КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 76, № 3, с. 319-326
УДК 541.18
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СУСПЕНЗИИ ЖЕЛЕЗО-АЭРОСИЛ-ГЛИЦЕРИН © 2014 г. С. А. Вшивков, А. Г. Галяс, А. Ю. Ознобихин
Уральский федеральный университет 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19 sergey.vshivkov@usu.ru Поступила в редакцию 05.07.2013 г.
Изучена вязкость суспензии наночастиц железа—аэросил—глицерин в магнитном поле и в его отсутствие при ротационном течении. При малой скорости сдвига вязкость определяется магнитным полем и при его увеличении возрастает в сорок раз, при большой скорости сдвига преобладает влияние поля механических напряжений. При этом относительная вязкость увеличивается в 1.4 раза, и ее концентрационная зависимость в магнитном поле описывается кривой с максимумом.
БО1: 10.7868/80023291214020153
ВВЕДЕНИЕ
Увеличение вязкости магнитных жидкостей [1] под действием магнитного поля (магниторео-логический эффект) было обнаружено экспериментально в 50-тые годы прошлого века [2] для систем на основе карбонильного железа и оксида железа. Позже это явление было изучено в ряде работ [1, 3—15]. Было установлено, что в покоящихся композициях наблюдается структурообра-зование в результате магнитодипольного взаимодействия частиц и ориентации анизодиаметрич-ных элементов структуры вдоль силовых линий магнитного поля. При сдвиговом течении происходит разрушение агрегатов, усиливающееся с ростом скорости деформирования. Каждой комбинации задаваемых параметров (вязкость дисперсионной среды, магнитные свойства частиц, напряженность поля, скорость деформирования) соответствует определенный набор элементов структуры и их взаимное расположение.
Важной особенностью реологических свойств феррожидкостей в магнитном поле является их зависимость от взаимной ориентации сдвигового поля (направления линий течения) и магнитного поля (направления силовых линий). При перпендикулярной ориентации этих полей приращение эффективной вязкости среды значительно превосходит эффективную вязкость, индуцируемую параллельным сдвигу магнитным полем. Сильная анизотропия реологических свойств при ориентации поля вдоль скорости потока, вдоль ее градиента и вдоль направления ее вихря обнаружена в работе [15]. Значительное увеличение вязкости в поле (примерно в 100 раз) обнаружено в экспериментах с кобальтовыми феррожидкостями [16].
Новыми экспериментально обнаруженными для феррожидкостей явлениями явились: эффект Вейссенберга [17], ранее наблюдавшийся только в полимерных и жидкокристаллических средах, и индуцированное сдвигом уменьшение степени анизотропии внутренней структуры феррожидкости, обнаруженное в работе [18] методом малоуглового рассеяния нейтронов. В работе [19] изучено влияние магнитного поля и поверхностно-активных веществ на реологические свойства суспензий ферритов стронция. Было обнаружено возрастание вязкости суспензий в магнитном поле, объясненное формированием трехмерных цепочечных структур из частиц ферритов. После выключения поля эти структуры не разрушаются полностью, что является причиной гистерезиса вязкости суспензий. Введение полиэлектролитов в суспензию снижает ее вязкость как в поле, так и после его выключения, что обусловлено уменьшением межчастичного трения и ослаблением прочности трехмерных структур в результате формирования двойного электрического слоя на поверхности частиц.
В работе [20] проведено сравнение магнито-вязкостных свойств магнитных жидкостей на основе оксида железа Ре304 двух видов. В первой в качестве стабилизатора использовали олеиновую кислоту, а во второй — гидроксид тетраметиламмо-ния. Авторами показано, что тип стабилизатора существенно влияет на поведение жидкости в магнитном поле: в присутствии олеиновой кислоты изменение вязкости под действием магнитного поля происходит быстрее, чем в присутствии гид-роксида тетраметиламмония. Реологические свойства магнитных жидкостей феррочастицы-поли-
В, Тл 2 г
1 1 1 г* С - Ж
0£ —1000 —500 Я ^—1 ) 500 1000 Н.
-21-
Рис. 1. Кривая размагничивания частиц железа.
а-олефины—полиуретан, феррочастицы—я-ок-тилпирроллидон—бутилакрилат, феррочастицы— я-октилпирроллидон—пентафторстирол были изучены в работе [21]. Обзоры последних достижений в изучении магнитных жидкостей можно найти в работах [22—25].
Для понимания внутренней физической природы магнитовязкого эффекта требуются новые данные о влиянии магнитного поля и деформирующего течения на динамику таких систем. Так, например, до сих пор данные о влиянии концентрации магнитной жидкости и скорости ее деформирования на магнитореологический эффект недостаточно полны. Целью настоящей работы явилось исследование концентрационной зависимости влияния напряженности постоянного магнитного поля на вязкость магнитореологиче-ской суспензии железо—аэросил—глицерин в условиях ротационного течения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве магнитной жидкости исследовали суспензию наночастиц оксида кремния (8Ю2) и железа (Бе) в глицерине. Нанодисперсный порошок железа черного цвета (средневзвешенный диаметр частиц 150 нм, 5уд = 8.3 м2/г, плотность р = = 7.874 г/см3) получен в лаборатории импульсных процессов ИЭФ УрО РАН, а аэросил марки А175 — коллоидный диоксид кремния 8Ю2 (средневзвешенный диаметр частиц 250 нм, р = = 2.2 г/см3) - в ГП Калушский ОЭЗ ИХП НАНУ. В качестве дисперсионной среды использовали глицерин "ч. д. а." фирмы Вектон (р = 1.261 г/см3).
Магнитные свойства частиц железа охарактеризованы с помощью вибрационного магнитометра ВМ-115. Порошок помещали в медную капсулу цилиндрической формы, заливали расплавленным парафином для фиксации частиц и измеряли зависимость удельной намагниченности образца от напряженности внешнего магнитного поля. После обработки этих данных строили кривую размагничивания. На рис. 1 приведена кривая размагничивания порошка Бе. Магнитными характеристиками частиц Бе являются величины коэрцитивной силы Нс = 15.3 кА/м и остаточной магнитной индукции Вг = 110 мТл. Следовательно, порошок из частиц железа является магнитомягким веществом, о чем говорят малые значения остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы.
Суспензии готовили смешением глицерина с наночастицами аэросила. Концентрация наноча-стиц оксида кремния в системе была постоянной и составляла 10 мас. %. Последующим добавлением наночастиц железа получали их суспензии с концентрацией: 0.5, 1.0, 1.5 и 2.0 мас. %.
Измерения вязкости суспензий проводили с помощью модифицированного реометра К^ео1ев1 RN 4.1, коаксиально-цилиндрический рабочий узел которого был изготовлен из слабомагнитного вещества — латуни.
Для создания магнитного поля использовали магнитные системы: 1 — создающую постоянное магнитное поле напряженностью 290 кА/м и с направлением силовых линий, перпендикулярным оси вращения ротора (_), 2 — создающую постоянное магнитное поле напряженностью 280 кА/м и с направлением силовых линий, параллельным оси вращения ротора (||). Напряженность поля Н измеряли миллитесламетром ТПУ, изготовленным ЗАО "НП Центр" (г. Москва). Относительная погрешность определения Н не превышала 1.5%. Распределение напряженности магнитного поля в рабочем узле приведено на рис. 2. Для геометрии, изображенной на рис. 2а, расстояние от середины зазора между ротором и статором до поверхности магнита Ь составляло 3.95 мм. Ширина рабочего зазора, заполненного жидкостью, равнялась 0.67 мм. Эффективная напряженность магнитного поля в центре зазора между ротором и статором составляла 280 кА/м. Неоднородностью напряженности магнитного поля по ширине зазора пренебрегали в связи с малым значением ее величины. Для геометрии рис. 2б Ь = 7.54 мм. Эффективная напряженность магнитного поля в центре зазора между ротором и статором составляла 290 кА/м. Рабочий узел с дисперсией при 295 К помещали в магнитное поле, выдерживали 20 мин и определяли вязкость в магнитном поле при непрерывном увеличении скорости сдвига у от 0 до 40 с-1 за 900 с.
Металлический ротор, вращающийся в магнитном поле, можно рассматривать как генератор тока, замкнутый на себя. При работе генератора возникает тормозящий момент, который называется электромагнитным моментом Ме. В результате, при измерении напряжения сдвига деформируемых дисперсий фиксируемое значение получается больше истинного на величину, связанную с электромагнитным моментом. Электромагнитный момент Ме равен [26]:
(a)
MP =■
pN
2пх 9.81a
Ф1 я = КФ1 я
где р — число пар полюсов, N — число проводников обмотки, 2а — число параллельных ветвей, Ф — магнитный поток, 1я — ток якоря. Так как величины р, N и 2а постоянны для данного устройства,
_ pN
является постоянной.
то величина K _
2пх 9.81a
Магнитный поток определяется как [26] Ф = BS cos а,
где B — магнитная индукция, S — площадь контура, пересекаемого векторами магнитной индукции, а — угол между вектором магнитной индукции и нормалью к поверхности контура. Поскольку якорь замкнут на себя, то
I = E =
1 ст
pN
пФ,
Я 60а Я
где Е — э.д.с. генератора, Я — электросопротивление якоря, п — частота вращения якоря (ротора). После преобразования и замены В на Н (В = ц0цН, ц0 — магнитная проницаемость вакуума, ц — магнитная проницаемость среды), получаем
Me = К ц2 H 2п,
2 лг2 p N
2С2 2 -ц0S cos а.
где К =
120п х 9.81ахЯ' Напряженность магнитного поля постоянна. Магнитная проницаемость ц некоторых слабомагнитных веществ (воздух, вода, азот) при Т = = 293 К отличается от единицы в 5—6-том десятичном знаке после запятой [27]. Следовательно, изменение среды практически не должно влиять на величину электромагнитного момента, который должен зависеть только от частоты вращения ротора. Для учета электромагнитного момента была построена корректировочная зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига в рабочем узле, между поверхностями цилиндров которого находился воздух. Аналогичные измерения проведены для воды и диметилформамида. Все данные по электромагнитному моменту совпали. Истинное значение напряжения сдвига для дисперсий получали как разницу между измеренной
H
*
(б)
R, мм
40
100 200 300
И, кА/м
H
20
-
1
1 * 1 1 V 1
50 150 250 А 350
- ^^ И, кА/м
-
20 40
Рис.
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.