WPŁYW TEMPERATURY I STĘŻENIA CZĄSTEK MAGNETYCZNYCH FE3O4 NA WARTOŚĆ GĘSTOŚCI FERROCIECZY WYKONANEJ NA BAZIE OLEJU SILNIKOWEGO

Transkrypt

1 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 Fe 3 O 4, 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 Fe 3 O 4 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.

2 52 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010 Ferrociecze uzyskuje się przez utworzenie zawiesiny mikroskopijnych cząsteczek substancji ferromagnetycznej najczęściej jest to Fe 3 O 4, Ge 2 O 2 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 ciecz nośna cząstka magnetyczna 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. lepkość dynamiczna η [Pas] 0,280 0,240 0,200 B = 0,055 [T] 0,160 B = 0,045 [T] 0,120 0,080 B = 0,0217 [T] 0,040 0, T[ C] temperatura Rys. 2. Zmiany lepkości ferrocieczy zależne od temperatury i indukcji magnetycznej [2, 11] procentowe zmiany lepkości Θ = 500 [1/s] ferrociecz APG 513 A natężenie pola magnetycznego [A/cm] Niniejsze badania polegają na wyznaczeniu gęstości ferrocieczy w zależności od temperatury dla różnych stężeń cząstek magnetycznych. Badania te stanowią

3 M. Frycz, Wpływ temperatury i stężenia cząstek magnetycznych 53 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. lepkość dynamiczna [Pas] 0,60 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] lepkość dynamiczna [Pas] 0,45 0,075 H = 160 ka/m H = 120 ka/m 0,30 0,050 H = 160 ka/m H = 80 ka/m H = 120 ka/m H = 40 ka/m H = 80 ka/m 0,15 H=0kA/m 0,025 H = 40 ka/m H = 0 ka/m 0,00 0, prędkość deformacji [s 1 ] prędkość deformacji [s 1 ] 0,100 1,5 χ część rzeczywista 1,5 χ część urojona 1,0 1,0 0,5 0,5 0,0 0, częstotliwość [Hz] 0,0 0, 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

4 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 Fe 3 O 4 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 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.

5 M. Frycz, Wpływ temperatury i stężenia cząstek magnetycznych 55 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. Temperatura [ C] Wartości gęstości ferrocieczy i oleju bazowego Gęstość badanej cieczy [kg/m 3 ] Stężenie objętościowe ferrocieczy 8% 6% 4% 3% 2% 1% Tabela 1 Olej bazowy , , , ,52 981,55 932,73 870, , , , ,35 979,18 929,39 868, , , , ,96 976,43 926,07 864, , , ,45 998,92 973,24 920,72 859, , , ,28 994,38 967,13 913,74 855, , , ,91 989,39 961,50 909,44 851, , , ,73 984,46 955,81 906,01 845, , , ,59 979,52 950,05 903,16 841, , , ,60 972,37 944,23 898,01 836, , , ,80 967,19 937,24 893,19 832, , , ,04 962,35 932,90 890,49 827,98

6 56 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 64, lipiec 2010 gęstość [kg/m 3 ] Wartości gęstości ferrocieczy i oleju bazowego 1400 stężenie 8 % 1300 stężenie 6 % 1200 stężenie 4 % 1100 stężenie 3 % stężenie 2 % 800 stężenie 1 % temperatura [ C] olej bazowy 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.

7 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 Ivanov A.O., Kuznetsova O.B., Magnetic Properties of Dense Ferrofluids, Elsevier, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2002, 252, s 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 Miszczak A., Analiza hydrodynamicznego smarowania ferrocieczą poprzecznych łożysk ślizgowych, monografia, Fundacja Rozwoju Akademii Morskiej, Gdynia Odenbach S., Ferrofluids magnetically controlled suspensions, Elsevier, Colloids and Surfaces A, 2003, vol. 217, s 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 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 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 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 Rosensweig R. E., Ferrohydrodynamics, Dover Publications INC, Mineola, New York Rosensweig R. E., Kaiser R., Miskolczy G., Viscosity of magnetic Fluid, Journal of Colloid and Inference Science, 1969, 4, s Spur G., Uhlmann E., Patzwald R., Rheometer for Investigating the Magnetoviscous Effect of Magnetic Fluids, Magnetohydrodynamics, 2001, vol. 37, no. 3, s [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 Fe 3 O 4 magnetic particles, temperature and the impact direction, type and value of magnetic

8 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.