЯ ^^^^^^^^^^^^^^^
И МАГНЕТОХИМИЯ
УДК 539.22:537.63
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА
© 2015 г. С. А. Вшивков, Е. В. Русинова, А. П. Сафронов, А. Г. Галяс, Т. В. Терзиян
Уральский федеральный университет, Екатеринбург E-mail: sergey.vshivkov@urfu.ru Поступила в редакцию 13.03.2014 г.
Изучена концентрационная зависимость влияния напряженности постоянного магнитного поля на вязкость водных и водно-глицериновых магнитных жидкостей оксида железа Бе2 804. Показано, что с увеличением концентрации магнитных частиц и напряженности магнитного поля вязкость водной и водно-глицериновой магнитной жидкости увеличивается в 2.5 и 20 раз соответственно, при этом концентрационная зависимость эффекта влияния магнитного поля на вязкость описывается кривой с максимумом.
Ключевые слова: магнитные жидкости, нанодисперсные системы, вязкость, магнитное поле.
DOI: 10.7868/S0044453715020375
Магнитные жидкости представляют собой коллоидные системы ферромагнитных частиц диаметром 7—20 нм [1] в немагнитной жидкой среде. Влияние магнитного поля на реологические свойства магнитных жидкостей было описано в 1953 г. в работе [2], в которой для жидкостей на основе карбонила и оксида железа в загущенном льняном масле и глицерине было обнаружено увеличение вязкости (в 1.5 раза) и напряжения сдвига (в 2—14 раз) под влиянием магнитного поля. Позже магнитовязкий эффект (увеличение вязкости в магнитном поле) в феррожидкостях был изучен в ряде экспериментальных работ [3—15]. Было установлено, что в покоящихся системах наблюдается структурообразование в результате маг-нитодипольного взаимодействия частиц и ориентации анизодиаметрических элементов структуры вдоль силовых линий магнитного поля. По мере увеличения скорости сдвига происходит разрушение агрегатов. Каждой комбинации задаваемых параметров (вязкость дисперсионной среды, магнитные свойства частиц, напряженность поля, скорость деформирования) соответствует определенный набор элементов структуры и их взаимное расположение.
В работах Шлиомиса [4, 15—17] феррожидкость рассматривается как суспензия невзаимодействующих броуновских сфер с вмороженными в их тела магнитными диполями. Частицы находятся под влиянием внешнего поля и гидродинамического течения среды. При этом для вращательной вязкости предсказывается весьма слабый магнитовяз-кий эффект (<10%). Модели идеальных ферро-
жидкостей проверялись в ряде лабораторных и компьютерных экспериментов. В рамках их применимости эти модели демонстрируют хорошее согласие с экспериментами [18—21]. Таким образом, эксперименты с малоконцентрированными магнитными жидкостями, в которых можно пренебречь межчастичными взаимодействиями, хорошо описываются теорией Шлиомиса.
Однако для многих феррожидкостей, в которых межчастичными взаимодействиями пренебрегать нельзя, теория Шлиомиса не применима. Так, интерпретация экспериментов [22] на основе этих моделей потребовала гипотезы о нереально больших концентрациях магнитных частиц. В работе [23] был обнаружен рост вязкости под влиянием поля, намного больший, чем предсказывают модели идеальных сред. В экспериментах [24] с кобальтовыми феррожидкостями было обнаружено увеличение вязкости в магнитном поле в ~100 раз вместо максимальных 1.1 раза, что предсказывают идеальные модели. Обзоры последних достижений в науке о магнитных жидкостях можно найти в работах [1, 25—27].
Для понимания физической природы магни-товязкого эффекта в феррожидкостях требуются новые данные о влиянии магнитного поля и деформирующего течения на динамику таких систем. До сих пор данные о влиянии концентрации магнитной жидкости на магнитореологический эффект малочисленны. В работе [28] для коллоидной дисперсии магнетита в керосине, стабилизированной олеиновой кислотой, авторы обнару-
Рис. 1. Концентрационные зависимости вязкости водной (1—3) и водно-глицериновой (4—7) магнитной жидкости при напряженностях магнитного поля: Н = 0 (1, 4), 0.4 (2, 5), 1.4 (3, 6) и 3.7 кЭ (7).
жили возрастание вязкости с концентрацией магнитных частиц, обусловленное образованием цепочечных агрегатов. Исследованию магнито-вязкого эффекта посвящена серия работ Зубарева и Оденбаха [29—33]. В этих работах также показана возможность возрастания вязкости систем с увеличением объемной доли магнитных частиц, образующих цепочечные агрегаты.
Цель настоящей работы — исследование концентрационной зависимости влияния напряженности постоянного магнитного поля на вязкость магнитных жидкостей на основе оксида железа Fe2.sO4.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве магнитных жидкостей исследовали водную и водно-глицериновую системы на основе оксида железа Fe28O4, нанодисперсного порошка, полученного в лаборатории импульсных процессов ИЭФ УрО РАН электровзрывом железной проволоки (ЭВП) в кислородно-аргоновой среде. Стехиометрический состав порошка Fe28O4 был определен методом потенциометри-ческого титрования его раствора в 8 M соляной кислоте 0.02 M раствором K2Cr2O7 с помощью прибора SCHOTT TitroLine Easy. Электронно-микроскопические фотографии порошка получали с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) JEOL JEM 2100. Порошок характеризуется сферической формой частиц со среднечисленным диаметром 22 нм. Магнитную жидкость стабилизировали введением цитрата натрия в (0.6 % от массы нанопорошка). Для при-
готовления водно-глицериновой жидкости использовали смесь глицерин/вода с соотношением 80/20 (по массе). Вязкость определяли с помощью модифицированного вискозиметра Оствальда. Жидкость затягивали в капилляр, который помещали в магнитное поле, выдерживали 2 мин и измеряли время истечения жидкости. Объем вытекающей жидкости во всех случаях был постоянным. Для калибровки капилляра определяли время истечения бидистиллированной воды. Вязкость жидкости рассчитывали по уравнению, основанному на законе Пуазейля:
П = ПоТр/торо,
где р и т — плотность и время истечения магнитной жидкости, По р0 и т0 — вязкость, плотность и время истечения воды. Магнитное поле создавали с помощью систем на основе постоянных магнитов с напряженностью поля в капилляре 0.4, 1.4 и 3.7 кЭ и с направлением силовых линий, перпендикулярным направлению течения жидкости в капилляре.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На рис. 1 приведены концентрационные зависимости вязкости магнитных жидкостей при разных напряженностях магнитного поля. Видно, что с ростом концентрации феррочастиц вязкость существенно увеличивается в тем большей степени, чем выше напряженность магнитного поля. При этом вязкость водной жидкости с увеличением концентрации и напряженности магнитного поля возрастает в 2.5 раза, а водно-глицериновой — в 20 раз. Обнаруженные эффекты обусловлены появлением агрегатов, состоящих из наночастиц оксида железа, объединенных в результате магнитного взаимодействия и ориентированных по силовым линиям поля.
На рис. 2 сопоставлены концентрационные зависимости размеров частиц оксида железа и вязкости жидкости. Как видно, с ростом концентрации ф2 от 0.2 х 10-2 до 0.9 х 10-2 диаметр частиц увеличивается от 150 до 180 нм, что свидетельствует об агрегировании исходных частиц оксида железа. Дальнейший рост происходит более существенно: в диапазоне от 0.9 х 10-2 до 1.2 х 10-2 размер агрегатов возрастает от 180 до 290 нм. Это сопровождается резким увеличением вязкости.
На рис. 3 приведены результаты измерения вязкости водно-глицериновой магнитной жидкости в зависимости от напряженности поля. Обнаружено, что наложение магнитного поля приводит к существенному возрастанию вязкости. С ростом концентрации эффект увеличивается. Аналогичные данные получены и для водной маг-
338
ВШИВКОВ и др.
0.04
0.03
с
а Па
Г<1
о X
0.02
0.01
0
225 м н
175
125
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 ф2 х 102
Рис. 2. Концентрационные зависимости вязкости (1) и диаметра частиц (2) водно-глицериновой магнитной жидкости.
П х 103, Па с 120
90
60
30
0
0
1
2
3
4
И, кЭ
Рис. 3. Зависимости вязкости водно-глицериновой магн поля (5).
магнитной жидкости от напряженности магнитного поля: ф2 х 102 = 0.23 (1), 0.80 (2), 0.92 (3), 1.0 (4) и 0.51
1.0 ф2 х 102
Рис. 4. Концентрационные зависимости п/П0 водных (1—3) и водно-глицериновых (4—6) магнитных жидкостей; Н = 0.4 (1, 4), 1.4 (2, 5) и 3.7 кЭ (3, 6).
нитной жидкости. Эти результаты согласуются с данными [28].
На рис. 4 приведены концентрационные зависимости относительной вязкости п/п0 изученных систем (п и п0 — вязкости в магнитном поле и вне поля соответственно). Видно, что эта зависимость для водно-глицериновых жидкостей описывается кривой с максимумом, что не наблюдали авторы [28, 33]. Начальное увеличение п/п0 обусловлено ростом числа частиц, способных к ориентации в магнитном поле перпендикулярно направлению течения с последующей их агрегацией. Известно два типа структур, возникающих в магнитных жидкостях, — линейные цепочечные агрегаты и объемные плотные "капли", состоящие из большого числа феррочастиц. В работах [28—33] рассматриваются агрегаты цепочечного
типа, образующиеся в разбавленных системах. Цепочечные структуры (согласно теоретическим представлениям) характеризуются небольшими размерами и визуально не наблюдаются.
На рис. 5 приведена микрофотография образующихся в магнитном поле агрегатов наночастиц для концентрированной системы (ф2 = 1.0 х 10-2) после ее выдерживания в поле в течение 2 суток. Средняя ширина наблюдаемых структурных образований, ориентированных вдоль силовых линий поля перпендикулярно направлению течения, составляет 0.13 мм. Можно предположить, что в данном случае образуются объемные плотные "капли", состоящие из большого числа фер-рочастиц. По-видимому, переход от цепочек к каплям и вызывает уменьшение вязкости.
Рис. 5. Микрофотография структур, возникающих в водно-глицериновой магнитной жидкости ф2 = 1.0 х 10-2 после выдерживания ее в магнитном поле в течение 2 суток. Силовые линии поля перпендикулярны направлению течения, Н = 3.7 кЭ, диаметр капилляра 0.86 мм.
Авторы благодарят А.Ю. Зубарева за полезные дискусс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.