Study on the Effect of Shear Rate and Magnetic Field on the Rheological Properties of Ferrofluid

• Autorzy: Tarasevych Yuliia , Szczęch Marcin

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0055.0796

Warianty tytułu

PL

Badanie wpływu szybkości ścinania i pola magnetycznego na właściwości reologiczne cieczy magnetycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Ferrofluids are fluids containing polydisperse magnetic nanoparticles stabilized by surfactants, which form a colloidal system with the carrier fluid. They are used in various fields, such as sensors, speakers, seals, silencers, lubricants, and medicine. Their rheological properties have a significant impact on the application and stability of these fluids. The purpose of this study is to analyze the change in dynamic viscosity over a range of magnetic fields from 0 to 500 mT and shear rates from 25 to 250 s^-1. The rheological properties were measured using a rotational rheometer. Four commercial ferrofluids with different values of saturation magnetization, viscosity of the carrier fluid, and particle size distribution were selected for the study. A method of analyzing viscosity curves as a function of shear rate for a constant value of magnetic induction and viscosity curves as a function of magnetic induction for a constant shear rate is presented, taking into account the formation of molecular structures. The analysis was based on theoretical models, studying the phenomenon of magneto viscosity and other relevant parameters. The particle size and distribution were measured using the DLS method, and the results were in agreement with theoretical predictions, confirming the effectiveness of this method in evaluating the distribution of nanometer-sized particles. It was also shown that for some ferrofluids, the initial slope angle of the viscosity curve for low values of magnetic induction (below 30 mT) can provide the basis for an analyticalempirical model describing the rheological properties of ferrofluids.

PL

Ferrociecze to ciecze zawierające polidyspersyjne nanocząstki magnetyczne, stabilizowane surfaktantami, które tworzą z cieczą nośną układ koloidalny. Znajdują one zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak czujniki, głośniki, uszczelnienia, tłumiki, środki smarujące oraz medycyna. Ich właściwości reologiczne mają istotny wpływ na możliwości aplikacyjne oraz stabilność tych cieczy. Celem pracy jest analiza zmiany lepkości dynamicznej w zakresie pola magnetycznego od 0 do 500 mT oraz szybkości ścinania od 25 do 250 s^-1. Pomiary właściwości reologicznych przeprowadzono za pomocą reometru rotacyjnego. Do badań wybrano cztery komercyjne ferrociecze o różnych wartościach magnetyzacji nasycenia, lepkości cieczy nośnej oraz rozkładzie wielkości cząstek. Przedstawiono sposób analizy krzywych lepkości w funkcji szybkości ścinania dla stałej wartości indukcji magnetycznej oraz krzywych lepkości w funkcji indukcji magnetycznej dla stałej szybkości ścinania, uwzględniając formowanie się struktur cząsteczkowych. Analizę oparto na modelach teoretycznych, badając zjawisko magnetolepkości i inne istotne parametry. Wielkość i rozkład cząstek zmierzono metodą DLS, a uzyskane wyniki były zgodne z przewidywaniami teoretycznymi, co potwierdza skuteczność tej metody w ocenie rozkładu cząstek o wymiarach nanometrycznych. Wykazano również, że dla niektórych ferrocieczy początkowy kąt nachylenia krzywej lepkości dla niskich wartości indukcji magnetycznej (poniżej 30 mT) może stanowić podstawę do opracowania analityczno-empirycznego modelu opisującego reologiczne właściwości ferrocieczy.

Słowa kluczowe

EN

magnetic fluid; ferrofluid; viscosity; rheology; magnetic viscosity

PL

ciecz magnetyczna; ferrociecz; lepkość; reologia; lepkość magnetyczna

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2025
• Tom: nr 1
• Strony: 77--86
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz.., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Tarasevych Yuliia

• AGH University of Krakow, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow

• https://orcid.org/0000-0001-7483-337X

autor

Szczęch Marcin

• AGH University of Krakow, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow

• https://orcid.org/0000-0002-1997-357X

Bibliografia

• 1. Hewlin R. L., Edwards M., Schultz C.: Design and Development of a Traveling Wave Ferro-Microfluidic Device and System Rig for Potential Magnetophoretic Cell Separation and Sorting in a Water-Based Ferrofluid, Micromachines, 14, 2023, https://doi.org/10.3390/mi14040889.
• 2. Wang Z., He X., Li D., Liu S., Li Z.: Influence of magnetic particles aggregation on rheological properties, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 570, 2023, p. 170513, https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2023.170513.
• 3. Szmajnta K., Szindler M. M., Szindler M.: Synthesis and magnetic properties of Fe2O3 nanoparticles for hyperthermia application, Archives of Materials Science and Engineering, 109, 2021, pp. 80–85.
• 4. Amirabadizadeh A., Salighe Z., Sarhaddi R., Lotfollahi Z.: Synthesis of ferrofluids based on cobalt ferrite nanoparticles: Influence of reaction time on structural, morphological and magnetic properties, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 434, 2017, pp. 78–85, https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.03.023.
• 5. Arulmurugan R., Vaidyanathan G., Sendhilnathan S., Jeyadevan B.: Co–Zn ferrite nanoparticles for ferrofluid preparation: Study on magnetic properties, Physica B: Condensed Matter, 363, 2005, pp. 225–231, https://doi.org/10.1016/j.physb.2005.03.025.
• 6. Hosseini S. M., Vafajoo L., Ghasemi E., Salman B. H.: Experimental investigation the effect of nanoparticle concentration on the rheological behavior of paraffin-based nickel ferrofluid, International Journal of Heat and Mass Transfer, 93, 2016, pp. 228–234, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.09.082.
• 7. Marinca T. F., Chicinaş H. F., Neamţu B. V., Isnard O., Pascuta P., Lupu N., Stoian G., Chicinaş I.: Mechanosynthesis, structural, thermal and magnetic characteristics of oleic acid coated Fe3O4nanoparticles, Materials Chemistry and Physics, 171, 2016, pp. 336–345, https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2016.01.025.
• 8. Yang K., Peng H., Wen Y., Li N.: Re-examination of characteristic FTIR spectrum of secondary layer in bilayer oleic acid-coated Fe3O4 nanoparticles, Applied Surface Science, 256, 2010, pp. 3093–3097, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.11.079.
• 9. Borin D. Y., Korolev V. V., Ramazanova A. G., Odenbach S., Balmasova O. V., Yashkova V. I., Korolev D. V.: Magnetoviscous effect in ferrofluids with different dispersion media, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 416, 2016, pp. 110-116,https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.05.024.
• 10. Odenbach S.: Ferrofluids – magnetically controlled suspensions, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 217, 2003, pp. 171–178, https://doi.org/10.1016/S0927-7757(02)00573-3.
• 11. Ivanov A. O., Camp P. J., Magnetization relaxation dynamics in polydisperse ferrofluids, Phys. Rev. E, 107, 2023, p. 034604,https://doi.org/10.1103/PhysRevE.107.034604.
• 12. Bhandari A.: Study of magnetoviscous effects on ferrofluid flow, The European Physical Journal Plus, 135, 2020, p. 537, https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-020-00563-w.
• 13. Rosa A. P., Cunha F. R.: The influence of dipolar particle interactions on the magnetization and the rotational viscosity of ferrofluids, Physics of Fluids, 31, 2019, p. 052006, https://doi.org/10.1063/1.5093267.
• 14. Genc S., Derin B.: Synthesis and rheology of ferrofluids: a review, Current Opinion in Chemical Engineering, 3, 2014, pp. 118–124, https://doi.org/10.1016/j.coche.2013.12.006.
• 15. Rosensweig R. E.: Ferrohydrodynamics, Cambridge University Press, Cambridge, 1985.
• 16. Li Z., Li D., Dong J., Cui H., Yao J.: Study of temperature influence on the rheological behavior of magnetic fluids, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 545, 2022, p. 168757, https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168757.
• 17. Ivanov A. O., Zubarev A.: Chain Formation and Phase Separation in Ferrofluids: The Influence on Viscous Properties, Materials, 13, 2020, https://doi.org/10.3390/ma13183956.
• 18. Odenbach S., Pop L., Zubarev A.: Rheological properties of magnetic fluids and their microstructural background, GAMM-Mitteilungen, 30, 2007, pp. 195–204, https://doi.org/10.1002/gamm.200790008.
• 19. Zhenkun L., Li D., Cui H., Zhang Y., Wang H.: Influence of the Carrier Fluid Viscosity on the Rotational and Oscillatory Rheological Properties of Ferrofluids, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 19, 2019, pp. 5572–5581, https://doi.org/10.1166/jnn.2019.16525.
• 20. Upadhyay R. V., Parekh Kinnari H., Jadav M., Lin Yu-Shen, Raj K.: Manifestation of surfactant – carrier interaction in ferrofluids in temperature-dependent magnetic rheology, AIP Advances, 14, 2024, p. 105317, https://doi.org/10.1063/5.0230673.