techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2024-14-4-92-102techusgu-290Research ArticleФИЗИКАPHYSICSДипольное взаимодействие частиц в магнитной жидкости, стабилизированной двойным слоем ПАВ в водеDipole interaction of particles in magnetic fluid stabilized by a double layer of surfactant in waterhttps://orcid.org/0000-0002-3989-7893ЛебедевА. В.LebedevA. V.

Лебедев Александр Владимирович - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории динамики дисперсных систем, ИМСС УрО РАН.

ул. Акад. Королёва, д. 1, Пермь 614013

Aleksandr V. Lebedev - Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Senior Researcher at the Laboratory of Disperse Systems Dynamics, Institute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, the affiliate of the Perm Federal Scientific Research Center.

1 Academician Korolev Str., Perm 614018

lav@icmm.ruИнститут механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук - филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, the affiliate of the Perm Federal Scientific Research CenterRussian Federation20241312202414492102Copyright © Лебедев А.В., 20242024Лебедев А.В.Lebedev A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/290Цель работы

Цель работы: изучить влияние межчастичных диполь-дипольных взаимодействий на восприимчивость магнитной жидкости, стабилизированной двойным слоем ПАВ в воде.

Метод исследования состоит в измерении начальной дифференциальной восприимчивости магнитной жидкости в зависимости от ее концентрации. Было исследовано три образца жидкости на основе частиц магнетита, отличающихся составом стабилизирующих оболочек. В качестве стабилизатора для первого слоя использовались кислоты: лауриновая (С12), декановая (С10) и октановая (С8). Второй слой стабилизирующей оболочки образовывал додецил сульфат натрия с небольшой долей соответствующей кислоты. Измерения восприимчивости выполнялись на установке для измерения кривых намагничивания. Концентрация образцов определялась по их намагниченности насыщения.

Результаты

Результаты. Измерены концентрационные зависимости начальной восприимчивости у трех образцов магнитной жидкости на основе частиц магнетита. Произведено сравнение полученных результатов с теорией модифицированного эффективного поля А.О. Иванова и среднесферической моделью. Обе теории предсказывают завышенные величины восприимчивости по отношению к экспериментальным значениям. Теория модифицированного эффективного поля завышает результаты на 20%, среднесферическая модель - на 12%. Показано, что корректная интерпретация концентрационной зависимости восприимчивости образцов магнитных жидкостей возможна только путем аппроксимации отношения восприимчивости к намагниченности насыщения. На основе этой аппроксимации для описания концентрационной зависимости восприимчивости предложена эмпирическая формула в виде полинома третьей степени с отрицательным кубическим слагаемым.

Вывод

Вывод. Таким образом, полученные результаты требуют построения новой или модификации старых теорий диполь-дипольного взаимодействия частиц магнетита в водных коллоидных растворах со стабилизацией частиц двойным слоем поверхностно-активного вещества.

Purpose of the work

Purpose of the work: to study the influence of interparticle dipole-dipole interactions on the susceptibility of a magnetic fluid stabilized by a double layer of surfactant in water.

Research method consists in measuring the initial differential susceptibility of a magnetic fluid depending on its concentration. Three samples of fluid based on magnetite particles, differing in the composition of the stabilizing shells, were studied. The following acids were used as the first layer of the stabilizer: lauric (C12), decanoic (C10) and octanoic (C8). The second layer of the stabilizing shell was formed by sodium dodecyl sulfate with a small proportion of the corresponding acid. Susceptibility measurements were performed on a setup for measuring magnetization curves. The concentration of the samples was determined by their saturation magnetization.

Results

Results. The concentration dependences of the initial susceptibility were measured for three samples of magnetic fluid based on magnetite particles. The obtained results were compared with theoretical models of the modified effective field of A.O. Ivanov and the average-spherical one. Both theories predict overestimated values of susceptibility in relation to experimental values. The modified effective field theory overestimates the results by 20%. The mean-spherical model - by 12%. It is shown that the correct interpretation of the concentration dependence of the susceptibility of magnetic fluid samples is possible only by approximating the ratio of susceptibility to saturation magnetization. Based on this approximation, an empirical formula in the form of a third-degree polynomial with a negative cubic term is proposed to describe the concentration dependence of susceptibility.

Conclusion

Conclusion. Thus, the obtained results require the construction of new or modification of old theories of dipole-dipole interaction of magnetic particles in aqueous colloidal solutions with stabilization of particles by a double layer of surfactant.

магнитная жидкостьвосприимчивостьдиполь-дипольное взаимодействиедвойной слойводаmagnetic fluidsusceptibilitydipole-dipole interactiondouble surfactant layerwaterРабота была выполнена за счет бюджетных средств Института механики сплошных сред УрО РАН в рамках бюджетной темы № AAAA-A20-120020690030-5.This work was supported by the budgetary funds of the Institute of Continuous Media Mechanics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences, within the framework of state budgetary problem no. AAAA-A20- 120020690030-5.ReferencesШлиомис М.И. Магнитные жидкости // Успехи физических наук. 1974. Т. 112, вып. 3. С. 435-458. https://doi.org/10.3367/UFNr.0112.197403b.0427Shliomis M.I. Magnetic fluids. Uspekhi Fizicheskikh Nauk = Physics-Uspekhi. 1974;112(3):435-458. (In Russ.) https://doi.org/10.1070/PU1974v017n02ABEH004332Розенцвейг Р. Феррогидродинамика / пер. с англ. под ред. В.В. Гогосова. М.: Изд-во Мир, 1989. 356 с.Rosensweig R.E. Ferrohydrodynamics. Cambridge: Cambridge University Press; 1985. 344 p.Lebedev A.V. Magnetic fluids stabilized with double layers of surfactants in water reject the known models of rheology and dipole - dipole interaction // Colloid Journal. 2024. Vol. 86, no. 4. P. 538-546. https://doi.org/10.1134/S1061933X24600362Lebedev A.V. Magnetic fluids stabilized with double layers of surfactants in water reject the known models of rheology and dipole - dipole interaction. Colloid Journal. 2024;86(4):538-546. https://doi.org/10.1134/S1061933X24600362Ivanov A.O., Kuznetsova O.B. Magnetic properties of dense ferrofluids: An influence of interparticle correlations // Phys. Rev. E. 2001. Vol. 64. P. 041405.Ivanov A.O., Kuznetsova O.B. Magnetic properties of dense ferrofluids: An influence of in-terparticle correlations. Phys. Rev. E. 2001;64: 041405.The initial magnetic susceptibility of polydisperse ferrofluids: A comparison between experiment and theory over a wide range of concentration / A.Y. Solovyova, O.A. Goldina, A.O. Ivanov, A.V. Lebedev, E.A. Elfimova // Journal of Chemical Physics. 2016. Vol. 145. P. 084909. https://doi.org/10.1063/1.4961405Solovyova A.Y., Goldina O.A., Ivanov A.O., Lebedev A.V., Elfimova E.A. The initial magnetic susceptibility of polydisperse ferrofluids: A comparison between experiment and theory over a wide range of concentration. Journal of Chemical Physics. 2016;145:084909. https://doi.org/10.1063/1.4961405.Pshenichnikov A.F., Mekhonoshin V.V., Lebedev A.V. Magneto-granulometric analizis of concentrated ferrocolloids // Journal on Magnetism and Magnetic Materials. 1996. Vol. 161. P. 94-102.Pshenichnikov A.F., Mekhonoshin V.V., Lebedev A.V. Magneto-granulometric analizis of concentrated ferrocolloids. Journal on Magnetism and Magnetic Materials. 1996;161:94-102.Pshenichnikov A. F. Equilibrium magnetization of concentrated ferrocolloids // Journal on Magnetism and Magnetic Materials. 1995. Vol. 145. P. 319.Pshenichnikov A.F. Equilibrium magnetization of concentrated ferrocolloids. Journal on Magnetism and Magnetic Materials. 1995;145:319.Pshenichnikov A.F., Lebedev A.V. Low-temperature susceptibility of concentrated magnetic // Journal of Chemical Physics. 2004. Vol. 121, по. 11. P. 5455. https://doi.org/10.1063/1.1778135Pshenichnikov A.F., Lebedev A.V. Low-temperature susceptibility of concentrated magnetic. Journal of Chemical Physics. 2004;121(11):5455. https://doi.org/10.1063/1.1778135Лебедев А.В. Дипольное взаимодействие частиц в магнитных жидкостях // Коллоидный журнал. 2014. Т. 76, № 3. С. 363. https://doi.org/10.7868/S0023291214030100Lebedev A.V. Dipole interparticle Interaction in magnetic fluids. Kolloidnyi zhurnal = Colloid Journal. 2014;76(3):363. (In Russ.) https://doi.org/10.1134/S1061933X14030107Elmore W.C. On preparation of the magnetite high dispersed // Phys. Rev. 1938. Vol. 54. P. 309-310.Elmore W.C. On preparation of the magnetite high dispersed. Phys. Rev. 1938;54:309-310.Physico-chemical regularities of obtaining highly dispersed magnetite by the method of chemical condensation / N.M. Gribanov, E.E. Bibik, O.V. Buzunov, V.N. Naumov // Journal on Magnetism and Magnetic Materials. 1990. Vol. 85. P. 7-10.Gribanov N.M., Bibik E.E., Buzunov O.V., Naumov V.N. Physico-chemical regularities of obtaining highly dispersed magnetite by the method of chemical condensation. Journal on Magnetism and Magnetic Materials. 1990;85: 7-10.Method of preparing a water-base magnetic fluid: pat. 4094804А USA, H01F 1/445 / Shimoiizaka J. Appl. 05.01.1977; publ. 13.06.78.Shimoiizaka J. Method of preparing a water-base magnetic fluid. United States patent 4094804A. 13 June 1978.Dilution stable water based magnetic fluids: pat. 4208294 USA, H01F 1/44 / Khalafalla S.E., Reimers G.W., Rholl S.A. Appl. 12.02.1979; publ. 13.06.1980.Khalafalla S.E., Reimers G.W., Rholl S.A. Dilution stable water based magnetic fluids. United States patent 4208294. 12 February 1979.Способ получения феррожидкости: А. с. 457666 СССР, МПК G11B 5/84 / Бибик Е.Е., Лавров И.С. № 1801123/23-26; заявл. 22.06.72; опубл. 25.01.75, Бюл. № 3.Bibik E.E., Lavrov I.S. Method of obtaining ferrofluid. Russian Federation patent 457666. 25 January 1975.Пшеничников А.Ф. Мост взаимной индуктивности для анализа магнитных жидкостей // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 4. С. 88-93.Pshenichnikov A.F. A mutual-inductance bridge for analysis of magnetic fluids. Instruments and Experimental Techniques. 2007;50(4):509-514. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.1134/S0020441207040136Лебедев А.В. Измерение кривых намагничивания магнитных жидкостей: сравнение метода дифференциальной прогонки и вибрационного магнитометра // Приборы и техника эксперимента. 2024. № 6.Lebedev A.V. Measurement of magnetization curves of magnetic fluids: comparison of differential sweep method versus vibration magnetometer. Instruments and experimental technique. 2024;(6). (In Russ.)Магнитная жидкость для работы в сильных градиентных полях / А.Ф. Пшеничников, А.В. Лебедев, А.В. Радионов, Д.В. Ефремов // Коллоидный журнал. 2015. Т. 77. С. 207.Pshenichnikov A.F., Lebedev A.V., Radionov A.V., Efremov D.V. A Magnetic fluid for operation in strong gradient fields. Kolloidnyi zhurnal = Colloid Journal. 2015;77(2):196-201. (In Russ.)Wertheim M.S. Exact solution of the mean spherical model for fluids of hard spheres with permanent electric moments // J. Chem. Phys. 1971. Vol. 55, no. 9. P. 4291.Wertheim M.S. Exact solution of the mean spherical model for fluids of hard spheres with permanent electric moments. Journal of Chemical Physics. 1971;55(9):4291.Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей // Собрание избранных трудов. Т. 3. М.: Изд-во АН СССР, 1952.Frenkel Ya.I. Kinetic theory of liquids. In: Collection of favorites Proceedings. Vol. 3. Moscow: Izd-vo AN SSSR; 1952.Пшеничников А.Ф., Лебедев А.В., Морозов К.И. Влияние межчастичного взаимодействия на магнитостатические свойства магнитных жидкостей // Магнитная гидродинамика. 1987. № 1. С. 37.Pshenichnikov A.F., Lebedev A.V., Morozov K.I., The influence of interparticle interaction on magnetostatic properties of magnetic fluids. Magnitnaya gidrodinamika = Magnetohydrodynamics. 1987;(1):31. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.