Influencia de la naturaleza del líquido portador y de la forma de las partículas magnéticas sobre las propiedades de suspensiones magnetorreológicas

Resumen

A pesar de los numerosos esfuerzos científicos realizados en la última década, los fluidos magnéticos (FM) presentan, aún en la actualidad, problemas que actúan como factores limitantes para su transferencia efectiva al sector industrial. El amplio interés tecnológico que presentan estos fluidos hace que sean numerosas las investigaciones en diversas ramas científicas (ciencia de coloides, ciencia de materiales, ferrohidrodinámica y reología) dedicadas a mejorar sus propiedades; esencialmente, la estabilidad frente a la sedimentación. La mejora de esta última y otras propiedades podría potenciar aún más las aplicaciones de los FM, haciéndolos útiles, por ejemplo, en sistemas donde las condiciones de trabajo (presión y temperatura) sean extremas. Actualmente, además del estudio de métodos que permitan reducir la agregación irreversible y la sedimentación de las partículas magnéticas que los constituyen, la investigación se centra, entre otros, en los siguientes aspectos: (i) estudio de las interacciones entre partículas, con el objeto de lograr una mejor comprensión desde el punto de vista físico del comportamiento de los FMR; (ii) desarrollo de nuevos FM en los que, variando las forma, tamaño o concentraciones de las partículas constituyentes, sea posible conseguir elevados intensos cambios en sus propiedades reológicas por acción de campos magnéticos (efecto magnetorreológico, MR). El trabajo realizado en esta tesis doctoral se ha centrado en los aspectos anteriormente citados y se ha desarrollado estudiando el efecto de cada uno de los componentes básicos de un FM (agentes estabilizantes, líquido portador, partículas magnéticas) sobre propiedades tales como estabilidad coloidal y redispersión y sobre la intensidad del efecto MR. A continuación se detallan cada uno de los objetivos que se han alcanzado con el presente trabajo. Se pueden esquematizar en cuatro grandes bloques: a) Efecto de aditivos tixotrópicos y surfactantes sobre la estabilidad y magnetorreología de FMR. A pesar de las numerosas investigaciones llevadas a cabo en la última década, la agregación y sedimentación de las partículas magnéticas que constituyen los FM, con la consiguiente pérdida del efecto magnetorreológico, son aún problemas aún abiertos a la investigación. Entre las soluciones propuestas para solventar dichos problemas se encuentran: (i) el uso de surfactantes o polímeros que eviten la agregación por repulsión estérica; (ii) la adición de agentes tixotrópicos, que mediante la formación de geles eviten la sedimentación de las partículas magnéticas; (iii) la adición de nanopartículas magnéticas para mejorar la redispersión; y (iv) el uso de líquidos iónicos como portadores (véase siguiente punto). La necesidad de obtener FMR altamente estables nos llevó a plantear como primer objetivo de la tesis doctoral el estudio detallado de los procesos de sedimentación y redispersión de los sedimentos formados y del comportamiento MR. Concretamente, nos centramos en FM en los que los aditivos usados con el objeto de mejorar la estabilidad fueron diferentes surfactantes (ácido oleico y estearato de aluminio) y agentes tixotrópicos (nanopartículas de sílice y micropartículas de arcilla orgánica). El objetivo final era conocer qué agente estabilizante proporciona la mejor estabilidad, al tiempo que un elevado efecto MR. b) Estudio de la influencia del líquido portador en las propiedades de sedimentación, redispersión y magnetorreológicas de FM. Los líquidos iónicos constituyen una nueva generación de fluidos que presentan un amplio abanico de posibilidades. Debido a su baja presión de vapor, naturaleza no corrosiva y alta estabilidad térmica representan una alternativa prometedora como portadores en aquellos FMR diseñados para condiciones extremas de trabajo (altas presiones y variaciones de temperatura notables), o para dispositivos donde el caucho sea uno de los elementos constituyentes, como ocurre en la mayoría de los amortiguadores. En este caso, los objetivos principales consistieron en la preparación de FM en los que el medio de dispersión sea era un líquido iónico, y el estudio de los posibles mecanismos fisicoquímicos que pudiesen dar lugar a la estabilización de las partículas frente a procesos de agregación en los citados líquidos iónicos. Además, se estudiaron las propiedades magnetorreológicas de dichos FM y se estudiaron los procesos de sedimentación y redispersión de los sedimentos, con el fin de evaluar las ventajas obtenidas respecto a FM convencionales donde el portador suele ser un medio oleoso. c) Estudio del fenómeno de deslizamiento en paredes. Como se describió en la introducción, el auge en la investigación de los FMR está motivado por la multitud de aplicaciones tecnológicas que presentan estos fluidos, para las que es necesario conocer con exactitud sus magnitudes reológicas características, tales como la viscosidad y los módulos viscoelásticos. Los valores de estas magnitudes están afectadas por la presencia de las superficies sólidas que confinan a la suspensión, por lo que resulta interesante conocer los posibles fenómenos relacionados con la presencia de dichas paredes. Uno de estos fenómenos es el llamado deslizamiento en paredes, que consiste, básicamente, en la subestimación de la viscosidad y de los módulos viscoelásticos como consecuencia de la formación de una capa de lubricación (prácticamente libre de partículas sólidas) de pequeño espesor entre la superficie de confinamiento y el seno de la suspensión. Este fenómeno depende en gran medida de la rugosidad de las paredes sólidas y afecta a la caracterización reológica de suspensiones. Aunque es un fenómeno conocido desde hace años, no existen trabajos en los que se analice en el caso de FM. Por tanto, nos planteamos como objetivo el análisis de los efectos del deslizamiento en paredes en la determinación de la viscosidad y de los módulos viscoelásticos de suspensiones magnetorreológicas muy concentradas. Para ello, se midieron las propiedades MR de las suspensiones en líquidos iónicos usando sistemas de medida con dos tipos de superficies, lisas y rugosas, y se compararon los resultados obtenidos en ambos casos. d) Efecto de la morfología de las partículas en las propiedades magnéticas y magnetorreológicas de FM. Recientemente, se ha propuesto el uso de partículas magnéticas con formas anisótropas como uno de los caminos más prometedores para obtener FM altamente estables y que presenten un elevado esfuerzo umbral. Teniendo en cuenta dicha propuesta, nos planteamos los siguientes objetivos: (i) síntesis y caracterización de partículas magnéticas de tamaño micro- y nanométrico con forma fibrilar; (ii) estudio de las propiedades magnéticas de las partículas sintetizadas, tanto desde un punto de vista teórico como experimental; (iii) preparación de FM que contengan dichas partículas como fase dispersa y caracterización del comportamiento magnetorreológico (viscoso y viscoelástico) de los mismos; (iv) modelado teórico del comportamiento magnetorreológico de suspensiones compuestas por partículas con forma anisótropa; y, por último, (v) comparación de los resultados obtenidos, tanto teóricos como experimentales, con los de FM convencionales (en los que la fase dispersa está constituida por partículas esféricas). Parte de este trabajo se realizó durante las dos estancias llevadas a cabo en el Laboratoire de Physique de la Matière Condensée de la Universidad de Nice-Sophia Antipolis (Francia). Como se ha mencionado en apartados anteriores, el objetivo principal de este trabajo ha sido la preparación de nuevos FM estables y con efecto MR de intensidad elevada. Para ello se ha analizado la influencia de cada uno de sus componentes (agentes estabilizantes, líquido portador, y partículas magnéticas) en los fenómenos de sedimentación y redispersión, y en el efecto magnetorreológico desarrollado por los FM en presencia de campo magnético aplicado externo. A modo de resumen hemos de indicar que las conclusiones fundamentales de este trabajo se pueden resumir en tres afirmaciones. La primera es que ninguno de los aditivos usados con el objeto de estabilizar las suspensiones de micropartículas esféricas de hierro en medio oleoso (surfactantes: ácido oleico y estearato de aluminio; agentes tixotrópicos: nanopartículas de sílice y micropartículas de arcilla) evita totalmente la existencia de separación de fases en los FM y la consiguiente formación de sedimentos, aunque el uso de agentes surfactantes es más adecuado que el agentes tixotrópicos, puesto que favorece la redispersión y proporciona un mayor efecto MR a elevados campos magnéticos. La segunda es que el uso de líquidos iónicos como medio de dispersión para fluidos magnetorreológicos dificulta la agregación irreversible entre las partículas y, por tanto, favorece la estabilidad coloidal. Además, el estudio magnetorreológico llevado a cabo con suspensiones en las que el portador es un líquido iónico nos muestra que los fenómenos de deslizamiento en paredes dan lugar a una subestimación de la viscosidad, del esfuerzo umbral estático y de los módulos viscoelásticos. Finalmente, la última conclusión derivada del trabajo realizado es que el uso de partículas con forma anisótropa (tanto de tamaño nanométrico como micrométrico), para la preparación de FM, permite intensificar el efecto magnetorreológico. A esto hemos de añadir el desarrollo de un modelo teórico que nos permite obtener las curvas de flujo de suspensiones de microfibras magnéticas y el importante efecto encontrado en el caso de nanofibras magnéticas, donde la orientación de las mismas determinará el estado final de magnetización de las suspensiones preparadas, debido a la importancia del campo demagnetizante en el estado final de magnetización.