Способ определения устойчивости магнитных коллоидов Советский патент 1991 года по МПК G01N7/10 G01N27/72 

Изобретение относится к коллоидной химии, в частности к способу оценки агрегативной устойчивости магнитных коллоидов, например магнитных жидкостей, и является усовершенствованием известного способа, описанного в авт. св. СССР № 922586.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет определения агрегативной устойчивости частиц в пробе из магнитного коллоида наряду с кинетической.

На фиг. 1 изображено устройство для определения агрегативной устойчивости магнитного коллоида; на фиг. 2 - зависимость относительного изменения концентрации ферромагнитных частиц в коллоиде от времени нахождения его в измерительном канале; на фиг. 3 - расположение магнитного коллоида в измерительном канале через некоторое время после его заполнения.

Устройство для определения устойчивости состоит из кольцевых постоянного магнита 1 и полюсных приставок 2 и 3, концентрично охватывающих вал 4 и образующих кольцевой измерительный канал между валом и одной из полюсных приставок 2, заполненный магнитным коллоидом 5. Магнитный ноток Ф проходит по пути; магнит 1, полюсная приставка 2, вал 4, другая полюсная приставка 3, обеспечивает наличие неоднородного магнитного поля в измерительном канале. При заполнении измерительного канала магнитным коллоидом последний в неоднородном магнитном поле образует пробку и по удерживаемому ею критическому перепаду АР можно опредеО

о

GO С7

N:

к:

лить относительное изменение концентрации А С в магнитном коллоиде с помощью расчетной формулы ЛР1

где К - постоянная прибора;

Is - намагниченность насыщения магнитного коллоида, измеренная в однородном магнитном поле.

Величина, обратная относительному изменению концентрации, определяет устойчивость магнитного коллоида. Если устойчивость магнитного коллоида определять при сдвиговом течении через промежутки времени, то получим зависимость изменения объемной концентрации магнитных частиц в пробке от времени выдержки магнитного коллоида в измерительном канале, представленную на фиг. 2, из которой следует, что изменение концентрации вначале увеличивается, достигает максимальной величины, а затем уменьшается. Повышение концентрации магнитных частиц в пробке с увеличением выдержки магнитного коллоида в измерительном канале связано с кинетической неустойчивостью магнитных коллоидов в сильном и неоднородном магнитном поле. Повышение устойчивости связано с агрегацией частиц, а скорость повышения характеризует агрега- тивную устойчивость. Это можно объяснить следующим. При сдвиговом течении магнитного коллоида упорядоченная структура магнитных частиц, обусловленная межчастичным взаимодействием, разрушается под действием касательных напряжений, При некоторой скорости течения в измерительном канале (фиг. 3) имеются две зоны: статическая 6 с разрушенной структурой и зона 7 ламинарного течения, где под действием касательных напряжений идет разрушение структуры, образованной магнитными частицами. Высота разрушения определяется равенством касательного напряжения и предела текучести магнитного коллоида

r(h) to,

где т- касательное напряжение на высоте измерительного канала h. В статической зоне 6 частицы связаны с поверхностью полюсной приставки и между собой молекулярными и магнитными силами. Под действием этих сил со временем происходит деформация и разрушение защитных оболочек частиц и, как следствие, агрегация частиц. Поэтому объемная концентрация частиц в этой зоне увеличивается, а связи между частицами упрочняются. Из зоны те

чения 7 частицы стремятся в область максимального поля, которое имеет место на острие полюсной приставки в статической зоне 6. Этому способствует агрегация частиц.

Объемная концентрация частиц в зоне течения 7, а также намагниченность магнитного коллоида понижаются. Критический перепад давлений, удерживаемый пробкой из магнитного коллоида, определяется перепадом, при котором происходит пробой менее прочной зоны - зоны 7 с пониженной намагниченностью. Поэтому в сдвиговом течении происходит снижение критического перепада давлений, удерживаемого пробкой из магнитного коллоида из-за образования зоны с пониженной концентрацией магнитных частиц, формированию которой способствует агрегация частиц. По скорости повышения устойчивости {скорости снижения концентрации частиц в зоне течения) судят об агрегативной устойчивости магнитного коллоида. Чем больше скорость повышения устойчивости, тем ниже агрегативная устойчивость магнитного коллоида.

Течение магнитной жидкости перестает быть сдвиговым при повышении частоты, вращения цилиндра, когда появляются нормальные напряжения, образующие вихревые потоки Тейлора. Граница режимов течения определяется числом Тейлора 1.

,2

акругде Шкр - критическая угловая скорость вращения цилиндра;

V - кинематическая вязкость магнитной жидкости;

г - радиус цилиндра; д - зазор между цилиндрами.

Оценка числа Тейлора для измерительного канала с зазором между цилиндрами д 0,1 мм, радиусом вращающегося цилиндра г 10 мм, угловой скоростью У 3,14 и вязкостью МЖ v м2/с 10 мм2/с дает

Та V10 -0,,0314

Поскольку Та « Та кр, то вихревых потоков нет, и течение магнитной жидкости является сдвиговым.

Критическая скорость вращения для этого измерительного канала при v 10 мм2/с составляет

41.2-10

VlO-0,13

4120с

-1

Таким образом, сдвиговым является течение, если 0 0) Шкр.

Критическая угловая скорость зависит от вязкости магнитной жидкости и размеров измерительного канала.

Пример. Определение устойчивости магнитных коллоидов проводили в устройстве, представленном на фиг. 1. Магнитный коллоид в объеме 0,3 см помещали в измерительный канал с неоднородным магнитным полем, имеющим максимальную величину напряженности 1,1 МА/м и градиент 330 МА/м2, включали привод вращения вала (диаметр вала 20 мм, угловая скорость 3,14 рад/с), многократно измеряли критический перепад давлений в течение 48 ч через промежутки времени и рассчитывали относительное изменение концентрации магнитных частиц в коллоиде по формуле

дс М-где Д Ci и Л PI - относительное изменение концентрации магнитных частиц и критический перепад давлений через I промежуток времени после помещения магнитного коллоида в измерительный канал, К 1,2 ТЛ - постоянная прибора, Is - намагниченность насыщения магнитного коллоида.

Затем из имеющихся значений Д Ci определяли максимальное относительное изменение объемной концентрации частиц дСлпахс и соответствующее ему время tmaxc. После достижения Д Смаке относительное изменение концентрации частиц уменьшается (фиг. 2), что соответствует снижению концентрации частиц в зоне течения. Определяем скорость снижения относительной концентрации частиц в зоне течения (скорость повышения устойчивости) по формуле

ДСиакс-ДСц

Va

tn 1макс

где Ти - время испытаний (в нашем случае tM - 48 ч).

ДСи относительное изменение объемной концентрации частиц через промежуток времени Ти и после помещения магнитного коллоида в измерительный канал

(в нашем случае tu 48 ч). Чем больше V8, тем меньше агрегативная устойчивость магнитного коллоида.

Результаты испытаний четырех магнитных коллоидов, приготовленных на крем- нийорганической дисперсионной среде, в двух из которых диспергировано железо с размером частиц около 5 нм, а в остальных магнетит с размером частиц 10 нм, представлены в таблице.

Приведенные данные показывают, что по кинетической устойчивости магнитные коллоиды 2 и 3 близки друг к другу, а наиболее высокой кинетической устойчивостью

обладает магнитный коллоид А. поскольку имеет минимальное значение . По агрегативной устойчивости магнитные коллоиды 2 и 3 очень резко отличаются, магнитный коллоид 3 имеет самую

высокую агрегативную устойчивость, так как Va 0.

Испытания работоспособности магнитных коллоидов в магнитожидкостных уплотнениях (МЖУ) показали, что их ресурс в

основном определяется их агрегативной устойчивостью (табл.). Таким образом, применение предлагаемого способа определения устойчивости магнитных коллоидов позволяет дополнительно оцечить их агрегативную устойчивость, которая определяет качество магнитных коллоидов и основные их эксплуатационные характеристики в различных устройствах.

Формула изобретения

Способ определения устойчивости магнитных коллоидов по авт. ев № 922586, о т- личающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения агрегативной устойчивости наряду с кинетической, в измерительном канале создают постоянное сдвиговое течение магнитного коллоида, измерение критического перепада давления и

определение относительного изменения концентрации магнитных частиц осуществляют многократно с последующим определением скорости снижения относительного изменения концентрации частиц, по которой судят об устойчивости магнитного коллоида к агрегатированию.

Физ.1

Изобретение относится к коллоидной химии и позволяет расширить функциональные возможности за счет определения агрегативной устойчивости наряду с кинетической. Магнитный коллоид помещают в измерительный канал, в котором создают неоднородное магнитное поле, измеряют критический перепад давлений, а устойчивость рассчитывают по формуле ΔС = (ΔРЪ/K^.J_S) - 1, где ΔС - относительное изменение концентрации ферромагнитных частиц в коллоиде

ΔРЪ - критический перепад давлений

K - постоянная прибора

J_S - намагниченность насыщения магнитного коллоида, измеренная в однородном магнитном поле. В измерительном канале создают постоянное сдвиговое течение магнитного коллоида, а измерение критического перепада давлений и определение устойчивости производят многократно, при этом определяют скорость повышения устойчивости и по ней судят об устойчивости магнитного коллоида к агрегатированию. 3 ил.