一種磁流變液及其製備方法
2023-05-28 16:52:51
專利名稱：一種磁流變液及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種磁流變液。
背景技術：
磁流變液(Magnetic Rheological Fluid，MRF)是由微米級(1～10μm)磁性顆粒、載液(礦物油，矽油等)和表面活性劑組成的穩定懸浮液體。在外加磁場作用下會產生明顯的磁流變效應可以在固體與液態之間進行毫秒級(10毫秒以內)快速可逆轉化，變化範圍寬、粘度保持連續無級可控，耗能極小。而且「固化」效果隨外加磁場的大小而不同，可通過控制激磁電流改變磁場，來實現實時主動控制，磁流變液在航空航天，機械工程，汽車工業，精密加工，建築工程，醫療衛生等領域得到廣泛應用，可完成智能傳動，制動，減振，降噪等功能。理論上，表面塗上一層這種液體就有可能在磁力控制下改變形狀。用一個磁流變模具就能鑄出變化無窮的形狀。醫藥工程技術人員就有可能製造出跟活肢體一樣能動的磁流變肢體，為醫學上的機械人關節、觸覺手套等開發，展示了廣闊的前景。
目前國內外有關磁流變液的研究報導集中在磁流變液性能測試結果、固化機理和器件原理性設計等方面。當前商品化的磁流變液材料主要由美國LORD公司生產銷售，但其售價非常昂貴。國內磁流變液的研究剛剛起步，製備磁流變液的專利不多，樣品的主要來源依賴進口。
磁性顆粒的密度與載液密度的差異引起磁流變體的沉澱問題，一直是磁流變體製備的難題。在磁流變液的製備中，磁性顆粒的團聚、懸浮體系的沉降速率、磁流變液的力學性能和固液相變的可逆性是必須考慮的四個主要問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種磁流變液及其製備方法。本磁流變液具有懸浮穩定性，可以固體與液體之間快速可逆轉化，製備方便，成本低適用於航空航天，機械工程，汽車工業，精密加工，建築工程，醫療衛生等領域。
為達到上述目的，本發明採用下述技術方案一種磁流變液，為包含有微米級磁性顆粒和載液的穩定懸浮液，其特徵在於磁性顆粒表面交聯高分子化合物，組成配比按重量百分比計為
磁性顆粒67-94％，磁性顆粒表面交聯的高分子化合物 1-24％，栽液4-20％。
上述的載液中添加按重量百分比計≤5％的添加物，添加物為納米級顆粒、或有機分子、或增加密度的液體。
上述的磁性顆粒是粒徑在1um-50um之間的赤鐵礦、鐵粉、羰基鐵粉、氧化鐵、及鐵鎳合金，或含鈷、鎳的磁性體顆粒。
上述的磁性顆粒表面有包附層，包附層為二氧化矽。
上述的磁性顆粒的二氧化矽包層表面還包附一層氧化鋁。
上述的磁性顆粒表面交聯的高分子化合物是矽烷，或聚苯乙烯、或聚環氧烷類，或明膠、或瓊脂、或甲殼素、或葡聚糖、或聚乙烯醇及其衍生物。
上述的矽烷為氯丙基烷Cl(CH2)3Si(OCH3)3，或乙烯基矽烷CH2＝CHSi(OC2H5)3。
上述的磁性顆粒表面和高分子化合物之間氧化矽薄膜或交聯劑。
上述的交聯劑是矽烷偶聯劑、或N，N-羰基二咪啶，或碳二醯亞胺，或草醯氯，或戊二醛，或乙二胺，或戊二胺。
上述的載液是水、或水性液體、或油類、或油酸。
上述的油類為矽油、或液體石蠟、或潤滑油、或食用油。
上述的納米顆粒是納米氧化鐵、或納米氧化矽、或納米氧化鋅、或納米氫氧化鎂；有機分子是矽烷，或聚苯乙烯、或聚醚、或明膠、或瓊脂、或甲殼素、或葡聚糖、或纖維素、或石蠟、或聚乙烯醇及其衍生物。
一種用於上述磁流變液的製備方法，其特徵在於製備步驟為a.製備磁性顆粒或包附有氧化矽和氧化鋁磁性顆粒磁性顆粒可以直接使用磁性體顆粒；或者使用包附氧化矽的磁性顆粒；或者採用再在氧化矽的表面包附一層氧化鋁的磁性顆粒；b.製備表面交聯高分子的磁性顆粒(a).若直接使用鐵粉或其他磁性顆粒，則加入緩衝液或有機溶劑、高分子、反應劑二甲基亞碸、羧基化的葡聚糖、戊二胺，攪拌混勻，加入交聯劑攪拌，待反應3小時後，磁分離除去反應液，清洗洪幹或凍幹；(b).若使用氧化矽和氧化鋁包附的鐵粉或其他磁性顆粒，則使用矽烷偶聯劑和高分子進行交聯，或者和A方法相同。
c.按合適有效配比將表面交聯高分子的磁性顆粒、載液、少量添加成分混合攪拌。
在磁性體顆粒表面包附氧化矽的方法，參見「納米Fe_3O_4顆粒的表面包覆及其在磁性氧化鋁載體製備中的應用」，張冠東等，過程工程學報，Vol2(4)在氧化矽的表面包附一層氧化鋁的磁性顆粒的方法，參見納米Fe_3O_4顆粒的表面包覆及其在磁性氧化鋁載體製備中的應用」，張冠東等，過程工程學報，Vol2(4)本發明與現有技術相比，具有如下顯而易見的突出特點和顯著優點本發明提供的磁流變液中表面高分子交聯的磁性顆粒，通過交聯，可以使磁性顆粒表面的連接更多的高分子，並且不易脫落，從而增加其懸浮穩定性；磁性顆粒表面包附氧化矽可以使顆粒比較耐酸，再包附氧化鋁可以使磁性顆粒耐磨耐酸，適宜用於不通的物理化學環境。本發明製備方法簡單、易於操作，無需附加能源和特殊設備。本發明的磁流變液懸浮穩定性、磁流變液的力學性能和固液相變的可逆性達到了國外進口的磁流變液的水平。本發明的磁流變液可適用於航空航天，機械工程，汽車工業，精密加工，建築工程，醫療衛生等領域。
具體實施例方式
實例一(1).製備羧甲基葡聚糖衍生物取10克葡聚糖20000溶於100ml水中，加入12克NaOH和7.9克氯乙酸，磁力攪拌加熱，溫度為37℃，反應3小時。然後用透析袋透析，24小時凍幹，白色粉末即為羧基化的葡聚糖。
(2).製備矽烷化表面包附氧化矽的磁性顆粒。
(3).磁性顆粒表面包附有機高分子的交聯將10克磁性顆粒和2克羧基化葡聚糖加水10ml混合，磁分離，加入2ml乙二胺緩衝液混合，然後加入40mg碳二亞胺(EDC)，反應3小時，用透析袋透析，去除多餘的乙二胺和鹽分，凍幹即得到表面交聯有高分子聚合物並且有活性基團的磁性顆粒。
(4).取表面交聯高分子聚合物的磁性顆粒92％與載液矽油8％混合攪拌均勻成磁流變液。
實施例二取鐵粉80％，用於交聯的高分子化合物8％，載液矽油8％和添加料納米二氧化矽2％，混合攪拌成磁流變液。
實施例三鐵粉67％，用於交聯的高分子化合物15％，載液矽油13％和添加料納米二氧化矽5％，混合攪拌成磁流變液。
通過實施例一、實施例二和實施例三所製備出的磁流變液，磁性顆粒不團聚、固液相變可逆，懸浮顆粒的沉降速率、磁流變液的力學性能都達到或超過國外同類產品性能。
權利要求
1.一種磁流變液，為包含有微米級磁性顆粒和載液的穩定懸浮液，其特徵在於磁性顆粒表面交聯高分子化合物，組成配比按重量百分比計為磁性顆粒 67-94％，磁性顆粒表面交聯的高分子化合物 1-24％，栽液 4-20％。
2.根據權利要求1所述的磁流變液，其特徵在於載液中添加按重量百分比計≤5％的添加物，添加物為納米級顆粒、或有機分子、或增加密度的液體。
3.根據權利要求1所述的磁流變液，其特徵在於磁性顆粒是粒徑在1um-50um之間的赤鐵礦、鐵粉、羰基鐵粉、氧化鐵、及鐵鎳合金，或含鈷、鎳的磁性體顆粒。
4.根據權利要求3所述的磁流變液，其特徵在於磁性顆粒表面有包附層，包附層為二氧化矽。
5.根據權利要求4所述的磁流變液，其特徵在於磁性顆粒的二氧化矽包層表面還包附一層氧化鋁。
6.根據權利要求1所述的磁流變液，其特徵在於磁性顆粒表面交聯的高分子化合物是矽烷，或聚苯乙烯、或聚環氧烷類，或明膠、或瓊脂、或甲殼素、或葡聚糖、或聚乙烯醇及其衍生物。
7.根據權利要求1所述的磁流變液，其特徵在於矽烷為氯丙基烷Cl(CH2)3Si(OCH3)3，或乙烯基矽烷CH2＝CHSi(OC2H5)3。
8.根據權利要求1或6所述的磁流變液，其特徵在於磁性顆粒表面和高分子化合物之間氧化矽薄膜或交聯劑。
9.根據權利要求1或6所述的磁流變液，其特徵在於交聯劑是矽烷偶聯劑、或N，N-羰基二咪啶，或碳二醯亞胺，或草醯氯，或戊二醛，或乙二胺，或戊二胺。
10.根據權利要求1所述的磁流變液，其特徵在於載液是水、或水性液體、或油類、或油酸。
11.根據權利要求10所述的磁流變液，其特徵在於油類為矽油、或液體石蠟、或潤滑油、或食用油。
12.根據權利要求2所述的磁流變液，其特徵在於納米顆粒是納米氧化鐵、或納米氧化矽、或納米氧化鋅、或納米氫氧化鎂；有機分子是矽烷，或聚苯乙烯、或聚醚、或明膠、或瓊脂、或甲殼素、或葡聚糖、或纖維素、或石蠟、或聚乙烯醇及其衍生物。
13.一種根據權利要求1所述的磁流變液的製備方法，其特徵在於製備步驟為a.製備磁性顆粒或包附有氧化矽和氧化鋁磁性顆粒磁性顆粒可以直接使用磁性體顆粒；或者使用包附氧化矽的磁性顆粒；或者採用再在氧化矽的表面包附一層氧化鋁的磁性顆粒；b.製備表面交聯高分子的磁性顆粒(a).若直接使用鐵粉或其他磁性顆粒，則加入緩衝液或有機溶劑、高分子、反應劑二甲基亞碸、羧基化的葡聚糖、戊二胺，攪拌混勻，加入交聯劑攪拌，待反應3小時後，磁分離除去反應液，清洗洪幹或凍幹；(b).若使用氧化矽和氧化鋁包附的鐵粉或其他磁性顆粒，則使用矽烷偶聯劑和高分子進行交聯，或者和A方法相同。c.按合適有效配比將表面交聯高分子的磁性顆粒、載液、少量添加成分混合攪拌。
全文摘要
本發明涉及一種磁流變液及其製備方法。本發明的磁流變液為包含有微米級磁性顆粒和載液的穩定懸浮液，磁性顆粒表面交聯高分子化合物，組成配比按重量百分比計為磁性顆粒67－94％，磁性顆粒表面交聯的高分子化合物1－24％，載液4－20％。在載液中可添加按重量百分比計≤5％的添加物，其製備方法是首先製備磁性顆粒或包附有氧化矽和氧化鋁磁性顆粒，然後將磁性顆粒製備成表面交聯高分子的磁性顆粒，最後按合適有效配比將表面交聯高分子的磁性顆粒、載液、少量添加成分混合攪拌成磁流變液。本發明的磁流變液懸浮穩定性、磁流變液的力學性能和固液相變的可逆性達到了國外進口的磁流變液的水平，適用於航空航天，機械工程，汽車工業，精密加工，建築工程，醫療衛生等領域。
文檔編號H01F1/44GK1595558SQ20041002533
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月22日 優先權日2004年6月22日
發明者劉書朋, 嚴壯志 申請人:上海大學