CC BY
11ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2009 Физика Вып. 1(27)
Магнитные жидкости, устойчивые к расслоению в градиентных полях
А. Ф. Пшеничников, А. В. Лебедев, Е. В. Лахтина
Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук, 614013, Пермь, ул. Ак. Королева, 1
Приведены физические параметры опытных образцов магнитной жидкости с повышенной устойчивостью к градиентному магнитному полю. Образцы получены методом магнитной сепарации из стандартного ферроколлоида. Проведен магнитогранулометрический и кластерный анализ образцов. Показано, что магнитная сепарация кластеров приводит к уменьшению их вклада в начальную восприимчивость примерно на порядок.
1. Введение
Конечной целью работы было испытание опытного образца магнитной жидкости, отличающегося повышенной стабильностью физических свойств в градиентном магнитном поле. Известно, что нестабильность магнитных жидкостей со временем является основным препятствием для широкого использования их в датчиках положения, измерителях наклона и микроманометрах. Градиенты магнитных полей в этих датчиках обусловлены либо конструкцией самого датчика, либо размагничивающим действием границы “магнитная жидкость - газ”. Они вызывают магнитофорез однодоменных коллоидных частиц - дрейф частиц вдоль градиента напряженности поля и пространственную неоднородность магнитной жидкости. Единственным “механизмом”, ограничивающим магнитофорез, является градиентная диффузия частиц, выравнивающая концентрацию частиц в рабочей области. Изменения магнитной восприимчивости и эффективной вязкости магнитной жидкости со временем приводят к изменению показаний прибора в целом (дрейф нуля) и изменению частотных характеристик. Магнитные жидкости, приспособленные к длительной работе в градиентных магнитных полях (например, в МЖ-уплотнениях), известны, но из-за предельно высокой концентрации частиц они обладают неньютоновскими свойствами (включая предельное напряжение сдвига) и тиксотропией, что недопустимо при работе в измерительных устройствах. Проблема состоит в создании магнитных жидкостей без предельного напряжения сдвига, имеющих достаточно высокую намагниченность насыщения и не расслаивающихся по концентрации под действием
градиентных полей. Полностью устранить магнитофорез невозможно в принципе, но можно уменьшить его до приемлемого уровня вариацией дисперсного состава и концентрации частиц и использованием специальных приемов обработки магнитной жидкости, позволяющих освободить магнитную жидкость от наиболее крупных частиц и многочастичных агрегатов (кластеров) с некомпенсированными магнитными моментами. Ниже приведены результаты опытов с магнитной жидкостью, прошедшей такую дополнительную обработку.
2. Приготовление опытных образцов
Исходным материалом для опытного образца служила магнитная жидкость типа “магнетит - керосин - олеиновая кислота”, приготовленная методом повторной пептизации, описанным в [1]. Опытный образец был получен из этой (базовой) магнитной жидкости путем дополнительной очистки ее от крупных частиц и агрегатов в высокоградиентном магнитном сепараторе. С этой целью базовая жидкость разводилась до небольшой концентрации магнетита (порядка 10% по массе) и наливалась в контейнер сепаратора. Контейнер представлял собой плоскую квадратную емкость размерами 80Х80 мм и высотой 4 мм, склеенную из оргстекла. Для создания внутри сепаратора высокоградиентного магнитного поля контейнер заполнялся обрезками железной проволоки диаметром 0.35 мм. Источником внешнего магнитного поля служил постоянный самарий-кобальтовый магнит. Для уменьшения полей рассеяния и увеличения поля внутри контейнера магнит вместе с контейнером помещался в воздушный зазор ярма, изготовленного из магнитомягкого железа. Сред-
© А. Ф. Пшеничников, А. В. Лебедев, Е. В. Лахтина, 2008
41
Рис. 1. Кривые намагничивания для магнитных жидкостей: 1 - тяжелая фракция, 2 - легкая фракция (точки - экспериментальные данные, сплошные кривые - интерполяция)
няя индукция магнитного поля в зазоре составляла
0.52 Тл.
Залитая в контейнер магнитная жидкость выдерживалась в нем в течение суток. Под действием неоднородного магнитного поля в зазорах между отрезками железной проволоки происходил магни-тофорез частиц и разделение магнитной жидкости по плотности и концентрации магнетита. Через сутки контейнер смещался вбок на половину своей ширины и производился отбор вначале легкой, а затем тяжелой фракций. Описанная процедура повторялась несколько раз, пока не было приготов-
лено около 50 см низкоконцентрированной легкой фракции. На следующем этапе было выполнено увеличение концентрации магнетита. Коллоидный магнетит осаждался коагулянтом (изопропиловым спиртом), высушивался и вновь растворялся в керосине с соблюдением нужных пропорций. Плотность легкой фракции составила 1.67 г/см3, при этом объемная доля твердой фазы - 0.2. Для тяжелой фракции плотность оказалась равной 1.55 г/см3, объемная доля твердой фазы - 0.17.
3. Физические свойства
Дисперсный состав приготовленных магнитных жидкостей исследовался методом магнитной гранулометрии. Это непрямой метод получения информации о среднем диаметре частиц и ширине распределения частиц по размерам, основанный на измерении кривой намагничивания [2]. Равновесная намагниченность измерялась на пермеаметре при комнатной температуре. Кривые намагничивания для исследованных жидкостей приведены на рис.1. Дисперсный состав частиц аппроксимировали Г -распределением:
/ (х) =
Xа ехр(- X / Х0 ) х“+1Г(а+1)
(1)
где г(а +1) - гамма-функция, х0 и а - параметры
распределения, подлежащие определению. Они вычислялись по методу наименьших квадратов с учетом поправок на межчастичные взаимодействия. Последние учитывались в рамках модифицированной модели эффективного поля [2, 3]. Средний диаметр магнитного ядра (X), относительная ширина распределения Д и средний магнитный момент частицы (т) рассчитывались по параметрам й?0 и а. Под шириной распределения здесь понимается среднеквадратичное отклонение, отнесенное к среднему диаметру магнитного ядра. Для Г-распределения
і = х0 (а +1) ; Д =
1
л/а +1
(2)
Рис. 2. Распределение частиц по размерам: 1 - тяжелая фракция, 2 - легкая фракция
Для легкой фракции (х^ = 6.7 нм, Д = 0.14 и (т} = 1.09 х 10~19 А^м2. Для тяжелой фракции (X) = 8.0 нм, Д = 0.14 и (т) = 1.78 х 10~19 А^м2.
Средний “гидродинамический” диаметр коллоидной частицы, включающий в себя удвоенную толщину немагнитного слоя С на поверхности магнетита и удвоенную толщину С2 защитной оболочки из молекул стабилизатора, равен примерно 12 нм для легкой и 13.5 нм для тяжелой фракции. Рас-
X
Магнитные жидкости повышенной устойчивости
43
Рис. 3. Средние диаметры индивидуальных частиц (1) и кластеров с некомпенсированным магнитным моментом (2) в зависимости от температуры для легкой фракции
ДХ
4-
2-
▲
- 1 -2
\
\
і
260
280
300
320 Т, К
Рис. 4. Парциальные вклады частиц (залитые символы) и агрегатов с некомпенсированным магнитным моментом (прозрачные символы) в статическую восприимчивость (1 - тяжелая фракция, 2 - легкая фракция)
1
0
пределение частиц по размерам приведено на рис. 2. В слабых магнитных полях эффективная вязкость магнитной жидкости изменяется с температурой по тому же закону, что и вязкость дисперсионной среды (керосина). Это обстоятельство использовалось при обработке данных, относящихся к низким и высоким температурам. Обратная вязкость керосина по данным [4] была аппроксимирована полиномом второй степени. Вязкость п магнитной жидкости при произвольной температуре рассчитывалась по интерполяционной формуле
- =----------------------------2, (3)
1 + 0.0210 • Т* + 7.86-10~5 • Т*
где по - вязкость магнитной жидкости при температуре 0оС, Т* = Т - 273.15. Вязкость магнитной жидкости измерялась на ротационном вискозиметре Брукфильда. Значение при 20оС составило 148.6 сП и 24.9 сП для легкой и тяжелой фракции соответственно.
Информация о количестве и средних размерах кластеров (агрегатов) была получена из экспериментальных данных по динамической восприимчивости образца в диапазоне частот 10 Гц - 100 кГц. Использовалась методика, подробно описанная в [5]. Эта методика позволяет получить данные и о “гидродинамическом” диаметре отдельных частиц, но погрешность результатов может оказаться довольно большой, до 20-30%. Нами были определены средние диаметры индивидуальных частиц и квазисферических агрегатов с некомпен-
сированным магнитным моментом (см. рис. 3). Согласно результатам наших опытов для легкой фракции средний “гидродинамический” диаметр индивидуальных частиц, полученный из кластерного анализа, составил (х) = 8.9 + 0.7 нм, для тяжелой (х^ = 9.6 + 0.6 нм. Это значение существенно ниже оценок, которые дает магнитогранулометрия. Вероятны две причины расхождения данных, полученных разными методами. Первая заключается в том, что при определении средних размеров частиц и агрегатов кластерный анализ дает большую погрешность. Однако такое объяснение выглядит маловероятным, т. к. во всех предыдущих случаях значения, полученные кластерным анализом, с очень высокой точностью (до десятых долей процента) совпадали со значениями, полученными с помощью магнитогранулометрии. Более реалистичным кажется предположение о том, что самые крупные частицы присоединились к тем агрегатам, которые сохранились в жидкости при магнитной сепарации. Поэтому кластерный анализ не зарегистрировал их как индивидуальные частицы и за счет этого средний размер индивидуальных частиц понизился. Отличие между диаметрами агрегатов (х *
для разных фракций лежит в пределах погрешности метода, поэтому здесь приведено среднее значение для обеих жидкостей: (х * = 62 +1 нм.
На рис. 4 приведены вклады агрегатов и частиц в статическую восприимчивость. Видно, что вклад агрегатов примерно на порядок меньше вклада
индивидуальных частиц. Данный факт означает почти полное отсутствие агрегатов в исследованных жидкостях. Таким образом, нам удалось получить жидкости с малым содержанием агрегатов, что должно обеспечить их хорошую устойчивость к расслоению в градиентных полях.
Как видно из рис. 1, 2 и 4 легкая и тяжелая фракции отличаются друг от друга начальной восприимчивостью и размером индивидуальных частиц, в то время как намагниченность и содержание кластеров в них практически одинаковы. Это значит, что магнитная сепарация позволяет получить образцы с более узким распределением частиц по размерам, чем в базовой жидкости, но слабо влияет на содержание агрегатов. Как было показано в [7], количество кластеров в магнитной жидкости определяет её устойчивость к расслоению в градиентных полях. Исследованные образцы были получены при воздействии на исходную жидкость сильным градиентным полем. Так как содержание кластеров в легкой и тяжелой фракции слабо отличается, то можно сделать вывод о том, что как базовая, так и полученные в ходе сепарации магнитные жидкости являются устойчивыми к расслоению в градиентных полях.
Работа выполнена при поддержке Российского
фонда фундаментальных исследований (гранты
№ 07-02-96-017-р урал а, 07-08-97-625)
Список литературы
1. Пшеничников А. Ф., Лебедев А. В. // Коллоидный журнал. 1995. T.57, № 6. C. 844.
2. Pshenichnikov A. F., Mekhonoshin V. V., Lebedev A. V. // J. Magn. Magn. Mater. 1996. Vol.161. P. 94.
3. Ivanov A. O., Kuznetsova O. B. // Ibid. 2002. Vol. 252. P. 135.
4. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физ-матгиз, 1972.
5. Лахтина Е. В., Пшеничников А. Ф. // Коллоид. журн. 2006. Т. 68, № 3. C. 327.
6. Пшеничников А. Ф. // Неравновесные процессы в магнитных суспензиях / УНЦ АН СССР, Свердловск: 1986. С. 9.
7. Иванов А.С., Пшеничников А.Ф. // 13-я между-нар. конф. по нанодисперсным магнитным жидкостям: Сб. науч. трудов. Плес, 2008. С. 163.
