WPŁYW TEMPERATURY I STĘŻENIA CZĄSTEK MAGNETYCZNYCH
FE
3O
4NA 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 scharakte-ryzowano 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 inteligent-nych są przedmiotem intensywinteligent-nych badań naukowych. Są one szeroko stosowane we współczesnym przemyśle, m.in. w nowoczesnych głośnikach, tłumikach i amortyzatorach, układach pomiarowych, łożyskach ślizgowych, a także w prze-myśle zbrojeniowym.
Ciecz magnetoreologiczna (ang. magnetorheological fluid) – substancja zbli-żona 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 stosowa-na jest w inteligentnych układach stosowa-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.
Ferrociecze uzyskuje się przez utworzenie zawiesiny mikroskopijnych cząste-czek substancji ferromagnetycznej – najczęściej jest to Fe3O4, Ge2O2 lub NiO
(by-wa także w postaci wolnego metalu takiego jak nikiel, kobalt lub gadolin), w cie-czy 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 mie-szaniny tej dodaje się specjalne dodatki – surfaktanty, np. kwas oleinowy lub cy-trynowy, lecytynę, TMAH (tetramethylammonium hydroxide), zapobiegające łą-czeniu się i sedymentacji drobin. Cząstka magnetyczna wykonuje ruchy Browna – to również zapobiega skupianiu się cząstek i zwiększa ich rozproszenie.
cząstka mag-netyczna
ciecz nośna cząstka mag-netyczna surfaktant
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 znajdują-cych 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 przed-stawiono na rysunku 2. 20 30 40 50 60 70 80 90 T[°C] temperatura 0,280 0,240 0,200 0,160 0,120 0,080 0,040 0,000 B = 0,055 [T] B = 0,045 [T] B = 0,0217 [T] lepko ść d yna m icz na η [Pa s] proc entowe z m ian y le pk oś ci Θ = 500 [1/s] ferrociecz APG 513 A 0 80 160 240 320 400 natężenie pola magnetycznego [A/cm] 30
20 10 0
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
fragment szerszych badań dotyczących analizy zmian parametrów pracy łożyska ślizgowego smarowanego ferrocieczą. Do przeprowadzenia pełnej analizy smaro-wania niezbędne jest m.in. określenie podstawowych właściwości fizycznych czynnika smarującego, w tym zmian gęstości w zależności od zmiennych warun-ków termicznych. Zmiany tych właściwości w istotny sposób wpływają na zmianę właściwości tribologicznych ferrocieczy i w efekcie na jej przydatność jako czyn-nika 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 nie-newtonowskie 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.
Rys. 3. Zależność lepkości dynamicznej ferrocieczy od prędkości deformacji dla różnych
wartości natężenia pola magnetycznego [12]
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
1,5 1,0 0,5 0,0 0,1 1 10 100 1000 104 105 częstotliwość [Hz] χ’ – część rzeczywista 1,5 1,0 0,5 0,0 0,1 1 10 100 1000 104 105 częstotliwość [Hz] χ” – część urojona Ferrociecz: L9-22, temperatura: T = 40 [°C],
nasycenie polaryzacji: 0,022 [T] Ferrociecz: APG027, temperatura: T = 40 [°C], nasycenie polaryzacji: 0,032 [T] prędkość deformacji [s−1] prędkość deformacji [s−1]
le pko ść d ynamiczna [Pas ] 0,100 0,60 lepko ść dynam iczna [ P as ] 0,45 0,075 H = 160 kA/m H = 120 kA/m H = 160 kA/m 0,30 H = 80 kA/m 0,050 H = 120 kA/m H = 40 kA/m H = 80 kA/m H = 0 kA/m 0,15 0,025 H = 40 kA/m H = 0 kA/m 0,000 0,00 0 1250 2500 3750 5000 0 1250 2500 3750 5000
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 ferro-cieczy. Część badań autor już wykonał, natomiast pozostałe będą realizowane w przyszłości.
1. CHARAKTERYSTYKA BADANEJ FERROCIECZY
W niniejszych badaniach zmierzono gęstość ferrocieczy wykonanej jako mie-szanina 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 (Niem-cy).
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 pro-duktu z olejem bazowym, a następnie je przebadano. Średnia średnica cząstek ma-gnetycznych 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 lep-kości 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 rozsze-rzalnością i parowaniem. Wymagana normą dokładność pomiaru masy dla pikno-metru 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.
Kontrolę temperatury wygrzewania piknometru zapewniał termometr o do-kładności 0,2°C.
Po każdej zmianie temperatury następowało wygrzewanie piknometru z
ferro-cieczą 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
Gęstość badanej cieczy [kg/m3]
Stężenie objętościowe ferrocieczy Temperatura [°C] 8% 6% 4% 3% 2% 1% Olej bazowy 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
Wartości gęstości ferrocieczy i oleju bazowego 8% stężenie 1400 gę sto ść [kg/m 3 ] 1300 stężenie 6% 1200 4% stężenie 1100 3% stężenie 1000 2% stężenie 900 1%
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 cha-rakteryzują się coraz wyższymi wartościami gęstości. Dodatki magnetyczne w ferrocieczy w sposób znaczący podnoszą jej gęstość w stosunku do oleju bazo-wego, z którego został wyprodukowany.
Zaobserwowana zmiana gęstości dla kolejnych stężeń nie jest ściśle propor-cjonalna do zmiany zawartości objętościowej cząstek magnetycznych w ferrocie-czy. 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” mie-szaniny dla kolejnych stężeń wykonywane było jedynie przy udziale oleju bazowe-go, w związku z czym kolejne stężenia nie stanowiły mieszaniny o ściśle powtarza-jących 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 magne-tycznych nie wpływa na gradient zmian gęstości z temperaturą.
700
800 stężenie
olej bazowy 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
LITERATURA
1. Felderhof B.U., Magnetoviscosity of a Ferrofluid in an Oscillating Field, Magnetohydrodynam-ics, 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
ślizgo-wych, 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 dwu-kapilarnego 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
induction. In the paper are briefly characterized properties of the ferrofluid, are given a brief de-scription of the method of determination of ferrofluid’s density and the results of these studies accord-ing 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.
