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BIBLIOTECA DO INSTITUTO DE QUÍMICA
UNICAMP

 
TESE DE DOUTORADO
 
Autor: Bombard, Antonio José Faria
Título: Suspensões Magneto-Reológicas de Pós de Ferro Carbonilo: Um Estudo da Influência das Propriedades Magnéticas e do Tamanho das Partículas
Ano: 2005
Orientador: Prof. Dr. Pedro Luiz Onófrio Volpe
Coorientadora: Profa. Dra. Maria Regina Ancântara
Departamento: Físico-Química
Palavras-chave: Reologia, Magnetismo, Suspensões magneto-reológicas, Pó de ferro carbonilo
Resumo: O tamanho, distribuição de tamanhos de partículas e a susceptibilidade magnética de alguns pós de ferro carbonilo comerciais (BASF AG CC, CS, HQ, OX e SM) foram medidas. O tamanho das partículas aumenta na seguinte ordem: HQ < SM < CC ~ OX < CS. A susceptibilidade magnética aumenta na ordem: HQ ~ OX << SM ~ CC ~ CS. Suspensões magneto-reológicas (SMR) com 66% massa/massa de pó de ferro foram preparadas e suas propriedades reológicas foram avaliadas na ausência de campo magnético, e sob campos de 100, 200 e 300 Oersted. A tensão de escoamento sob 300 Oe, medida através da deformação causada na amostra por uma rampa controlada de tensão de cisalhamento, aumentou na ordem: HQ ~ OX < SM < CC < CS, indicando uma correlação direta com a susceptibilidade magnética. A viscosidade plástica sem campo magnético aumentou na ordem: CS < CC < OX < SM < HQ, uma correlação inversa com o tamanho das partículas. Estes resultados preliminares mostram que o tamanho e ou a distribuição de tamanhos de partículas pode ser outra importante propriedade dos pós, juntamente com a susceptibilidade magnética, na formulação otimizada de SMR. Em um outro estudo, SMR baseadas também em pós de ferro carbonilo (BASF AG CL, HQ, OX e SM) e dois tipos de sílicas pirogênicas (Cab-O-Sil M5 - hidrofilica, e Cab-O-Sil TS610 - hidrofóbica, Cabot Corp.) foram preparadas e estudadas quanto ao efeito da composição do geI pré-misturado na estabilidade contra sedimentação, tixotropia, viscosidade plástica e tensão de escoamento na ausência e presença de campo magnético. Todas as formulações continham 66% massa/massa de pó de ferro carbonilo. As curvas de sedimentação mostraram, após um mês em repouso, que a sílica hidrofílica foi melhor que a hidrofóbica na prevenção da sedimentação dos pós. A tixotropia sem campo magnético foi medida através da recuperação da viscosidade. Observou-se que as SMR com sílica hidrofílica apresentaram uma recuperação mais intensa e mais rápida que as SMR com sílica hidrofóbica. Os valores de viscosidade plástica sem campo para as SMR foram: CL = 101 mPa.s, HQ = 131 mPa.s, OX = 106 mPa.s e SM = 124 mPa.s com o gel de sílica hidrofíIica. Para as SMR em gel de silica hidrofóbica, os valores de viscosidade plástica foram: CL = 91 mPa.s, HQ = 89 mPa.s, OX = 101 mPa.s e SM = 67 mPa.s. Para todas as SMR estudadas, os valores de tensão de escoamento obtidos seguiram aproximadamente a mesma ordem da susceptibilidade magnética: HQ ~ OX < SM < CL. Sob campo magnético aplicado de 300 Oe e usando um gel de sílica hidrofíIica, os valores de tensão de escoamento das SMR foram: HQ = 94 Pa, OX = 96 Pa, SM = 116 Pa, e CL = 280 Pa. Para as SMR em gel de sílica hidrofóbica, os valores de tensão de escoamento foram: HQ = 66 Pa, OX = 67 Pa, SM = 65 Pa c CL = 186 Pa. Portanto, a fase de dispersão também afeta a tensão de escoamento das SMR. Todos os sistemas estudados e todos os resultados obtidos até o presente, mostram de maneira decisiva., que a fase contínua pode desempenhar um papel relevante na formulação de SMR, não só em repouso e na ausência de campo magnético e ou cisalhamento, para prevenir ou retardar a sedimentação das partículas de ferro, mas especialmente no desempenho da SMR sob campo. Finalmente, SMR baseadas em misturas de dois pós de ferro carbonilo (BASF AG CL e SU) como fase magnética e um óleo mineral de amortecedores (Chevron Texaco F1) como fase líquida foram preparadas. De acordo com o fabricante, os pós CL e SU são ambos magneticamente "moles", mas as partículas de CL são em média, sete vezes maiores que as partículas de SU. A distribuição de tamanhos dos dois pós é do tipo "Iog-normal". A fração em massa de pó de ferro em cada SMR foi mantida constante em 80% m/m. Sílica pirogênica hidrofílica (1% m/m de Aerosil® 200) foi usada para reduzir a sedimentação. As razões de mistura foram: CL 0%, CL 20%, CL 40%, CL 60%, CL 80% e CL 100%. Uma SMR, a mistura CL 80%, mostrou considerável redução da viscosidade plástica sem campo, na região de taxa de cisalhamento entre 100 - 500 s, quando comparada as SMR. sem mistura (CL 0% ou CL 100%). Os valores de tensão de escoamento das SMR. sob campo aplicado H ~ 340 kA/m foram: 18.1 kPa para a SMR CL 0%, 18.3 kPa para as SMR CL 20% e CL 40%, 20.0 kPa para a SMR CL 60%, 22.3 kPa para a SMR CL 80% e 23.3 kPa para as SMR CL 100%, respectivamente. Para comparação, uma amostra de uma SMR comercial (MRF-132LD, Lord Corp.) nas mesmas condições, com mesma fração em massa de fase ativa, apresentou uma tensão de escoamento de 21.2 ± 0.6 kPa. Portanto, misturas de pós de ferro carbonilo com diferentes tamanhos de partículas podem otimizar o desempenho de SMR, reduzindo a viscosidade plástica sem campo e aumentando o efeito MR.
Abstract: The particle size distribution and magnetic susceptibility of some commercial carbonyl iron powders (code names CC, CS, HQ, OX and SM) were measured. The particle size of the powders increases as follows: HQ < SM < CC ~ OX < CS. The magnetie susceptibility increases in the order: HQ ~ OX << SM ~ CC ~ CS. Magnetorheological suspensions (MRS) with 66% w/w of iron were prepared and their rheological properties were evaluated at no field, 100, 200 and 300 Oersted. The yield stress under 300 Oe measured with strain - stress curves increases in the order: HQ ~ OX < SM < CC < CS, showing direct correlation with the susceptibility. The apparent viscosity without field increases in the order: CS < CC < OX < SM < HQ, an inverse correlation with particle size. These first results show that the particle size and/or size distribution can be another important property of the powders, together with magnetic susceptibility on the formuIation of improved MRS. In another study, magnetorheological suspensions based on carbonyl iron powders (BASF grades: CL, HQ, OX and SM) and two kinds of fumed silica (Cabot corp. hydrophilic grade M-5 and hydrophobic grade TS-610) were studied to verify the effeet of the pre-mixed gel composition on the sedimentation stability, thixotropy, pIastic viscosíty and yield stress under the absence or presence of magnetic field. All formulations had 66,6% w/w of carbonyl iron powder. The sedimentation curves shown that after one month at rest, the hydrophiIic silica was better than hydrophobic to prevent the sedimentation of powders. The thixotropy without field was measured through the viscosity recovery. It was observed that the systems with hydrophilic silica have a higher and faster recovery than the hydrophobic. The plastic viscosities without field were: CL = 101 mPa.s, HQ = 131 mPa.s, OX = 106 mPa.s and SM = 124 mPa.s with hydrophilic base gel. For the hydrophobic gel the pIastic viscosities were: CL = 91 mPa.s, HQ = 89 mPa.s, OX = 101 mPa.s and SM = 67 mPa.s. For all suspensions studied the yield stress values obtained followed approximately the same order of powder magnetic susceptibility: HQ ~ OX < SM < CL. Under applied magnetic field of 300 Oe and using a hydrophiIic base gel, the yield stresses values were: HQ = 94 Pa, OX = 96 Pa. SM = 116 Pa, and CL = 280 Pa. With a hydrophobic base gel the values obtained were HQ = 66 Pa, OX = 67 Pa, SM = 65 Pa and CL = 186 Pa. Therefore, the dispersion phase also affect the yield stress value of the MR suspensions. AlI the systems studied and all the results obtained showed in a decisive way that the dispersion phase can plays an important role not only at rest to prevent the undesirable sedimentation of the iron particles but specially on the performance of magnetorheological suspensions under field. Finally, magnetorheoIogical suspensions based on mixtures of two commercial carbonyl iron powders (BASF grades CL and SU) as magnetic phase and hydrocarbon oil (Chevron Texaco shock absorber oil F1) as liquid phase were prepared. According to the manufacturer, CL and SU are both soft magnetic powders, but CL is a coarse powder, while SU is a fine one. Their size ratio is ~ 7:1. The total mass fraction of iron was 80% w/w each formulation. Hydrophilic fumed silica (1 % w/w of Aerosil® 200) was used to reduce the settling. The mixing ratios were: CL 0%, CL 20%, CL 40%, CL 60%, CL 80% and CL 100%. A MRS, the mixture CL 80%. showed considerable reduction of the plastic viscosity without field, in the range of 100 - 500 s, when compared to the MRS with just one powder. The yield stress values under applied field H ~ 340 kA/m were: 18.1 kPa for the MRS CL 0%, 18.3 kPa for the MRS's CL 20% and CL 40%,20.0 kPa for the MRS CL 60%, 22.3 kPa for the MRS CL 80% and 23.3 kPa for the MRS CL 100%, respectively. For comparison, a sample of commercial MRF-132LD (Lord Corp.) in the same conditions showed yield value of 21.2 ± 0.6 kPa. Therefore, mixing carbonyl iron powders with different particle sizes can improve the performance of MRS, decreasing the 'off´ plastic viscosity, and increasing the MR effect.
Arquivo (Texto Completo): vtls000366780.pdf ( tamanho: 16,6MB )

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