Pruebas oscilatorias

Las pruebas oscilatorias se realizaron utilizando los ferrofluidos inversos FFI-AC03, FF1- ACO8 y FFI-ACI O a diferentes concentraciones de partículas de poliestireno. En contraste a las pruebas rotacionales, las pruebas oscilatorias no destruyen la estructura del material si se utiliza una deformación lo suficientemente pequeña. Esta deformación crítica fue determinada en función del campo aplicado y de la concentración de partículas no magnéticas mediante una prueba de barrido de amplitud. Para los ferrofluidos estudiados, el valor de la deformación crítica es de yc = 0.016%, la cual representa el límite del intervalo viscoelástico lineal en el cual inicia la destrucción irreversible de la estructura.

De esta forma, las pruebas oscilatorias se realizaron a una deformación y frecuencia angular constante de y = 0.01% y o) = 10 radls, respectivamente. La intensidad de campo magnético H se incrementó continuamente de O a 274 kA!m. La Figura 4.13 muestra el comportamiento de - los módulos de almacenamiento G' y de pérdida G" como una función de la fracción volumetrica de partículas no magnéticas, el tamaño de partícula y la intensidad de campo, las columnas de las gráficas corresponden a las mediciones con tamaño de partícula constante y en los renglones mantienen el mismo valor de concentración de partículas de poliestireno.

Ps1 3 pim

0 ç- .O...

100 101 102

lO° Iflh 10

10 ptm

d) -

100 101 102

101 000 0 e)

10°100 ^- 101 10 2

IV. Ferrofluidos Inversos.

8.4 ^JLm

0.17

0.25

100^-

100 101 10²

0 --

101 ⁰ rb ^C1 f)

o ^O

10'^- 12

10° _10

lo

10

1'

0 000

i 1

0.30

H jKIVmJ

Fig. 4.13 Módulo de almacenamiento G' (fl) y modulo de pérdida G" (•) en función de la intensidad de campo magnético H, fracción volumen Ø de las partículas de poliestireno y tamaño de partícula D en el ferrofluido inverso FFI-AC03, FFI-AC08 y FFI-AC1O.

Aquí se observa que para todas las mediciones hay un punto de intersección de las curvas correspondientes al módulo de pérdida O' y el módulo de almacenamiento G", lo cual indica una transición de un estado "liquido " a un estado "quasi-gel ". Esto se puede entender debido a la formación de la micro-estructura en forma de cadenas o columnas dentro del ferrofluido inverso. Aunque la formación de cadenas inicia desde valores de campo pequeños, antes del punto de cruce las fuerzas magnetostáticas entre las partículas de las cadenas son demasiado débiles comparadas con las fuerzas hidrodinámicas. Por esta razón el módulo de almacenamiento G' antes de la intersección es más pequeño que el módulo de pérdida G".

IV. Ferrofluidos Inversos.

Después del punto de intersección, las interacciones entre las partículas y las cadenas comienzan a ser más fuertes generando el estado "quasi-gel ". Como se puede observar en la Figura 4.13, esta transición es afectada por la fracción volumen, incrementando Ø ^{de 0.17 a} 0.25 el punto de cruce se mueve hacia valores de módulo y campo más altos. Si se sigue aumentando Ø, no se aprecia un cambio remarcable.

Por otra parte, el tamaño de partícula también afecta el punto de intersección, para los fluidos con partículas monodispersas de 3 .im (columna del lado izquierdo), los módulos de pérdida y almacenamiento son más pequeños que para los fluidos con partículas similares de 10 iim (columna central). Esto muestra que no solamente la concentración de partículas no magnéticas incrementa el efecto viscoelástico, sino que también el tamaño de partícula promueve un cambio en el comportamiento magnetoreológico de los ferrofluidos inversos.

Al igual que los modelos teóricos para la determinación del esfuerzo de cedencia, la teoría para la determinación de las propiedades viscoelásticas en ferrofluidos inversos, ecuaciones (4.16) y (4.17), muestran ser independientes del tamaño de partículas. Sin embargo, para Ø constante el número de partículas es proporcional a Ø/a3 y el número de cadenas unitarias cuya longitud es igual al espaciamiento entre los platos de medición es proporcional a q$/a3. De esta forma, el número de cadenas se incrementa cuando el radio de las partículas disminuye y las interacciones entre las cadenas llegan a ser más importantes. Aunque en nuestro caso este efecto parece no tener relevancia cuando el campo magnético se incrementa, ya que si comparamos la columna de lado izquierdo con la columna central de la Figura 4.13, el - comportamiento de los módulos G' y G" solo muestran un ligero incremento con respecto al

campo.

Por otra parte, la distribución de tamaño de las partículas no magnéticas sí muestran tener un efecto importante en la respuesta viscoelástica de los ferrofluidos inversos. Si observamos las mediciones en ferrofluidos conteniendo partículas polidispersas de 8.4 j.tm de diámetro, columna del lado derecho de la Figura 4.13, vemos que el G' se incrementa más lentamente con respecto al campo magnético que para partículas monodispersas. Además, las curvas muestran una meseta indicando que las propiedades viscoelásticas no continúan siendo afectadas debido a la influencia del campo magnético. Este efecto se presenta para los tres

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valores de Ø estudiados y se debe posiblemente a que la presencia de partículas de diferente tamaño impide la formación de cadenas homogéneas de esta forma las fuerzas magnetostáticas disminuyen.

Un efecto similar ha sido recientemente descrito en un estudio dinámico molecular de la formación de cadenas en un ferrofluido estándar {29]. Aquí se enfatiza que las pequeñas partículas cambian la permeabilidad magnética efectiva de las partículas grandes, de esta forma disminuye la interacción dipolar efectiva entre ellas. Este efecto se aplica también a ferrofluidos inversos ya que las partículas no magnéticas mantienen un momento dipolar inducido proporcional al volumen que desplazan.

En la Figura 4.14, se muestran los datos adimensionales para módulo de almacenamiento en función de la fracción volumen, tamaño de partícula e intensidad de campo magnético correspondientes a los resultados mostrados en la figura 4.13. La expresión que describe los datos adimensionales de acuerdo a la teoría de de Gans y col. [21], Ecuación (4.17), es la siguiente:

C'= ^{GI/ 3 2}

4 PO Prfi2;(4)øv M12(1+ + -

gJ].

Aquí, G' representa los datos experimentales y M la magnetización de saturación.

En la Figura 4.14 podemos observar que los datos experimentales para las concentraciones de 0.17 y 0.25 se mantienen en la vecindad de la línea diagonal correspondiente a la teoría, pero solo para las partículas monodispersas (círculos y triángulos). Tomando en cuenta que este modelo asume que la estructura en reposo de la suspensión esta formada por cadenas rectas que cubren el espacio entre los platos de medición y paralelas al campo, además de que las interacciones entre las cadenas es omitida, podemos considerar que hay una buena correspondencia con la teoría para el régimen lineal. No obstante, para la fracción volumen de 0.3, los datos experimentales exceden las predicciones teóricas posiblemente debido a que en

1

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este intervalo la formación de columnas tiene una mayor influencia en las mediciones reológicas.

G'

40.175 4=0.25 4=0.3

a) b).

AA

/ c)

u u 2

u

2 2

r

A/'

O _A ¹ A7'o AV 1 A

u A CAA

AO A A

. c. . o -

0 1 - 3 1 0 1 3

Fig. 4.14 Módulo de almacenamiento escalado de acuerdo a la Ec. (4.19) para los ferrofluidos inversos FFI-AC03 Pst 3im (0), FFI-AC1O Pst 10pm (A) y FFI-AC08 Pst 8,4tm polidispersas (u). La línea continua representa los datos teóricos. La fracción volumen es (a) ₄₎ = 0.175, (b) ₄₎ = 0.25 and (c) ₄₎ = 0.3. El campo magnético aplicado también fue escalado de acuerdo a FI = H0 / M. Las gráficas d), e) y f) representan los datos de a), b) y c) pero en un intervalo extendido.

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