植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体的黏度特性及磁黏特性.pdf

以矿物油为基液的油基磁流体存在环境污染、难以生物降解的问题。植物油具有绿色环保、生物降解性强等优点。本文以植物油为基液，利用两步法制备了Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体，应用正交实验研究了沉降稳定性，采用单一变量法研究了黏度特性及磁黏特性。其结果表明：以丙酮为分散剂，质量分数为11%，Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数为 2.4%时，沉降稳定性较佳；在零磁场/磁场条件下，黏度随温度的升高而降低；黏度随分散剂和Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数的增大而先增大后减小，分别在分散剂质量分数为11%时和Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数为2.4%时出现拐点；黏度随磁场强度的增大而增大，呈非牛顿流体的特征。植物油是磁流体基液的一种理想选择，植物油基磁流体有较好的沉降稳定性，相较于矿物油基磁流体具有独特的优势，未来可将植物油基磁流体作为一种新型的环保工作介质。关键词：磁流体；植物油；纳米粒子；分散系；沉降稳定性；黏度；磁黏特性中图分类号：TB34 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）07-3623-11Viscosity properties and magnetoviscous effects of Ni0.5Zn0.5Fe2O4 vegetable oil-based magnetic fluidXIE Zhiwei，WU Zhangyong，ZHU Qichen，JIANG Jiajun，LIANG Tianxiang，LIU Zhenyang(College of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,Yunnan,China)Abstract:The mineral oil-based magnetic fluid has the problems of environmental pollution and difficulty in biodegradation.Vegetable oil has the advantages of being green and excellent biodegradability.In this paper,Ni0.5Zn0.5Fe2O4 magnetic fluid was prepared by two-step method using vegetable oil as base liquid.The sedimentation stability was studied by orthogonal experiment,and the viscosity properties and magnetoviscous effects were studied by single variable method.Experimental results showed that the sedimentation stability was better when acetone was used as dispersant with a mass fraction of 11%and Ni0.5Zn0.5Fe2O4 mass fraction of 2.4%.Under the condition of no magnetic field or magnetic field,the viscosity decreased with increasing temperature.The viscosity increased and then decreased with increasing mass fraction of dispersant and Ni0.5Zn0.5Fe2O4,and the inflection point appeared when the mass fraction of dispersant was 11%and the mass fraction of Ni0.5Zn0.5Fe2O4 was 2.4%.The viscosity increased with increasing magnetic field intensity,showing the characteristics of non-Newtonian fluids.Vegetable oil as the base liquid of magnetic fluids was an ideal choice.Vegetable oil-based 研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1549收稿日期：2022-08-22；修改稿日期：2022-10-18。基金项目：国家自然科学基金（51165012）；云南省教育厅科学研究基金（2015Y080）；昆明理工大学分析测试基金（2021P20203103003）。第一作者：谢志伟（1996），男，硕士研究生，研究方向为流体传动与控制。E-mail：。通信作者：吴张永，教授，博士生导师，研究方向为流体传动与控制。E-mail：。引用本文：谢志伟,吴张永,朱启晨,等.植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体的黏度特性及磁黏特性J.化工进展,2023,42(7):3623-3633.Citation：XIE Zhiwei,WU Zhangyong,ZHU Qichen,et al.Viscosity properties and magnetoviscous effects of Ni0.5Zn0.5Fe2O4 vegetable oil-based magnetic fluidJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(7):3623-化工进展，2023，42（7）magnetic fluid had better sedimentation stability,having unique advantages over mineral oil-based magnetic fluid.In the future,vegetable oil-based magnetic fluid can become a new environmentally friendly working medium.Keywords:magnetic fluid;vegetable oil;nanoparticles;dispersion;sedimentation stability;viscosity;magnetoviscous effects磁流体又称磁性液体或铁磁流体，是一种兼具液体材料流动性和固体磁性材料磁性的新型智能纳米流体，在磁场、重力场的作用下可以保持原有物理化学性质，不会发生沉淀和分解，磁场下表现出流变的智能特性，响应快、防泄漏、润滑性能好等，有很强的实用性1-7。已在传感器、密封、润滑、传热、医疗、机械、航天等领域得到应用8-14。根据基液的不同，可分为水基、油基等磁流体。水基磁流体因制备方便、成本低廉、无污染、生物相容性好等优点，受到了广泛关注，制备技术较成熟。但水基磁流体黏度低、润滑性能和黏温特性差、水挥发量大等缺点，使之在应用上受到了极大制约15-17。油基磁流体具有黏度适宜、润滑性好、流变性好等优点，可以弥补水基磁流体的不足。目前，油基磁流体主要以矿物油为基液，如硅油基、煤油基等18-19。然而，矿物油生物降解性差、毒性强，会对环境造成长期污染，且不可再生。随着人们环保意识的日益提高，植物油因具有环保、易生物降解、无毒、来源丰富等优点，且保持传统矿物油良好的黏度特性、润滑性能等，受到了学者的广泛关注20-22。Ni等20制备了植物油基纳米流体切削液，并对其在拉削加工中的应用进行了研究。彭锐涛等21制备了大豆油基Al2O3纳米流体，并对其抗磨减摩性能和悬浮稳定性进行了研究。Rashin 等22制备了不同浓度的椰子油基CuO纳米流体，在不同的温度和剪切速率下，对从0到2.5%不同浓度的纳米流体黏度进行了实验和理论研究。因此，植物油基纳米流体有较好的分散悬浮稳定性、润滑性、抗磨减摩性及黏度特性等性能，植物油相较于水和矿物油具有独特的优势，是磁流体基液的一种理想选择。未来，植物油基磁流体或可能成为一种新型的环保工作介质。黏度特性和磁黏特性是磁流体应用非常重要的性质，有关植物油基磁流体及其黏度特性、磁黏特性的研究少有报道。Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁性纳米颗粒是一种软磁尖晶石铁氧体，具有化学稳定性好、电阻率高、磁导率高、机械硬度高、矫顽力低、磁性好等优点，在永磁体、电子、微波器件、磁流体等领域应用较多23-25。因此，本文以植物油为基液，Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁性纳米颗粒为分散相，采用两步法制备磁流体，研究分散剂质量分数、Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数及温度、磁场等不同因素对黏度特性和磁黏特性的影响。1 材料和方法1.1 材料粒径为 2030nm 的 Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁性纳米颗粒，南京宏德纳米材料有限公司；分散剂为油酸（OA），无锡市亚泰联合化工有限公司；正丁醇（1-butanol），天津市风船化学试剂科技有限公司；丙酮（acetone），广东汕头新宁化工厂；聚乙二醇400（PEG400），天津市风船化学试剂科技有限公司；聚乙二醇600（PEG600），广东光华化学厂有限公司；无水乙醇，广东光华科技股份有限公司；基液为市售大豆油，云南金丰汇油脂股份有限公司。1.2 实验设备数显恒温电动搅拌器，JH-100型，金坛市晶玻实验仪器厂；超声波清洗机，KQ-100型，东莞市科桥超声波设备有限公司；数显黏度计，SNB-1型，维德（宁波）仪器仪表有限公司；温度计，耀华玻璃厂；N52 钕铁硼永磁体，尺寸为 50mm50mm30mm，剩磁约为1.4T，上海颢磁机电；烧杯，四川蜀牛玻璃仪器有限公司；刻度试管，福州泰美实验仪器有限公司；X射线衍射仪（XRD），XRD-6100型，日本岛津公司；特斯拉计，WT10A型，韦特磁电科技有限公司；振动样品磁强计（VSM），Lakeshore7404 型，美国 Lakeshore 公司；场发射扫描电镜（SEM），Zeiss Sigma300型，德国卡尔蔡司股份公司。1.3 实验方法1.3.1 植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体的制备方法采用两步法制备植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体。（1）先将一定量的分散剂溶于一定体积的植物油中，设定转速为450r/min，恒温40，机械搅拌 36242023年7月谢志伟等：植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体的黏度特性及磁黏特性10min，使分散剂充分溶于植物油中，得到溶液A。（2）将一定量的Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒加入到溶液A 中，设定转速 450r/min，恒温 40，机械搅拌2h，得到分散均匀的植物油基磁流体溶液B，停止搅拌；以丙酮为分散剂时，则将一定量的丙酮、无水乙醇和Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒三者混合搅拌20min后再加入一定体积的植物油，机械搅拌2h，得到分散均匀的植物油基磁流体溶液B，停止搅拌。（3）停止搅拌后，将制备完成的植物油基磁流体溶液B在恒温40下进行10min的超声分散，超声分散结束后在恒温40下静置保温60min。（4）将制备完成的植物油基磁流体溶液B冷却至室温。植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体样品如图1所示。1.3.2 样品的表征与测试方法利用振动样品磁强计测量 Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒在常温下的磁滞回线，磁场测试范围为20000+20000Oe（1Oe=1cm-1/2g1/2s-1）；利用 X 射线衍射仪（XRD）对Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒和被分散剂包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒进行物相分析，在2=1585范围内获得衍射谱图；利用场发射扫描电镜（SEM）观察被分散剂包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒微观结构与形貌，通过MAPPING观察Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒表面分散剂元素的分布情况，通过EDS测量Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒的元素组成比例。1.3.3 磁流体沉降稳定性评定方法取20mL制备好的磁流体样品注入带有刻度的试管中，将试管口密封，在常温下静置14d，每隔48h读取上层清液的体积V，并计算沉降稳定性评价系数。沉降稳定性评价系数计算见式(1)，沉降稳定性评价系数K越大，植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体的稳定性越好。K=20mL-V20mL(1)1.3.4 磁流体黏度特性实验方法黏度是磁流体的重要性质之一，在磁流体样品制备完成之后，利用SNB-1数显黏度计测量磁流体样品的黏度。之后对所测得的黏度数据进行分析，研究不同因素对植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体黏度的影响。1.3.5 磁流体磁黏特性实验方法本实验利用N52钕铁硼永磁体模拟匀强磁场，如图2所示。将制备好的磁流体样品置于两永磁体中间，磁场强度通过改变两永磁体之间的距离来调节。其中，两永磁体之间的磁感应强度采用特斯拉计测量。2 结果与讨论2.1 样品表征2.1.1 Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁性纳米颗粒磁性能磁流体的磁黏特性被普遍认为是源于磁性颗粒在施加磁场后由无序排列到有序排列的一种转变26。因此，磁性颗粒的磁性能成为影响磁流体磁黏特性的关键因素。利用VSM对Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒的磁性能进行测试，磁场测试范围为20000+20000Oe（1Oe=1cm-1/2g1/2s-1）。测试所得的磁滞回线如图3所示。可以看出，Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒的饱和磁化强度约为26Am2/kg，饱和磁化强度适中，且磁滞回线光滑，闭合面积小，表明Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗 粒 的 矫 顽 力 和 剩 余 磁 化 强 度 均 趋 近 于 0。Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒还表现出超顺磁性。2.1.2 SEM分析图4为分散剂包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒SEM图。由图4可以看出Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒呈球状，且由于Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒体积小、表面能高，颗粒之间存图1植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体样品图2模拟均匀磁场1特斯拉计探头；2N52钕铁硼永磁体 化工进展，2023，42（7）在团聚现象。图5为分散剂包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒的 MAPPING 图。可以看出，在 Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒表面存在C元素，这表明Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒表面被分散剂丙酮包覆。H元素由于其质量轻、原子量小，无法通过 MAPPING 检测出；而 O 元素在Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒本身存在，故C元素可作为评价Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒表面是否被分散剂包覆的标准。2.1.3 XRD分析图6为Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒XRD图。两个样品都出现了明显的尖晶石铁氧体相的特征峰。可以看出，分散剂包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4出现的一系列衍射峰与 Ni0.5Zn0.5Fe2O4谱图相吻合。特征峰的位置在2=18.41、30.09、35.58、43.22、53.62、57.11、62.50、74.03处出现，对应的晶面指数与Ni0.5Zn0.5Fe2O4图 谱 中(111)、(220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)、(533)一致。在被分散剂包覆的 Ni0.5Zn0.5Fe2O4谱图中，其特征峰的位置没有改变，但是强度下降，宽化明显，衍射谱线发生了一定的变化（衍射谱线向上轻扬）。这可表明分散剂在Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒表面形成了包覆27。2.1.4 EDS分析图 7 为 Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗 粒 EDS 图，表 1 为Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒元素组成比例，1#11#5为测试样品中随机选取的测试点。从表 1 可以看到Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒中Fe、Ni、Zn三种金属元素含量的平均占比分别为43.78%、12.95%、14.73%。2.2 磁流体的沉降稳定性2.2.1 分散剂种类对磁流体沉降稳定性的影响分散剂吸附于颗粒表面可以在颗粒之间提供短距离的空间位阻和静电斥力以达到防止颗粒团聚的目的28。不同的分散剂对降低分散体系中颗粒团聚的作用不同，若分散剂未对颗粒形成有效包覆，则颗粒间的斥力将难以克服范德华引力及重力等力的作用，从而颗粒之间将会产生吸附并发生沉淀。因此，分散剂的选择与使用对植物油基磁流体的沉降稳定性至关重要，它保证了磁流体在重力场下，颗粒不会发生沉淀或团聚现象。此次实验分别用油酸、正丁醇、丙酮、聚乙二醇400、聚乙二醇600等5种试剂作为分散剂制备植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体样品并进行对比，以不添加分散剂的磁流体样品作为对照组，研究分散剂的种类对植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体沉降稳定性的影响。设定所用分散剂的质量分数均为5%，Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒均为图5分散剂包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒MAPPING图图3Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒的磁滞回线图4分散剂包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒SEM图 36262023年7月谢志伟等：植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体的黏度特性及磁黏特性0.5g。将制备得到的磁流体样品在室温下静置两周，每隔两天观察每个样品的沉降情况。不同种类的分散剂对植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体沉降稳定性的影响评价结果见表2。结果显示，样品2即以丙酮为分散剂的磁流体样品沉降稳定性最好。根据各分散剂对磁流体沉降稳定性影响的好坏依次排列：丙酮无分散剂正丁醇油酸聚乙二醇600聚乙二醇400。从表2中还可以看到，不添加分散剂的磁流体的稳定性仅次于添加丙酮的磁流体的稳定性。这是因为植物油中含有油酸，大豆油中的油酸含量更是达到了20%以上。油酸的分子结构中非极性链较长，这种较长的非极性链会产生空间稳定效应使磁性颗粒稳定。油酸分子结构中的COOH官能团还可以与Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒表面的OH官能团结合，以此增强油酸分子与Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒之间的吸附力，这样可以有效防止颗粒之间的团聚。此外，油酸分子的中部还含有C=C双键，该官能团可以起到很好的空间位阻作用，从而提高磁流体的稳定性29。加入丙酮后，由于物质表面张力的大小主要取决于物质自身和与之接触的另一种物质30，而丙酮的表面张力很低，因此被丙酮包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒表面张力将会变小。根据文献30，表面张力是物质表面的一种作用力，来源于物质分子或原子间的范德华引力。因此，被丙酮包覆后的Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒之间的范德华引力也会变小，从而抑制了颗粒的团聚，提高了磁流体的稳定性。2.2.2 分散剂质量分数对磁流体沉降稳定性的影响适当的分散剂质量分数对于保持磁流体良好的稳定性至关重要。根据2.2.1节的实验结果可知，以丙酮为分散剂的植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体沉降稳定性最好。因此，选用丙酮作为本次实验的分散剂。设定Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数为0.48%，丙酮质量分数分别为7%、8%、9%、10%、11%、12%。分散剂质量分数对植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体沉降稳定性的影响评价结果见表3。根据表3可以看到，样品5即丙酮质量分数为11%时，植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体的沉降稳定性最好。按照分散剂质量分数对磁流体沉降稳定性影响的好坏依次为11%10%12%9%8%7%。可见，当分散剂质量分数小于11%时，磁流体的沉降稳定性随分散剂质量分数的增大而越来越好。这是因为分散剂的量过小，无法完全包覆磁性颗粒，部分磁性颗粒之表2分散剂种类与磁流体沉降稳定性的关系样品123456分散剂种类油酸丙酮正丁醇无分散剂聚乙二醇400聚乙二醇600沉降系数K1d1.01.01.01.01.01.02d0.5630.970.5880.9750.150.9354d0.200.960.3750.950.130.176d0.100.950.150.950.100.128d0.050.950.100.930.100.1010d00.920.080.8750.080.1012d00.8750.050.7750.050.0514d00.850.030.6870.020.03图6Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒XRD图表3丙酮质量分数与磁流体沉降稳定性的关系样品123456丙酮质量分数/%789101112沉降系数K1d1.01.01.01.01.01.02d0.970.970.980.980.990.984d0.960.960.960.970.970.976d0.950.950.960.960.970.9558d0.9450.950.950.960.960.9510d0.920.9250.930.930.940.92512d0.900.910.910.920.920.9114d0.860.880.890.900.900.90表1Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒元素组成比例元素范围OFeNiZn归一化质量百分比/%1#128.6543.2813.3114.761#229.3441.7813.2215.661#328.1741.7414.4515.641#427.5948.3510.6413.421#528.9443.7513.1214.18平均占比28.5443.7812.9514.73图7Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒EDS图 化工进展，2023，42（7）间会产生团聚现象并形成较大团聚体，从而降低了磁流体的沉降稳定性。根据表3，当分散剂质量分数达到12%时，磁流体的沉降稳定性变差。产生这种现象的原因在于分散剂质量分数超过11%后，磁流体存在分散剂与Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒包覆结构失稳和分散剂超过溶液饱和度的风险，从而导致磁流体的沉降稳定性下降15。2.2.3 Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数对磁流体沉降稳定性的影响根据2.2.2节的实验结果可知，当丙酮质量分数为11%时，磁流体的沉降稳定性最好。因此，本次实验设定丙酮质量分数为11%，Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数分别为 0.48%、0.96%、1.43%、1.9%、2.4%、2.82%。Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数对植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体沉降稳定性的影响评价结果见表4。由表4可知，样品5即Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数为 2.4%时，磁流体的沉降稳定性最好。根据Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数对磁流体沉降稳定性影响的好坏依次排列：2.4%1.9%1.43%0.96%0.48%2.82%。整体来看，当Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数小于2.4%时，磁流体的沉降稳定性随Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数的变大而逐渐变好。这是因为当Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒较少时，可以充分吸附丙酮到Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒表面，降低了颗粒的表面能，使颗粒不易发生团聚，从而使磁流体的沉降稳定性变好。当Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数达到2.82%时，可以看到，磁流体的沉降稳定性变得较差。这是由于分散剂此时吸附在Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒表面的量已经达到饱和，其余颗粒表面没有或很少吸附有分散剂，从而聚集成为较大的团聚体，导致磁流体的沉降稳定性变差。2.3 磁流体的黏度特性及磁黏特性在植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体最佳配比的基础上，采用单一变量法研究分散剂质量分数、Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数、温度、磁场等因素对磁流体黏度的影响。2.3.1 分散剂质量分数对磁流体黏度的影响设定磁流体溶液的温度为25，丙酮质量分数分别为7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%。零磁场下分散剂质量分数对植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体黏度的影响如图8所示。结果显示，磁流体黏度随分散剂质量分数的增大而增大，在分散剂质量分数达到11%时，磁流体黏度达到最大值。这是由于分散剂质量分数增大，磁流体的稳定性逐渐变好，Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒的分散度也随之变好，基液与固相颗粒之间相互反复碰撞摩擦增强，从而使其黏度增加31。此外，当分散剂的质量分数小于11%时，分散剂的量不足，影响到了磁流体内部Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒的弥散状态，这会使部分磁性颗粒团聚为较大的团聚体，甚至形成某种网状微结构32，这些团聚体或微结构的形成增加了磁流体的运动阻力，从而使磁流体的黏度增大。当分散剂质量分数大于11%时，根据2.2.2节的沉降稳定性实验可知，磁流体沉降稳定性下降，导致Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒的分散度变差，从而使磁流体的黏度减小。磁场下分散剂质量分数对植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体黏度的影响如图9所示，外加磁场强度分别为0mT、30mT、40mT、50mT。根据图9，在外加磁场的作用下，磁流体的黏度随分散剂质量分数的增大而稳步上升，分散剂质量分数达到11%时，黏度达到最大值，黏度变化趋势表现出很强的线性关系，且相较于0mT下的黏度，30mT、40mT、50mT下的黏度增加量较大。这是因为分散剂质量分数增大的同时，磁流体的稳定性变好，Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒的分散度也随之变好，颗粒之间、颗粒与分散剂分子之间的相互作用不断增强，从而使其黏度增大。而外加磁场更是增强了Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒之间表4Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数与磁流体沉降稳定性的关系样品123456Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数/%0.480.961.431.92.42.82沉降系数K1d1.01.01.01.01.01.02d0.990.990.9920.9920.9950.964d0.970.9750.980.980.990.906d0.970.970.970.9750.980.8258d0.960.960.960.970.980.77510d0.940.930.950.950.970.72512d0.920.900.930.940.950.6514d0.900.8750.9150.920.9430.40图8分散剂质量分数对磁流体黏度的影响 36282023年7月谢志伟等：植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体的黏度特性及磁黏特性的偶极相互作用，在磁流体内部形成了链状结构，随着Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒分散度逐渐改善，所形成的链状结构逐步向柱状结构甚至网状结构演变，同时磁流体的流动性降低，其状态也从黏性流态向类固态转变33，从而使磁流体黏度增大。当分散剂质量分数大于11%时，外加磁场下的磁流体黏度开始减小，这是磁流体沉降稳定性下降所致。2.3.2 Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数对磁流体黏度的影响设定磁流体溶液的温度为25，Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数分别为 0.48%、0.96%、1.43%、1.9%、2.4%、2.82%、3.27%。零磁场下 Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数对植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体黏度的影响如图 10 所示。从图10中可以看出，Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数增大，磁流体的黏度也随之增大，当Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数为2.4%时，其黏度达到最大值。这是基液中颗粒的布朗运动以及这些颗粒与基液分子之间不断的相互作用所致。颗粒增多之后，颗粒的布朗运动增多，颗粒与基液分子间的相互作用增强，其黏度也因此而增大。此外，Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数增大，颗粒在磁流体中易发生团聚。这反过来又会导致磁流体内部的剪切应力增大，由于消散分散的固体成分需要更大的力，因此导致磁流体黏度增加22。当Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数大于2.4%时，磁流体黏度开始减小。这是因为颗粒增多到一定程度后，由于分散剂含量低，颗粒没有被很好地包覆，以致颗粒团聚在一起并发生沉淀，导致颗粒对黏度的影响减小，从而降低了磁流体的黏度。当Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数小于2.4%时，磁流体中有多余的丙酮，多余的丙酮虽然也会对磁流体的黏度造成一定影响，但影响很小。原因在于丙酮和植物油都是极性有机物，根据相似相溶原理，二者可以互溶，而丙酮黏度低，含量少，对磁流体黏度的影响很小。磁场下 Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数对植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体黏度的影响如图11所示，磁场强度分别为0mT、30mT、40mT、50mT。由图11可知，在外加磁场的作用下，磁流体的黏度随Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数的增大而增大，且相较于0mT下的黏度，其他3种磁场强度下的黏度增大了许多，当颗粒质量分数为2.4%时，其黏度达到最大值。这是因为外加磁场诱使磁性颗粒的磁矩变得有序，在磁流体中形成链状、准球形结构甚至团簇，且这些结构或团簇的形成取决于颗粒浓度、颗粒参数等因素34。因此，Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数增大之后，磁流体中所形成的链状结构、准球形结构等会更加明显35，这些结构也会随着Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数的增大而增多或是演变为更致密的结构，磁流体的流动阻力也会因这些结构的形成与存在变得更大。因此，在外加磁场的作用下，Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数增大之后，磁流体的黏度也会随之增大。当 Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数大于 2.4%时，磁流体黏度变小，原因在于此时磁流体的沉降稳定性随颗粒质量分数的增大而变差，从而导致磁流体黏度变小。图10Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数对磁流体黏度的影响图11Ni0.5Zn0.5Fe2O4质量分数对磁流体磁黏特性的影响图9分散剂质量分数对磁流体磁黏特性的影响 化工进展，2023，42（7）2.3.3 温度对磁流体黏度的影响设定磁流体溶液的温度范围为2080。零磁场下植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体黏度随温度的变化如图12所示，根据黏温特性曲线可以看出，温度对磁流体黏度的影响较为明显，温度在2050之间时其黏度随温度的升高而降低，且呈线性下降，表现出较强的规律性。磁流体的黏温特性与颗粒之间和基液分子之间的黏附力减弱密切相关22。众所周知，影响磁流体黏度的主要因素是分子间的相互作用力。随着温度的升高，基液分子和Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒的布朗运动加剧，运动的平均速度增大，与相邻分子或颗粒之间的相互作用时间变短，Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒之间、基液分子之间以及颗粒与基液分子之间的相互作用力降低，对磁流体旋转运动的阻碍强度减弱，使磁流体黏度宏观上表现为随温度的升高而变小36。当温度大于50时，磁流体黏度变化趋缓。这是因为温度升高到一定程度后，Ni0.5Zn0.5Fe2O4颗粒的布朗运动加剧，分子间的碰撞强度增大，扰乱了磁流体的流动趋势，使磁流体流动阻力增大，这与基液黏度的降低相抵消，从而导致磁流体黏度变化趋缓37。磁场下植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体黏度随温度的变化情况如图13所示，设定磁场强度为0mT、30mT、40mT、50mT。根据图13，在外加磁场的作用下，磁流体黏度随温度的升高而降低。产生这种现象的原因在于磁场强度较低时，由于热相互作用对单个磁性颗粒引起的磁黏特性起决定性作用，黏度变化曲线随温度的增加呈单调递减的趋势38。此外，在外加磁场的作用下，磁流体中会形成链状结构39。根据文献38，随着温度的升高，在较高的布朗热能下，链状结构中的磁性颗粒有逃逸的趋势；而又根据文献40，温度的降低可使磁流体中的链状结构变长。那么可以推测随着温度的升高，链状结构将会变短甚至被分解以至于变少从而降低磁流体的流动阻力，使磁流体黏度变小。由图13可知，尽管外加磁场作用下的磁流体黏度增加很多，但其随温度的变化趋势相较于0mT下的黏度变化趋势并无太大差别。这主要是基液分子间的热相互作用起到了很大作用。磁性颗粒可以被磁场磁化，但基液无法被磁化，温度升高，基液分子的布朗运动加剧，基液分子间的相互作用力减弱，从而导致基液黏度变小，进而影响到磁流体的黏度。因此，基液分子间的热相互作用也是影响磁流体磁黏特性的重要因素。从图13还可以看出，温度达到60时，磁流体黏度变化趋缓。这是因为温度升高到一定程度后，磁流体中链状结构遭到破坏，磁性颗粒增多，颗粒的无序运动增多，扰乱了磁流体的流动趋势，使磁流体流动阻力增大从而与基液黏度相抵消所致37-38。这也说明温度升高到一定程度后，磁场对磁流体黏度的影响会遭到削弱。2.3.4 磁场强度对磁流体黏度的影响在外加磁场的作用下，磁性颗粒之间的偶极相互作用上升，形成链状结构，通过调节外部磁场，磁流体黏度会发生快速且可逆的变化，呈现出典型的磁流变效应41。图 14 为磁场强度对植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体黏度的影响，设定外加磁场的磁场强度分别为10mT、20mT、30mT、40mT、50mT、60mT，磁流体溶液的温度为 20、25、30。由图14可以看出，磁流体黏度随磁场强度的增大而增大，表现出非牛顿流体的特性。原因在于施加磁场后，由于布朗运动和Neel运动，使磁性颗粒沿磁场方向排列，颗粒间的相互作用形成随磁场而伸长的单链结构。当磁场强度达到一定的阈值时，颗粒间的相互作用和排列增强，单链结构会聚集成较厚的柱状结构（直径可达100nm1m）38。这图12温度对磁流体黏度的影响图13温度对磁流体磁黏特性的影响 36302023年7月谢志伟等：植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流体的黏度特性及磁黏特性些结构的形成会增强磁流体的流动阻力，从而使磁流体的黏度增大。此外，磁性颗粒在磁场作用下排列成链状结构，表现出较强的磁性相互作用，这种强相互作用的磁性颗粒还可形成滴状结构，而这种滴状结构的形成会使磁流体的黏度显著增加（超过一个数量级）40。在外加磁场的作用下，除了会形成微观结构而影响磁流体黏度外，磁性颗粒还会受到磁力矩的作用，旋转受到约束。当基液有涡旋运动时，磁性颗粒相对基液就会有一定速度的滞后，而这种滞后将会产生作用于磁性颗粒上的黏性力矩。由于黏性力矩的作用，磁性颗粒的磁矩方向将会偏离外部磁场的方向，进而磁场对磁性颗粒作用的磁力矩将会增大，当两种力矩处于平衡状态时，即稳态下，外加磁场对磁流体黏度的影响在宏观上表现为黏度增大32。根据图14，磁场强度30mT时，磁流体的黏度变化较大，超过40mT时，黏度变化趋缓，这在20时表现得尤为明显。产生此种现象的原因在于磁场强度较小时，磁性颗粒或其团聚体互不相关、相互独立地沿磁场方向取向，弥散在基液中的悬浮磁性颗粒的迁移和转动受到热波动的影响，是自由相，此时磁流体黏度较小，这一点在30mT以下时表现得较为明显；在磁场强度较大时，磁性颗粒在磁场的作用下沿磁场方向有序排列，形成互不相关的细线状物也就是初始的链状结构，变成有序相，这一变化在20时的3040mT之间及25时的2030mT之间的黏度变化表现得比较明显；而随着磁场强度的进一步增大，有序相以长链为核心，吸收短链，使链状结构变粗，形成固态相或类固态相42，即磁场强度大于40mT时，此时磁流体黏度因为这些结构的存在与增强就会变得很大。同时由图14还可以看到，随着温度的升高，磁流体黏度变化的规律性