СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В МАЛЫХ ОБЪЁМАХ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ НА НАГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ПЕРЕМЕННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Симоновский А. Я. ¹ , Зубенко Е. В. ² , Кобозев М. А. ²

1. Ставропольский государственный университет, Российская Федерация, г. Ставрополь, 355014, ул. Пушкина, дом 1. E – mail: Stavsu@stavsu.ru

2. Ставропольский государственный аграрный университет, Российская Федерация, г. Ставрополь, 355014, пер. Зоотехнический, дом 12. E – mail: Mich-kobozev@mail.ru

Введение.

Изучаются процессы испарения капель магнитных жидкостей, изготовленных по разной технологии и стабилизированных разными поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Описание методики экспериментов.

На нагретую поверхность из немагнитного материала падала капля магнитной жидкости. Проводилось наблюдение за поведением капли как без магнитного поля, так и при наличии горизонтального и вертикального относительно поверхности нагревателя переменного магнитного поля.

Для фиксирования отдельных моментов процесса испарения капля фотографировалась фотокамерой при виде сверху.

В экспериментах использовались два типа магнитных жидкостей МЖ₁ и МЖ₂ на водной основе, изготовленных с использованием различных ПАВ. Жидкость МЖ₁ обладала плотностью 1248 кг / м ³ и намагниченностью насыщения M_S = 25 кА / м. Жидкость МЖ₂ обладала плотностью 1009 кг / м ³ и намагниченностью насыщения M_S = 20 кА / м. Жидкости такого состава считались концентрированными. Их подвергали разбавлению дистиллированной водой в два и четыре раза – в эксперименте использовали двух- и четырёх кратно разбавленные образцы МЖ₁ и МЖ₂.

Поведение капель МЖ₁ на поверхности нагревателя при его различной температуре без воздействия магнитного поля

Эксперименты показали, что при температурах поверхности нагревателя порядка 100°С и выше в каплях двукратно и четырёхкратно разбавленной МЖ₁ происходит расслоение магнитной жидкости. Процесс расслоения существенно зависит от температуры поверхности нагревателя, концентрации магнитных частиц в жидкости, а также от величины и направления магнитного поля относительно поверхности нагревателя.

Обнаружено, что при расслоении капель разбавленных МЖ₁ образуется гелеобразный сгусток тёмно-коричневого цвета, окружённый слоем прозрачной жидкости и имеющий форму сплющенного шара. Фотография этого состояния капли приведена на рисунке 1.

В первые секунды пребывания капли на поверхности нагревателя на поверхности сгустка МЖ₁ появляются тонкие, более тёмного цвета, по сравнению с цветом всей капли, змеевидного очертания полоски – хаотически расположенные в отсутствие магнитного поля трещины на поверхности сгустка. По-видимому, можно говорить о переходе магнитной жидкости в гелеобразное иди жидкокристаллическое состояние.

При контакте капли с поверхностью нагревателя вначале испаряется прозрачная оболочка капли. Одновременно с испарением жидкой оболочки увеличивается степень раскрытия трещин-разломов на её поверхности. Это зафиксировано на фотографии рисунка 2. Затем испарение происходит уже с поверхности тёмного сгустка капли, как с его гладких участков, так и с поверхности разломов, что, несомненно, сказывается на времени испарения капель. К концу испарения осадок имеет консистенцию гелеобразной густой смазки.

Возникновение подобных структур в магнитных жидкостях с увеличением температуры до сих пор не было описано. Однако, в коллоидной химии хорошо известны лиофильные дисперсные системы, например, мицеллярные дисперсии ПАВ. В таких дисперсиях наряду с отдельными молекулами присутствуют коллоидные частицы (мицеллы) – ассоциаты молекул ПАВ. Достаточно высокая степень ассоциации молекул в мицеллах позволяет рассматривать их как частицы иной, по сравнению с молекулярным раствором, фазы.

При достаточно большом содержании ПАВ в системе подвижность мицелл уменьшается и происходит их сцепление. При этом образуется объёмная сетка – коагуляционная структура (гель) с характерными для таких структур механическими свойствами: пластичностью, прозрачностью, тиксотропией. При дальнейшем удалении дисперсионной среды гель переходит в твёрдую макрофазу – кристалл мыла.

По-видимому, мы имеем аналогичные процессы мицеллообразования: возникновение геля, и, далее, перехода геля в твёрдую макрофазу происходит в МЖ₁ при её нагреве. При помещении на горячую поверхность нагревателя капля МЖ₁ уже в первые секунды нагревается до температуры образования мицелл. При дальнейшем увеличении температуры капли, вода из магнитной жидкости испаряется, концентрация ПАВ увеличивается и происходит образование гелеобразного сгустка, который и виден на фотографиях (рисунки 1 – 2). Однако молекулы ПАВ в магнитных жидкостях связаны с диспергированными в них магнитными частицами. Поэтому, образующиеся мицеллы и гель состоят не только из молекул ПАВ, но и из магнитных частиц.

Рисунок 1. Фотография капли (вид сверху) четырёхкратно разбавленного состава МЖ1 на поверхности нагревателя при температуре 110°С без магнитного поля.

Рисунок 2. Фотография капли (вид сверху) четырёхкратно разбавленного состава МЖ1 на поверхности нагревателя при температуре 110°С без магнитного поля.

Поведение капель магнитной жидкости МЖ₁ на поверхности нагревателя в переменном горизонтальном магнитном поле.

Поведение капель двух- и четырёхкратно разбавленной МЖ₁ в переменном магнитном поле, направленном вдоль поверхности нагревателя, существенно изменяется по сравнению с их поведением без магнитного поля. В момент попадания капли жидкости на поверхность нагревателя, также как и в отсутствии магнитного поля, происходит расслоение капли. В объёме капли образуется гелеобразный сгусток тёмного цвета, покрытый тонким слоем прозрачной жидкости. Вид капли в первые доли секунды помещения ей на нагретую поверхность мало отличается от изображённого на рисунке 1. В процессе испарения на поверхности капли начинают формироваться трещины. В отличие от их хаотической ориентации в отсутствии магнитного поля в переменном магнитном поле они ориентируются перпендикулярно направлению поля. Это отображено на рисунке 3. Линии поля лежат в плоскости рисунка и меняют своё направление слева направо. Трещины на рисунке 3 видны на поверхности капли в виде змеевидных линий более тёмного цвета, чем основной цвет массы сгустка. Из рисунка видно также, что эти трещины ориентированы вертикально. В процессе испарения капли характер распределения этих трещин на поверхности сгустка становится вновь хаотичным, что зафиксировано на фотографии (рисунок 4).

Существенный интерес представляет вид осадка капли жидкости к концу испарения (рисунок 5). Видно, что осадок испарившейся капли заметно структурирован. Снаружи он окаймлён тонким сплошным кольцом, внутри этого кольца видны хлопьеобразного характера вкрапления, которые в своей массе образуют обладающий симметрией рисунок.

Рисунок 3. Фотография капли (вид сверху) четырёхкратно разбавленного состава МЖ1 на поверхности нагревателя при температуре 110°С в переменном магнитного поля (4 – 5 кА / м).

Рисунок 4. Фотография капли (вид сверху) четырёхкратно разбавленного состава МЖ1 на поверхности нагревателя при температуре 110°С в переменном магнитного поля (4 – 5 кА / м).

Рисунок 5. Фотография капли (вид сверху) четырёхкратно разбавленного состава МЖ1 на поверхности нагревателя при температуре 110°С в переменном магнитного поля (4 – 5 кА / м).

Поведение капель магнитной жидкости МЖ₁ на поверхности нагревателя в переменном вертикальном магнитном поле.

Особенный интерес вызывает поведение капель двух- и четырёхкратно разбавленной МЖ1 в переменном магнитном поле вертикально направленном по отношению к поверхности нагревателя. В первые секунды попадания капель на поверхность нагревателя их поведение совпадает с ранее описанным в других режимах. На поверхности образовавшегося в капле сгустка начинают формироваться трещины, которые, в отличие от трещин, наблюдавшихся в горизонтальном переменном магнитном поле, теперь имеют характер концентрических окружностей, что показано на рисунке 6. К концу испарения структура осадка обладает выраженной симметрией, что отражено на фотографии (рисунок 7). Видно, что снаружи капля окаймлена сплошным кольцом. Внутри этого кольца образуются концентрически расположенные кольца, сформировавшиеся в виде хлопьев спекшихся магнитных частиц и остатков ПАВ. А при испарении и высыхании капли концентрированной жидкости образуются пространственные губчатые структуры.

Поведение капель магнитной жидкости МЖ₂ в переменном магнитном поле.

Наиболее ярким проявлением поведения МЖ₂ в переменном магнитном поле при испарении при низких температурах нагревателя (около 110°С) является то, что к концу испарения осадок капли принимает вид лабиринтных структур (рисунок 8), меняется и качество самого осадка, он приобретает кристаллическую огранку. Структура осадка – дендритообразна и аналогична наблюдаемой в процессе кристаллизации.

Рисунок 6. Фотография капли (вид сверху) четырёхкратно разбавленного состава МЖ1 на поверхности нагревателя при температуре 110°С в переменном магнитного поля (4 – 5 кА / м).

Рисунок 7. Фотография капли (вид сверху) четырёхкратно разбавленного состава МЖ1 на поверхности нагревателя при температуре 110°С в переменном магнитного поля (4 – 5 кА / м).

Рисунок 8. Фотография капли (вид сверху) двукратно разбавленного состава МЖ2 на поверхности нагревателя при температуре 110°С в переменном магнитного поля (4 – 5 кА / м).

Выражаем благодарность РФФИ за поддержку работы по гранту № 02-01-00694.