Wpływ temperatury i stężenia cząstek magnetycznych Fe3O4 na

Wpływ temperatury i stężenia cząstek magnetycznych Fe3O4 na

Marcin Frycz
Akademia Morska w Gdyni
WPŁYW TEMPERATURY I STĘŻENIA CZĄSTEK MAGNETYCZNYCH
FE3O4 NA WARTOŚĆ GĘSTOŚCI FERROCIECZY WYKONANEJ
NA BAZIE OLEJU SILNIKOWEGO
Wyniki badań zawarte w niniejszej pracy są elementem szerszego projektu badawczego dotyczącego
analizy zmian parametrów pracy poprzecznego łożyska ślizgowego smarowanego ferrocieczą. Analizę
tę oparto na badaniach numerycznych i eksperymentalnych parametrów pracy łożyska ślizgowego.
Do tego celu niezbędna była znajomość zmienności gęstości, smarności, a także lepkości dynamicznej
ferrocieczy w zależności od stężenia cząstek magnetycznych Fe3O4, temperatury, a także wpływu
kierunku, rodzaju i wartości indukcji pola magnetycznego. W niniejszym artykule pokrótce scharakteryzowano właściwości badanej ferrocieczy. Przedstawiono zwięzły opis metody wyznaczania wartości
gęstości ferrocieczy oraz wyniki tych badań w zależności od zmian temperatury oraz od stężenia
cząstek magnetycznych Fe3O4 w oleju bazowym. Pracę podsumowano obserwacjami i wnioskami
wyciągniętymi na podstawie analizy wyników.
WPROWADZENIE
Ferrociecze czy też ciecze magnetoreologiczne jako klasa cieczy inteligentnych są przedmiotem intensywnych badań naukowych. Są one szeroko stosowane
we współczesnym przemyśle, m.in. w nowoczesnych głośnikach, tłumikach
i amortyzatorach, układach pomiarowych, łożyskach ślizgowych, a także w przemyśle zbrojeniowym.
Ciecz magnetoreologiczna (ang. magnetorheological fluid) – substancja zbliżona do ferrocieczy, której drobiny ferromagnetyku są zwykle o rząd wielkości
większe (od 10 μm do 20 μm). Pod wpływem silnych pól magnetycznych lepkość
dynamiczna tej cieczy ulega znacznym zmianom. Ze względu na te cechy stosowana jest w inteligentnych układach napędowych (sprzęgła, hamulce) oraz tłumiących
(amortyzatory, tłumiki drgań i pochłaniacze energii).
Ferrociecz (ang. ferrofluid) to substancja o właściwościach zbliżonych do
cieczy, która w odróżnieniu od typowych cieczy jest w warunkach pokojowych
dobrym paramagnetykiem i ulega silnej polaryzacji magnetycznej w obecności
zewnętrznych pól magnetycznych, przez co możliwe jest sterowanie jej lepkością
za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego [4, 10]. Ferrociecz charakteryzuje
się również dobrymi właściwościami tłumienia drgań, dzięki czemu można
przeciwdziałać wibracji i nadmiernemu hałasowi.
52
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010
Ferrociecze uzyskuje się przez utworzenie zawiesiny mikroskopijnych cząsteczek substancji ferromagnetycznej – najczęściej jest to Fe3O4, Ge2O2 lub NiO (bywa także w postaci wolnego metalu takiego jak nikiel, kobalt lub gadolin), w cieczy nośnej, jaką najczęściej jest woda, olej mineralny, olej syntetyczny,
węglowodory, fluoropochodne węglowodorów, estry, ciekłe metale (patrz rys. 1).
Średnica cząstek magnetycznych mieści się w zakresie od 5 nm do 20 nm. Do mieszaniny tej dodaje się specjalne dodatki – surfaktanty, np. kwas oleinowy lub cytrynowy, lecytynę, TMAH (tetramethylammonium hydroxide), zapobiegające łączeniu się i sedymentacji drobin. Cząstka magnetyczna wykonuje ruchy Browna –
to również zapobiega skupianiu się cząstek i zwiększa ich rozproszenie.
surfaktant
ciecz nośna
cząstka magnetyczna
cząstka magnetyczna
ciecz nośna
surfaktant
Rys. 1. Cząstki magnetyczne powleczone surfaktantem w cieczy nośnej [5, 13]
Wartość lepkości ferrocieczy mieści się w bardzo szerokim zakresie i zależy
od rodzaju czynnika rozpraszającego oraz liczby cząstek magnetycznych znajdujących się w ferrocieczy. Można spotkać się z ferrocieczami o lepkościach od 2 mPas
do 5000 mPas przy indukcji magnetycznej rzędu 0,005 T do 0,080 T. Przykładową
zależność zmian wartości lepkości od indukcji magnetycznej i temperatury przedstawiono na rysunku 2.
procentowe zmiany lepkości
lepkość dynamiczna η [Pas]
0,280
0,240
0,200
0,160
B = 0,055 [T]
B = 0,045 [T]
0,120
0,080
0,040
0,000
B = 0,0217 [T]
20 30
40
50 60 70
temperatura
80
Θ = 500 [1/s]
ferrociecz APG 513 A
30
20
10
0
0
80 160 240 320 400
natężenie pola magnetycznego [A/cm]
90 T[°C]
Rys. 2. Zmiany lepkości ferrocieczy zależne od temperatury i indukcji magnetycznej [2, 11]
Niniejsze badania polegają na wyznaczeniu gęstości ferrocieczy w zależności
od temperatury dla różnych stężeń cząstek magnetycznych. Badania te stanowią
53
M. Frycz, Wpływ temperatury i stężenia cząstek magnetycznych…
0,60
0,45
lepkość dynamiczna [Pas]
lepkość dynamiczna [Pas]
fragment szerszych badań dotyczących analizy zmian parametrów pracy łożyska
ślizgowego smarowanego ferrocieczą. Do przeprowadzenia pełnej analizy smarowania niezbędne jest m.in. określenie podstawowych właściwości fizycznych
czynnika smarującego, w tym zmian gęstości w zależności od zmiennych warunków termicznych. Zmiany tych właściwości w istotny sposób wpływają na zmianę
właściwości tribologicznych ferrocieczy i w efekcie na jej przydatność jako czynnika smarującego łożyska ślizgowe.
W łożyskach ślizgowych zachodzi również zmiana temperatury w trakcie
pracy łożyska. Badaniami zmian lepkości dynamicznej ferrocieczy zależnych od
temperatury zajmował się A. O. Ivanov [2] oraz R. E. Rosensweig [11] (rys. 2).
Lepkość dynamiczna ferrocieczy zależy także od wartości, kierunku i rodzaju
zewnętrznego pola magnetycznego [1–3, 5, 9–12]. Interesujące właściwości nienewtonowskie ferrocieczy można zaobserwować na przykładzie krzywych lepkości
zaprezentowanych na rysunku 3 oraz w badaniach wpływu częstotliwości zmian
pola magnetycznego na współczynniki podatności magnetycznej ferrocieczy
przedstawione na rysunku 4.
H = 160 kA/m
H = 120 kA/m
H = 80 kA/m
H = 40 kA/m
H = 0 kA/m
0,30
0,15
0,00
0
1250
2500
3750
5000
0,100
0,075
H = 160 kA/m
H = 120 kA/m
H = 80 kA/m
H = 40 kA/m
H = 0 kA/m
0,050
0,025
0,000
0
1250
2500
3750
5000
prędkość deformacji [s−1]
prędkość deformacji [s−1]
Ferrociecz: L9-22, temperatura: T = 40 [°C],
nasycenie polaryzacji: 0,022 [T]
Ferrociecz: APG027, temperatura: T = 40 [°C],
nasycenie polaryzacji: 0,032 [T]
Rys. 3. Zależność lepkości dynamicznej ferrocieczy od prędkości deformacji dla różnych
wartości natężenia pola magnetycznego [12]
1,5
1,5
χ’ – część rzeczywista
1,0
1,0
0,5
0,5
0,0
0,1
1
10
100
1000
104
105
częstotliwość [Hz]
χ” – część urojona
0,0
0,1
1
10
100
1000
104
105
częstotliwość [Hz]
Rys. 4. Zależność współczynników podatności magnetycznej χ’ i χ” od częstotliwości pola
magnetycznego dla ferrocieczy wyprodukowanej na bazie gliceryny [6];
wartości
obliczeniowe dla ferrocieczy o różnych średnicach cząstek magnetycznych,
wartości
obliczeniowe dla jednej średnicy cząstek magnetycznych,
wartości doświadczalne
54
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010
Widoczny jest brak badań kompleksowych ferrocieczy pod względem jej
przydatności do zastosowań tribologicznych. Autor ma tu na uwadze badania
związane z gęstością, smarnością, a także lepkością dynamiczną ferrocieczy
w zależności od stężenia cząstek magnetycznych, temperatury. Istotny jest również
wpływ kierunku, rodzaju i wartości indukcji pola magnetycznego na lepkość ferrocieczy. Część badań autor już wykonał, natomiast pozostałe będą realizowane
w przyszłości.
1. CHARAKTERYSTYKA BADANEJ FERROCIECZY
W niniejszych badaniach zmierzono gęstość ferrocieczy wykonanej jako mieszanina koloidalna mineralnego oleju silnikowego LongLife Gold Firmy Penzzoil
o klasie lepkości SAE 15W-40 z cząstkami magnetycznymi Fe3O4 oraz sulfakantu.
Badaną ferrociecz wyprodukowała firma FerroTec w Unterensingen (Niemcy).
Zawartość procentowa czynnika magnetycznego (objętościowo) wynosiła 8%.
Opierając się na tym produkcie wykonano pozostałe stężenia ferrocieczy, tj.: 6, 4,
3, 2 i 1%, uzyskane poprzez odpowiednie wymieszanie wyżej wymienionego produktu z olejem bazowym, a następnie je przebadano. Średnia średnica cząstek magnetycznych wynosiła 10 nm, natomiast surfaktantu było około 15% do 30% vol.
Producent nie podał nazwy surfaktantu, gdyż jest to jego tajemnica.
Badaniu poddano również czysty olej silnikowy LongLife Gold o klasie lepkości SAE 15W-40.
2. OPIS METODY BADANIA
Zgodnie z zaleceniami PN-EN ISO 3838 [7] oznaczanie gęstości lub gęstości
względnej ropy naftowej i ciekłych lub stałych przetworów naftowych powinno się
odbyć metodą piknometryczną z użyciem piknometru z korkiem kapilarnym lub
dwukapilarnego z podziałką.
W wykonanych badaniach autor wykorzystał piknometr z korkiem kapilarnym
typu Guy-Lussaca. Korek ten niemal całkowicie eliminuje straty wywołane rozszerzalnością i parowaniem. Wymagana normą dokładność pomiaru masy dla piknometru o objętości ok. 25 ml wynosi 0,1 mg.
Użyta w badaniach waga analityczna typu WA 33 pozwalała na wykonanie
pomiarów z wyżej wymienioną dokładnością.
Temperaturę zmieniano w laboratoryjnej komorze grzewczej z termostatem,
typ: SML30/250 firmy Zelmed. Zmiany temperatury ustalone zostały na poziomie
od 20°C do 120°C, co 10°C.
55
M. Frycz, Wpływ temperatury i stężenia cząstek magnetycznych…
Kontrolę temperatury wygrzewania piknometru zapewniał termometr o dokładności 0,2°C.
Po każdej zmianie temperatury następowało wygrzewanie piknometru z ferrocieczą przez min. dwadzieścia minut, aż do ustalenia się wymaganej temperatury
zgodnie z zaleceniem normy.
3. WYNIKI POMIARÓW GĘSTOŚCI FERROCIECZY
Wyniki badań gęstości ferrocieczy dla określonych stężeń objętościowych
cząstek magnetycznych i zmian temperatur przedstawia tabela 1 oraz rysunek 5.
Tabela 1
Wartości gęstości ferrocieczy i oleju bazowego
3
Gęstość badanej cieczy [kg/m ]
Stężenie objętościowe ferrocieczy
Temperatura
[°C]
8%
6%
4%
3%
2%
1%
20
1326,76
1144,67
1068,43
1009,52
981,55
932,73
870,74
30
1324,19
1142,23
1064,19
1006,35
979,18
929,39
868,03
40
1318,48
1135,03
1060,38
1001,96
976,43
926,07
864,57
50
1313,54
1131,03
1057,45
998,92
973,24
920,72
859,98
60
1308,59
1124,82
1053,28
994,38
967,13
913,74
855,91
70
1301,79
1121,41
1048,91
989,39
961,50
909,44
851,44
80
1293,57
1116,61
1045,73
984,46
955,81
906,01
845,97
90
1287,51
1111,65
1041,59
979,52
950,05
903,16
841,30
100
1283,30
1105,26
1037,60
972,37
944,23
898,01
836,25
110
1278,42
1100,04
1033,80
967,19
937,24
893,19
832,86
120
1273,33
1095,43
1029,04
962,35
932,90
890,49
827,98
Olej bazowy
56
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010
3
gęstość [kg/m ]
Wartości gęstości ferrocieczy i oleju bazowego
1400
stężenie 8%
1300
stężenie 6%
1200
stężenie 4%
1100
stężenie 3%
1000
900
stężenie 2%
800
stężenie 1%
700
olej bazowy
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
temperatura [°C]
Rys. 5. Wartości gęstości ferrocieczy o stężeniach: 8, 6, 4, 3, 2 i 1% oraz oleju bazowego
LongLife Gold o lepkości SAE 15W40
4. OBSERWACJE I WNIOSKI
Najmniejszą gęstość wykazuje olej bazowy, kolejne stężenia ferrocieczy charakteryzują się coraz wyższymi wartościami gęstości. Dodatki magnetyczne
w ferrocieczy w sposób znaczący podnoszą jej gęstość w stosunku do oleju bazowego, z którego został wyprodukowany.
Zaobserwowana zmiana gęstości dla kolejnych stężeń nie jest ściśle proporcjonalna do zmiany zawartości objętościowej cząstek magnetycznych w ferrocieczy. W szczególności zjawisko to wyjątkowo dobrze uwidacznia się pomiędzy
przejściami od stężenia 8 do 6, a następnie 4%. Najprawdopodobniej wynika to
z tego, że produkt podstawowy stanowił koloidalną mieszaninę trzech czynników:
oleju bazowego, cząstek magnetycznych, ale i surfakantu. „Rozcieńczanie” mieszaniny dla kolejnych stężeń wykonywane było jedynie przy udziale oleju bazowego, w związku z czym kolejne stężenia nie stanowiły mieszaniny o ściśle powtarzających się udziałach procentowych tych trzech czynników. Taki sposób
„rozcieńczania” wynikał z niemożności ustalenia, jaki związek chemiczny stanowił
surfakant w badanej ferrocieczy. Informacja ta stanowi tajemnicę producenta i nie
jest ujawniana.
Zmiany gęstości ferrocieczy oraz oleju bazowego w przebadanym zakresie
temperatur mają charakter liniowy. Linie dla poszczególnych stężeń ferrocieczy
mają przebiegi równoległe. Wynika z tego, że zmiana zawartości cząstek magnetycznych nie wpływa na gradient zmian gęstości z temperaturą.
M. Frycz, Wpływ temperatury i stężenia cząstek magnetycznych…
57
LITERATURA
1. Felderhof B.U., Magnetoviscosity of a Ferrofluid in an Oscillating Field, Magnetohydrodynamics, 2001, vol. 37, no. 3, , s. 307–311.
2. Ivanov A.O., Kuznetsova O.B., Magnetic Properties of Dense Ferrofluids, Elsevier, Journal of
Magnetism and Magnetic Materials, 2002, 252, s. 135–137.
3. Melzner K., Fleischer J., Odenbach S., New Developments in the Investigation of Magnetoviscous
and Viscoelastic Effects in Magnetic Fluids, Magnetohydrodynamics, 2001, vol. 37, no. 3, s. 285–
290.
4. Miszczak A., Analiza hydrodynamicznego smarowania ferrocieczą poprzecznych łożysk ślizgowych, monografia, Fundacja Rozwoju Akademii Morskiej, Gdynia 2007.
5. Odenbach S., Ferrofluids – magnetically controlled suspensions, Elsevier, Colloids and Surfaces
A, 2003, vol. 217, s. 171–178.
6. Payet B., Donatini F., Noyel G., Longitudinal magneto-optical study of Brown relaxation in
ferrofluids: dynamic and transient methods, Application, Elsevier, Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, 1999, 201, s. 207–210.
7. PN-EN ISO 3838:2000, Ropa naftowa i ciekłe lub stałe przetwory naftowe. Oznaczanie gęstości
lub gęstości względnej. Metody z użyciem piknometru z korkiem kapilarnym i piknometru dwukapilarnego z podziałką, lipiec 2008.
8. Pop L., Hilljegerdes J., Odenbach S., A Rheometer for the Investigation of Structure Formation in
Ferrofluids under Magnetic Field and Shear Flow, Magnetohydrodynamics, 2003, vol. 39, no. 1,
s. 91–96.
9. Pop L., Odenbach S., Wiedenmann A., Matoussevitch N., Bönnemann H., Microstructure and
Rheology of Ferrofluids, Elsevier, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2005, 289,
s. 303–306.
10. Rosensweig R. E., Ferrohydrodynamics, Dover Publications INC, Mineola, New York 1997.
11. Rosensweig R. E., Kaiser R., Miskolczy G., Viscosity of magnetic Fluid, Journal of Colloid and
Inference Science, 1969, 4, s. 680–686.
12. Spur G., Uhlmann E., Patzwald R., Rheometer for Investigating the Magnetoviscous Effect of
Magnetic Fluids, Magnetohydrodynamics, 2001, vol. 37, no. 3, s. 279–284.
13. http://www.ferrofluidics.com [2005].
EFFECTS OF TEMPERATURE AND CONCENTRATION OF FE3O4
MAGNETIC PARTICLES ON THE DENSITY OF THE FERROFLUID
MADE ON THE BASIS OF ENGINE OIL
Summary
This paper constitute a part of broader research project associated with the analysis parameter’s
change of the cross slide bearing lubricated with ferrofluid. The analysis will be based on numerical
and experimental studies of bearing’s work parameters. For this purpose it is necessary to know the
variability of density, lubricity and dynamic viscosity of ferrofluid, depending on the concentration of
Fe3O4 magnetic particles, temperature and the impact direction, type and value of magnetic
58
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010
induction. In the paper are briefly characterized properties of the ferrofluid, are given a brief description of the method of determination of ferrofluid’s density and the results of these studies according to variability of temperature and concentration of magnetic particles in the base oil. The work
summarizes the observations and conclusions reached on the basis of the results.