Spanish (pdf)
Article in xml format
Article references
Automatic translation
Send this article by e-mail
Cited by SciELO 
Cited by Google 
Similars in
SciELO 
Similars in Google 
Permalink
1. Introducción
Los materiales inteligentes son materiales cuyas propiedades reaccionan a su ambiente, esto significa que alguna de sus propiedades puede ser cambiada por una condición externa, tal como temperatura, luz, presión, campos eléctricos o magnéticos. Se han encontrado muchos materiales catalogados como materiales inteligentes; de los cuales los más importantes son las suspensiones magnéticas (fluidos magneto-reológicos y ferrofluidos), fluidos electroreológicos, materiales piezoeléctricos y aleaciones con memoria de forma [1].
Un fluido magneto-reológico (FMR) es una suspensión compuesta por partículas magnéticas como magnetita, carbonilo de hierro o aleaciones, de tamaño de micrones sumergidos en un fluido no magnético [1,2]; este medio continuo puede ser aceite mineral o aceite de silicona [2]. Estas suspensiones tienen la capacidad de cambiar sus propiedades reológicas (esfuerzo de fluencia y viscosidad) de forma reversible en milisegundos cuando se someten a campos magnéticos variables [3].
Debido a la polarización inducida en las partículas suspendidas por la aplicación de un campo magnético externo, el fluido pasa de un comportamiento líquido a un comportamiento sólido, esto gracias a que el campo magnético dispone a las partículas en forma de estructuras que resisten el movimiento del fluido y aumentan sus características viscosas [4]. Este comportamiento reológico es análogo a los plásticos de Bingham, los cuales tienen esfuerzo de fluencia. Un esquema de partículas alineadas en la dirección del campo aplicado se muestra en la Figura 1[3].
Figura 1 Esquema de un FMR: a) sin campo magnético, b) con campo magnético, c) con cadenas formadas [3].
Los principales equipos para determinar la reología de los FMR son los reómetros, muchos de los equipos con los que se han hecho investigaciones en este campo fueron principalmente modificaciones de reómetros convencionales, sin embargo, en el mercado existen equipos especializados para la caracterización de este tipo de fluidos, estos equipos presentan la capacidad de aplicar altos torques y rangos amplios de campos magnéticos, no obstante, estos equipos presentan elevados costos respecto a reómetros convencionales. Se han hecho adaptaciones de accesorios de generación de campo magnéticos en viscosímetros, lo que ha generado datos interesantes de caracterizaciones magneto-reológicas reportados en varios estudios [5-7], estos estudios generalmente utilizan viscosímetros Brookfield con adaptaciones de bobinas de Helmholtz que entregan campos magnéticos que están en un rango de 20 a 500 Gauss para algunos estudios, otros estudios [8,9] han mostrado los procedimientos de diseño que se llevan a cabo para la construcción de reómetros (no magnéticos) mostrando que esto se puede lograr con materiales que son de cómoda adquisición en el comercio o piezas que son posibles de fabricar; en general se indica que estos reómetros pueden ser obtenidos a muy bajo costo y con buenas prestaciones. Con base en investigaciones publicadas [10-12] se obtienen los siguientes parámetros de diseño que aportan a los parámetros de modificación de un reómetro rotacional Kinexus pro que trabaja en condiciones similares a equipos magnetoreológicos, exceptuando la posibilidad de mediciones magnetoreológicas:
Usar geometrías que no sean magnetizables con el fin de evitar posibles errores de medición.
Los generadores del campo magnético deberán ser puestos en una posición que se direccione el campo perpendicular al flujo de las partículas, como se observa en la Figura 1, pues en una dirección paralela, los efectos sobre la viscosidad son mínimos.
Por otra parte, en la literatura especializada hasta la fecha no se ha encontrado la adaptación en un reómetro rotacional, las investigaciones muestran adaptaciones de accesorios de campo magnético en viscosímetros, por lo cual deja a la investigación en un estado de búsqueda de parámetros y de alternativas de diseño específicos para el Kinexus pro. Finalmente, las características reológicas de fluidos newtonianos y no newtonianos analizadas por diferentes métodos reológicos en numerosas investigaciones han revelado que la reometría rotacional es uno de los métodos más comunes en magneto-reología [13].
Con respecto al medio discreto, la magnetita, Fe3O4, presente en gran cantidad en las arenas negras de rio, es un óxido de hierro débilmente ferromagnético, y además uno de los óxidos más abundantes en la naturaleza [14]. También, es uno de los productos más importantes de la corrosión del hierro y del acero, lo que le ha dado la importancia de ser estudiado como material tecnológico, además de interés científico por sus propiedades magnéticas [15]. Colombia exporta un poco más de 50 toneladas de oro al año, y el 82% de este oro proviene de la minería de aluvión [16]. Generalmente el oro se encuentra en forma libre junto con las arenas negras, y éstas poseen minerales de interés como magnetita, titanomagnetita, ilmenita, leucoxenos, rutilo, monacita, circón y andalucita. Cantidades importantes de magnetita se pueden encontrar en las colas del procesamiento de estos yacimientos, llegando incluso a más de 40% en peso del material tratado [17].
2. Materiales y Métodos
2.1 Campo Magnético
La aplicación del campo magnético fue lograda a través de la construcción de un dispositivo que integra cuatro imanes de neodimio posicionados con polos opuestos, con la capacidad de producir un campo magnético sobre el FMR en un rango de 0 a 1200 Gauss (ver Figura 1).
En la Figura se puede observar con detalle las estructuras formadas por partículas de magnetita en presencia de un campo magnético, paralelas a las líneas de campo, esto se logra agregando una muestra de magnetita dentro de la copa C25 (25 mm de diámetro interno) antes de formar la suspensión con el fluido portador. La modificación de la distancia entre los imanes permite manipular la intensidad de campo que se aplica sobre la suspensión, lo cual influye visiblemente en la resistencia de las estructuras formadas. El campo dentro de la suspensión es medido a través de un Gaussímetro, instrumento desarrollado por la empresa NEMCO Ltda.
2.2. Reómetro
Los análisis reológicos se realizaron en un reómetro rotacional Kinexus Pro del fabricante Malvern Instruments (www.malvern.com). Este equipo permite trabajar en diferentes modos de funcionamiento reológico: control de esfuerzo, control de tasa de cizalladura y la oscilación controlada a partir de un control de la amplitud o esfuerzo. Con este reómetro es posible realizar control de esfuerzo en torques desde 10 nNm hasta 200 nNm para las pruebas de viscosimetría en modo de cizalladura controlada o esfuerzo controlado y desde 2 nNm hasta 200 nNm para pruebas oscilatorias con una resolución de 0,1 nNm.
El reómetro es utilizado en una configuración de cilindros concéntricos C25 corrugada en titanio. El sistema de medición de cilindro concéntrico consiste en un cilindro giratorio (cilindro interior) situado a una distancia fija (GAP de 1000 μιη) del cilindro exterior con la muestra contenida en el espacio anular formado entre ellos, ver Figura Figura .
Los beneficios que presta este tipo de geometría para caracterizar reológicamente los FMR, es que no hay incidencia de los campos magnéticos sobre ella que perturben la señal recibida por el reómetro, si por el contrario la geometría utilizada fuera de acero inoxidable, el campo magnético aplicado sobre el FMR la atraería hacia uno de los polos de los imanes, impidiendo que se mueva libremente y que cense valores de viscosidad reales en los FMR, por otra parte la configuración de cilindros genera un flujo perpendicular a las líneas de campo o a las estructuras formadas por el FMR (ver Figura ), permitiendo así que la viscosidad reportada esté asociada a la resistencia de la estructura formada cuando es sometida a flexión. El objetivo del corrugado de la geometría se debe a que este diseño permite un agarre mecánico de las estructuras con respecto a las paredes de la geometría a la vez que garantiza una homogenización de la suspensión.
2.3. Integración reómetro y dispositivos de campos magnéticos
El dispositivo fabricado con los imanes de neodimio se integra al reómetro Kinexus teniendo en cuenta que los campos magnéticos no deben afectar la estandarización del equipo, para lograr esto se trabajó en conjunto con los técnicos representantes de Malvern Instruments para Colombia, quienes hicieron las recomendaciones pertinentes para el acoplamiento, ver Figura 5.
2.4. Suspensión Magneto-reológica
El medio discreto está compuesto por partículas de magnetita provenientes de la minería de oro de aluvión; el procesamiento de este material consistió en una molienda en húmedo y separación magnética. Se fabricó una suspensión de magnetita en aceite con viscosidad newtoniana de 0,025 Pas, el tamaño promedio de las partículas fue de 44.5 μιη, y la concentración de trabajo fue de 5%, 10% y 15% en volumen. La caracterización magneto-reológica para esta suspensión se realizó con un barrido de tasa de cizalladura de 1 a 1000 s-1 con variaciones de campos magnéticos de 0, 50, 100, 300, 600 y 1200 Gauss generados a través de la distancia de los imanes y medidos con el gaussimetro de efecto hall.
3. Resultados
Como puntos de referencia para verificar los incrementos de cada uno de los FMR, se tomó la viscosidad del aceite de 0,025 Pas, el cual trabaja como medio para dispersar las partículas de magnetita. En la Figura 6 se presentan las curvas de flujo para las suspensiones fabricadas con un 5% en volumen de partículas de magnetita dispersas en el aceite, de allí se puede identificar que con la aplicación de un campo magnético entre los valores de 0 y 100 Gauss, no existe un cambio notable en la viscosidad de las suspensiones, a diferencia de lo que sucede cuando se aplican campos entre 300 gauss y 1200 gauss donde existe un cambio de 0.1 a 1 Pa.s en la viscosidad, indicando que con el aumento del campo existe un aumento de la viscosidad de hasta 10 veces.
También en esta figura se puede validar que con la aplicación del campo magnético en los FMR, éstos toman un comportamiento cizallo adelgazante, sin importar que las partículas se encuentren dentro de un fluido newtoniano.
Con el incremento de la concentración en volumen de las partículas a un valor de 10% y 15%, se hacen más evidentes los cambios de viscosidad, como se puede apreciar en las Figuras 7 y 8, el aumento en la concentración de sólido propicia un incremento de la viscosidad a campos de 50 y 100 gauss. La razón de este incremento en viscosidad es la formación de estructuras que presentan una resistencia al flujo gracias a que son perpendiculares a la dirección del flujo.
Con los datos de las Figuras 6, 7 y 8 se obtuvo la Figura 9, donde se observa la influencia del campo magnético y la concentración de partículas sobre la viscosidad de la suspensión. Se observa que el campo magnético influye en mayor proporción que la cantidad volumétrica de sólidos para todas las suspensiones. Para la suspensión con fracción volumétrica de 5% se obtienen variaciones en la viscosidad desde 0.03 Pas a 0.17 Pas, un aumento en 6 veces su valor. Para suspensión con 10% de sólidos se registra un aumento de 30 veces el valor de la viscosidad y para la suspensión con 15% se obtiene un cambio de 150 veces el valor de la viscosidad. Como se observa la variación de la viscosidad en un FMR ocurre en hasta 2 órdenes de magnitud, de aquí su poder de aplicación en variados entornos ingenieriles.
4. Conclusiones
Un reómetro puede ser modificado para realizar caracterizaciones magneto-reológicas a un bajo costo y con piezas que se pueden conseguir en el mercado.
Es posible la fabricación de fluidos magneto-reológicos a partir de desechos de minería aluvial, con un procesamiento de fabricación sencillo y con excelentes respuestas magneto-reológicas.
A partir de las Figuras 6, 7 y 8 se puede observar la estabilidad que tienen las curvas reológicas, indicando que los campos magnéticos aplicados a través del accesorio son estables en el tiempo; también con esto se comprueba que el equipo no se ve alterado por los campos magnéticos generados por el accesorio y que convergen hacia el cilindro concéntrico.
Un fluido magneto-reológico con 15% de sólidos en volumen puede varias hasta en 150 veces su valor de viscosidad en cuestión de milisegundos, de aquí su poder de aplicación en diferentes campos como ingeniería mecánica (construcción de amortiguadores, frenos y embragues para automotores) e ingeniería civil (amortiguadores de vibraciones en edificios y protección sísmica en puentes).
