Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 962-965

ВВЕДЕНИЕ

Магнитная эмульсия представляет собой систему микрокапель магнитной жидкости, взвешенных в жидкой среде. Выделяют два типа магнитных эмульсий, отличающихся величиной межфазного натяжения на границе капля магнитной жидкости–дисперсионная среда. К первому типу относятся магнитные эмульсии на водной основе, в которой диспергированы капли магнитной жидкости – коллоидного раствора частиц ферро- или ферримагнитных материалов в углеводородах (керосине, толуоле и т.п.). Межфазное натяжение в таких системах достаточно велико и характерной особенностью таких систем является отсутствие существенной деформации микрокапель в магнитном поле. При этом капли магнитной жидкости могут образовывать цепочечные агрегаты, вытянутые в направлении поля. К другому типу относят магнитные эмульсии на основе минеральных масел. Диспергирование в них углеводородных магнитных жидкостей приводит к образованию развитой системы микрокапель, которые способны деформироваться даже в самых небольших магнитных полях. В таких эмульсиях при воздействии электрического и магнитного полей образуются сложные агрегативные, в том числе лабиринтные структуры из микрокапель [1]. При определенных условиях возможно даже обращение эмульсии, когда дисперсная фаза – магнитная жидкость и дисперсионная среда – минеральное масло меняются местами. Физические свойства магнитных эмульсий активно исследуются в последнее время [2]. Процессы деформации капель, образование агрегативных структур приводят к изменению магнитных, реологических, электрофизических и оптических свойств магнитных эмульсий [3–5]. Среди оптических эффектов в магнитных эмульсиях известны дифракционное рассеяние света [6, 7] и изменение прозрачности [8]. Магнитные эмульсии являются перспективной средой для дефектоскопии магнитных материалов [9], а также для создания магнитоуправляемых оптических фильтров [10]. Настоящая работа посвящена исследованию оптических эффектов, возникающих в магнитных эмульсиях при воздействии магнитного поля, а также влиянию гидродинамических полей на их величину.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для исследований был приготовлен образец магнитной эмульсии на водной основе, с каплями, представляющими собой керосиновую магнитную жидкость. Образцы готовились методом ультразвукового смешивания с добавлением ПАВ и последующим осаждением в неоднородном магнитном поле наиболее крупных капель. Таким образом, достигалась относительная агрегативная и седиментационная устойчивость, достаточная для проведения длительных серий измерений. Итоговая концентрация получившегося образца вычислялась по плотности и составляла порядка 0.5%.

Для исследования изменения прозрачности магнитных эмульсий при воздействии импульсного магнитного поля прозрачная стеклянная ячейка с образцом толщиной 1 мм помещалась в область однородного поля катушек Гельмгольца, через которые пропускался импульсный электрический ток при помощи электронного ключа. Сквозь ячейку с образцом эмульсии пропускался свет гелий-неонового лазера с длиной волны 633 нм, который затем регистрировался фотодетектором. Амплитуда напряженности магнитного поля составляла от 0.1 до 6 кА/м, длительность импульсов от 5 до 30 с. Длительность промежутка между импульсами подбиралась экспериментально таким образом, чтобы прозрачность системы могла восстанавливаться до первоначального значения. Для проведения исследований методом вращающейся кюветы в магнитном поле использовалась установка аналогичная [11]. Кювета приводилась во вращение двигателем постоянного тока с ШИМ-регулятором оборотов, который позволял плавно менять скорость вращения в пределах 40–250 об./мин.

При воздействии магнитного поля прозрачность магнитной эмульсии увеличивается. Наибольший эффект увеличения прозрачности достигается в так называемой продольной конфигурации, когда магнитное поле направлено вдоль луча света. На рис. 1 представлены кривые изменения прозрачности при воздействии прямоугольных импульсов магнитного поля длительностью 8 секунд с различными амплитудами. Видно, что в достаточно сильном поле с напряженностью около 2 кА/м прозрачность эмульсии увеличивается почти в 5 раз. Время полной релаксации эффекта после выключения поля до первоначального уровня 8–12 с.

Воздействие гидродинамического поля вращающейся жидкости в кювете приводит к изменению формы зависимости прозрачности образца от времени, а также к уменьшению времени релаксации эффекта после выключения поля. Величина максимального изменения интенсивности прошедшего света при увеличении скорости вращения кюветы также уменьшается (рис. 2). При возрастании частоты вращения кюветы с 80 до 200 об./мин амплитуда оптического эффекта уменьшается примерно в три раза. При этом существенно уменьшается время релаксации оптического эффекта до 0.5–1 с.

Эффект изменения прозрачности в продольном поле может быть интерпретирован формированием цепочек из капель эмульсии в магнитном поле и последующим вторичным агрегированием цепей в более крупные структуры, ориентированные вдоль направления поля. При этом суммарное сечение ослабления света существенно уменьшается, что приводит к значительному увеличению прозрачности образца. После выключения поля структура цепочечного агрегата становится рыхлой, и он распадается за счет броуновской диффузии отдельных микрокапель.

Релаксация электро- или магнитооптических эффектов после выключения поля описывается выражением [12]:

где A – величина электро- или магнитооптического эффекта, τ – характерное время его релаксации. В случае ориентационных оптических эффектов (двойное лучепреломление, дихроизм) время релаксации определяется коэффициентом вращательной броуновской диффузии $\tau \approx {1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {6{{D}_{r}}}}} \right. \kern-0em} {6{{D}_{r}}}}.$ В магнитных эмульсиях на водной основе магнитооптический эффект, по-видимому, не является ориентационным, и релаксация после выключения поля определяется поступательной диффузией отдельных капель. После выключения поля возникшие цепочечные агрегаты из микрокапель эмульсии разрушаются под действием теплового движения. Время релаксации в таком случае можно оценить по формуле: где L – среднее расстояние между цепочечными агрегатами из микрокапель, а ${{D}_{t}}$ – коэффициент поступательной диффузии микрокапли.

Воздействие на цепочки капель гидродинамического поля во вращающейся кювете приводит к появлению момента сил, отклоняющего цепочки от направления магнитного поля, что способствует их разрушению при достаточно быстром вращении кюветы с образцом. Разрушение цепочечных агрегатов из микрокапель приводит к уменьшению оптического эффекта изменения прозрачности, а также к его более быстрой релаксации после выключения поля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В магнитных эмульсиях на водной основе с высоким межфазным натяжением обнаружено значительное (4–5 раз) увеличение прозрачности при воздействии продольного магнитного поля с напряженностью до 2 кА/м. Изучено влияние вращения кюветы на эффект изменения прозрачности в магнитном поле. Установлено, что при вращении образца величина оптического эффекта уменьшается с ростом скорости вращения кюветы.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-03-00279а).