穩定型磁流變液及製備方法
2023-05-27 23:48:51 4
專利名稱：穩定型磁流變液及製備方法
技術領域：
本發明屬於磁性流體技術領域，具體涉及一種穩定型磁流變液及製備方法。
背景技術：
磁流變液是一種在外磁場作用下表觀粘度發生明顯變化的分散體材料，主要被用於各種可控阻尼系統的開發，如阻尼器、減振(減震)器、彈性器件等。同時也被用於剎車器、離合器、閥類件中的壓力或扭矩控制。在眾多的應用領域中，磁流變液與電流變液相比具有明顯的優越性，它具有很高的屈服強度從而可創造更大的阻尼力。磁流變液不同於膠體磁性液體，後者的懸浮相直徑一般為5～10nm，在外磁場作用下不易形成鏈狀結構，而是易於流向磁場方向，前者的粒徑通常大於1.0μm。為了克服懸浮粒子與介質間的較大比重差造成的沉降問題及團聚問題，人們採用眾多的表面活性劑或懸浮劑對懸浮粒子表面進行兩親性處理，通常為金屬皂類、硬脂酸類活性劑等，但這些有機活性劑的加入往往會影響磁流變液的溫度穩定性。除了沉降板結等問題外的另一限制磁流變液應用的問題是在高速運動部件間磨損問題，這種磨損造成後果是磁流變液本身的明顯稠化導致零場粘度急劇上升，另外引起運動零件的損壞。
因此，一種理想的磁流變液除應具有良好的磁流變特性和較低的零場粘度外，還應具有良好的抗沉降性能或磁性粒子沉降後容易在較弱的切應力下或弱磁場下再分散，工作時對接觸的零件表面不造成明顯的磨損且本身也不產生使用綢化。
發明內容
本發明的目的就在於提供這樣一種磁流變液，它具有良好抗沉降、團聚穩定性，良好的抗磨損性能和低的零場粘度。在外磁場作用下具有理想的流變學特性。
本發明所涉及的磁流變液的組成包括磁性懸浮相、載液、無機觸變劑和表面活性劑。
A.磁性懸浮粒子任何具有磁流變性能的固體顆粒都可用來做磁流變液的懸浮粒子，特別是具有順磁性和超順磁性、鐵磁性的元素和化合物。本發明優先選用羰基鐵粉，包括還原羰基鐵粉和磷化羰基鐵粉，與其它粉體相比，該類鐵粉的純度和結構使其具有高的飽和磁化強度，因此製備的磁流變體具有很高的磁流變特性。經表面磷化處理的羰基鐵粉具有耐蝕、耐磨、潤滑、絕緣的多孔狀表面，可提高對活性劑基團或介質的吸附能力和磁流變液的抗磨損性能。粉體的理想平均粒度為0.1～100μm，取0.1～50μm。懸浮相的體積濃度為10～50％vol.。
B.載液理想載液應為有機液體，如Si油、礦物油、烴類油、液壓油、二脂類有機液體等，也可為這些有機液體的混合物。對載液的要求為無極性、無揮發和不含明顯的水分。本發明選用矽油、礦物油和聚-α烯烴為磁流變體的載液。優先選用矽油和礦物油作為載液，該類載液與所選用的懸浮相和添加劑具有良好的相容性。所選載液的室溫粘度為1～500mPa.s。在磁流變液配比中的體積分數為50～90％vol.。
C.無機觸變劑本發明選用粒度為納米(nm)級的無機膨潤土和氧化矽類觸變劑，在磁流變液中通過氫鍵作用形成空間網格結構，克服磁性懸浮粒子沉降或形成軟沉降。觸變劑的比表面為200～300m2/g，與以往常規觸變劑相比，具有更大的反應活性，使磁流變液的抗沉降穩定性明顯提高。配入量為0.1～1.5％wt.。
D.表面活性劑本發明選用離子型及非離子型表面活性劑，將其分子的極性基團與懸浮相表面結合，非極性基團與載液結合(兩親性處理)，以便提高磁流變液抗團聚和板結的穩定性。主要有油酸、壬基酚聚氧乙烯醚、Span-85、聚乙二醇、矽烷偶聯劑、CTAB、PD-85、T204、T154、DA-50、羧酸有機胺鹽、鈦酸丁脂、二烷基二硫代磷酸鹽、石油磺酸。優選矽烷偶聯劑、烷基磷酸鹽(酯)和羧酸有機胺鹽類添加劑。配比為0.1～2.0％vol.。
本發明所涉及的磁流變液的製備方法本發明磁流變液採用基液置換方法製備，工藝步驟如下A、懸浮相粒子表面淨化與活化處理將懸浮相粉體稱量後與無水乙醇或異丙醇及所選用的表面活性劑混合後置入500～1000ml不鏽鋼容器內進行球磨處理和超聲分散處理，磨球為ZrO2或瑪瑙球，直徑分布為6～15mm。球磨罐轉動線速度不小於125m/min.。將預處理後的混合液體在70～100℃真空乾燥箱內或紅外乾燥箱乾燥。此過程的作用使懸浮相顆粒表面淨化或活化，並在其上引入活性劑極性基團，達到兩親性處理和提高磁流變性能的目的。
B、磁流變液的合成將預處理乾燥後的懸浮相粉體與稱量好的載液(礦物油或矽油)在不鏽鋼球磨罐中混合，經機械攪拌、超聲分散後進行高速研磨分散，配球及轉速同上。分散後的磁性液體與磨球分離後貯存於密閉聚氯乙烯瓶內。
本發明的優點為(1)採用經表面改性的還原或磷化羰基鐵粉作為懸浮相併對其進行預處理，從而提高磁流變液的磁流變性能、耐磨性能及抗團聚穩定性；(2)採用納米級膨潤土和氧化矽類無機觸變劑有效的提高了磁流變液的抗沉降的穩定性和溫度穩定性，所形成的軟沉降極易在磁場下重新分散；(3)採用高速機械球磨分散方法有效的降低了磁流變液的零場粘度。本發明的磁流變液的室溫零場粘度0.6～2.0Pa.s(D＝7/s)，0.4～1.0Pa.s(D＝80/s)，在5000Gs磁場下剪切應力為30～80kPa，靜置兩個月後無明顯沉降和板結髮生，經減振器中振動實驗後無稠化現象發生。該磁流變液具有良好的綜合性能。
實施例例1取還原或磷化羰基鐵粉(粒度範圍1～30μm)228g，異丙醇70ml，矽烷偶聯劑5ml置入300ml容積不鏽鋼磨罐內，經機械攪拌和超聲分散後，進行6～8h球磨，球罐轉動線速度不小於125m/min.。後在70～80℃真空烘箱內烘烤5～6h，待預處理載液揮發至盡，稱量100#矽油75ml，納米級氧化矽觸變劑1.5g，混入球罐內，經機械攪拌、超聲分散後進行二次球磨分散，磨罐線速度不小於125m/min.，球磨時間不小於12h。將磁流變液與磨球分離，貯存於密閉、遮光聚氯乙烯瓶內。按上述工藝製備的磁流變液的室溫零場粘度為0.43Pa.s(D＝10/s)，在5000Gs磁場下的剪切應力為60kPa，沉降後易於分散。
例2懸浮相粉料、配比及預處理同例1，預處理乾燥後，稱量75ml礦物油、1.5g納米級氧化矽觸變劑，混入球磨罐中，經機械攪拌、超聲分散後進行二次球磨分散，工藝同例1中二次球磨分散工藝。樣品的室溫零場粘度為0.6Pa.s(D＝10/s)，在5000Gs磁場下的剪切應力為60kPa，經60天靜置後，無明顯沉降和板結髮生，易於在較弱的磁場下或剪切作用下均勻分散。
例3.
懸浮相粉料、配比同例2，預處理過程採用羧酸有機胺鹽表面活性劑(配比為0.8％vol)。二次分散中採用納米級膨潤土觸變劑0.1g，配比及工藝同例2。樣品的零場粘度0.6Pa.s(D＝10/s)，在5000Gs磁場下的剪切應力為58kPa，形成的軟沉降易於再分散。
例4.
懸浮相粉料為還原型羰基鐵粉320g(配比為35％vol)，製備工藝同例3，樣品的零場粘度1.0Pa.s(D＝80/s)，在5000Gs磁場下的剪應力為70kPa。
例5.
懸浮相粉料為還原型羰基鐵粉410g(配比為45％vol)，表面活性劑採用烷基磷酸脂1.2ml。(配比為1.2％vol)。礦物油55ml，納米級氧化矽1.0g。製備工藝同例3，樣品的零場粘度1.5Pa.s(D＝80/s)，在5000Gs磁場下的剪應力為76kPa。
例6.
懸浮相為還原型羰基鐵粉136.8g(配比為15％vol)，羧酸有機胺鹽表面活性劑1ml。(配比為1.0％vol)。矽油85ml(85％vol)。製備工藝同例1，樣品的零場粘度0.8Pa.s(D＝10/s)，在5000Gs磁場下的剪應力為32kPa。
權利要求
1.一種穩定型磁流變液，由磁性懸浮相、載液、無機觸變劑和表面活性劑組成，其特徵在於磁性懸浮相選用羰基鐵粉，包括還原羰基鐵粉和磷化羰基鐵粉；無機觸變劑採用粒度為納米(nm)級的無機膨潤土或氧化矽類觸變劑。
2.根據權利要求1所述的穩定型磁流變液，其特徵在於磁性懸浮相的粉體理想平均粒度為0.1～100μm。
3.根據權利要求2所述的穩定型磁流變液，其特徵在於磁性懸浮相的粉體平均粒度為取0.1～50μm。
4.根據權利要求1所述的穩定型磁流變液，其特徵在於載液採用矽油、礦物油、烴類油、液壓油、二脂類有機液體或它們的混合物。
5.根據權利要求4所述的穩定型磁流變液，其特徵在於選用矽油、礦物油和/或聚-α烯烴。
6.根據權利要求4或5所述的穩定型磁流變液，其特徵在於載液的粘度為10～500mPa.s，
7.根據權利要求1所述的穩定型磁流變液，其特徵在於表面活性劑採用油酸、壬基酚聚氧乙烯醚、Span-85、聚乙二醇、矽烷偶聯劑、CTAB、PD-85、T204、T154、DA-50、羧酸有機胺鹽、鈦酸丁脂、二烷基二硫代磷酸鹽或石油磺酸。
8.根據權利要求7所述的穩定型磁流變液，其特徵在於表面活性劑採用矽烷偶聯劑、烷基磷酸脂或羧基有機胺鹽表面活性劑。
9.根據權利要求1所述的穩定型磁流變液，其特徵在於在磁流變液中，磁性懸浮相的體積濃度為10～50％vol，載液的體積分數為50～90％vo1，無機觸變劑的配入量為0.1～1.5％wt，表面活性劑的配比為0.1～2.0％vol。
10.根據權利要求1、2、3、4、5、7、8或9所述的穩定型磁流變液製備方法，其特徵在於步驟如下(1)懸浮相粒子表面淨化與活化處理將懸浮相粉體稱量後與無水乙醇或異丙醇及所選用的表面活性劑混合後，置入500～1000ml不鏽鋼容器內進行球磨處理和超聲分散處理；將預處理後的混合液體在70～100℃真空乾燥箱內或紅外乾燥箱乾燥；(2)磁流變液的合成將預處理乾燥後的懸浮相粉體與稱量好的載液在不鏽鋼球磨罐中混合，經機械攪拌、超聲分散後進行高速研磨分散，分散後的磁性液體與磨球分離後貯存於密閉聚氯乙烯瓶內。
11.根據權利要求10所述的穩定型磁流變液製備方法，其特徵在於球磨處理的磨球為ZrO2或瑪瑙球，直徑分布為6～15mm，球磨罐轉動線速度不小於125m/min。
全文摘要
一種穩定型磁流變液及製備方法，磁流變液由磁性懸浮相、載液、無機觸變劑和表面活性劑組成，其中磁性懸浮相選用羰基鐵粉，包括還原羰基鐵粉和磷化羰基鐵粉，無機觸變劑採用粒度為納米(nm)級的無機膨潤土或氧化矽類觸變劑。磁性懸浮相的體積濃度為10～50％vol，載液的體積分數為50～90％vol，無機觸變劑的配入量為0.1～1.5％wt，表面活性劑的配比為0.1～2.0％vol。磁流變液採用基液置換方法製備，包括懸浮相粒子表面淨化與活化處理和磁流變液的合成兩大步。本發明的優點是磁流變液具有良好抗沉降、團聚穩定性，良好的抗磨損性能和低的零場粘度，在外磁場作用下具有理想的流變學特性。
文檔編號C10M125/00GK1414075SQ0213382
公開日2003年4月30日 申請日期2002年9月25日 優先權日2002年9月25日
發明者張平, 劉奇, 王東亞 申請人:重慶儀表材料研究所