CN101139504A - 磁流变抛光液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是磁流变抛光液及其制备方法，磁流变抛光液(体积百分比)由磁性颗粒(30％～40％)、纯净水45％～55％、添加剂5％～10％、表面活性剂3％～5％和抛光粉5％～8％组成。制备中先对磁性颗粒进行表面净化和活化处理，通过高速球磨对磁性颗粒表面处理。本发明制备的磁流变抛光液具有水解作用，制作方法简单，有良好的抗沉降团聚稳定性能、较低的零场粘度，抛光效率高，效果好，使用寿命长，适于光学抛光。解决了磁流变抛光液粘度大，磁化强度弱，易结块，沉降团聚不稳定，易生锈，使用寿命短及效率低的问题。本发明制备的磁流变抛光液抛光效率高，在30分钟内可使K9玻璃表面粗糙度从400nm达到0.6nm。可广泛用于光学玻璃的超光滑表面抛光。

Description

磁流变抛光液及其制备方法

技术领域

本发明属于磁流变液及其制备方法，特别涉及一种用于光学零件抛光的磁流变液及制备方法。具体讲就是一种新型磁流变抛光液及其制备方法。

背景技术

磁流变液作为一种智能材料，它一般由三部分组成：磁性固体颗粒、载液和稳定剂。性能良好的磁流变液在磁场作用下能产生明显的磁流变效应，即在液体和固体之间实现快速可逆的转换，这种转换是在毫秒量级的时间完成的。在这个过程中，磁流变的粘度保持连续，无极变化，整个转化过程极快且可控，能耗极低，可实现实时主动控制。根据这一特点，磁流变液已广泛应用于阻尼元件、控制元件、密封器件等领域。随着人们对磁性材料和流变学研究的深入，磁流变液的性能逐步提高，磁流变抛光技术正是在磁流变液发展的基础上被提出的，是一种新兴的光学表面精密加工技术，它将电磁学、流体动力学、化学结合于光学加工中，可以得到较为理想的光学表面质量。

中国专利公开号CN1414075，公开日2003年4月30日，发明创造名称为“稳定性磁流变液及其制备方法”，该申请案公开了一种稳定性磁流变液，由悬浮相、载液、无机触变剂和表面活性剂组成，虽然具有抗沉降效果好、稳定的特点，但使用寿命短，不适合于磁流变抛光。中国专利公开号CN1632891A，公开日2005年6月29日，发明创造名称为“磁流变液”，该申请案公开了一种磁流变液，由羰基铁粉磁性悬浮相、矿物油载液、有机膨润土触变剂、表面活性剂和固体润滑剂组成，虽然具有良好的沉降稳定性和二次悬浮性，但该磁流变液载液为矿物油，不适合用于光学抛光。

本发明项目组对国内外专利文献和公开发表的期刊论文检索，再尚未发现与本发明密切相关和一样的报道或文献。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术或磁流变抛光液存在的缺点，提供一种具有水解作用，制作方法简单，具有良好的抗沉降团聚稳定性能、较低的零场粘度，同时具有良好的抛光效果，使用寿命长，适于光学抛光的磁流变抛光液。

下面对本发明进行详细说明

本发明作为一种磁流变抛光液，其实现在于，是由磁性颗粒、纯净水、添加剂、表面活性剂和抛光粉组成，其体积百分比为：

磁性颗粒      30％～40％

纯净水        45％～55％

添加剂        5％～10％

表面活性剂    3％～5％

抛光粉        5％～8％

其中磁性颗粒为铁粉悬浮相，平均粒度≤3.5um，添加剂为稳定剂。

本发明使用纯净水作为载液，可利用水解作用在很大程度上提高磁流变抛光液的抛光效率，同时在抛光过程中，抛光液有良好的润滑、冷却和洗剂作用，同时，该磁流变抛光液具有较低的磁场粘度，零磁场粘度为750mPa.s。

磁流变液中磁性固体颗粒直径较大，一般为0.1～50um，且密度为载液的5-8倍，因此，因密度悬殊造成的沉降及团聚问题，为了克服沉降及团聚问题，本发明选用平均粒度≤3.5um的磁性颗粒，克服了因密度悬殊造成的沉降及团聚问题，提高磁流变液的物理稳定性。

本发明根据长期的科学研究和实验，不断总结和探索出适于光学磁流变抛光的磁流变抛光液，采用纯净水、磁性颗粒、添加剂、表面活性剂和抛光粉组成，各成份适当地配比，提供了一种具有水解作用，成本低，抛光效果好的磁流变抛光液。解决了提高抛光效率和降低磁场粘度的问题，满足了日益增多的磁流变技术光学抛光加工的客观实际需要。

本发明的实现还在于组分抛光粉选自氧化铈或金刚石粉。

以上选择基于材料的来源广，成本低，而且磁化作用强。

在磁流变抛光液中抛光粉虽然比例小，但对于被加工的表面抛光具有重要作用，本发明选自氧化铈或金刚石粉是针对不同的加工对象而设置的。

本发明的实现还在于作为组分的添加剂是稳定剂，选自有机膨润土或聚乙烯醇。

由于磁流变液在抛光使用过程中不可能密封放置，再加上磁性颗粒为微米级，很容易被氧化而产生锈蚀，从而影响磁流变抛光液的流变性能，本发明在磁流变抛光液中加入少量的活性剂和添加剂，保持磁流变抛光液的活性和流变性能。

本发明的实现还在于组分表面活性剂选自油酸或聚乙二醇。活性剂有两个作用，一是防止沉淀分层；二是使成分均匀分散。使得磁流变抛光液性能优良，具有良好的化学稳定性。

表面活性剂的选择十分广泛，如：偶联剂、羧酸有机胺盐、烷氧基硫代磷酸盐、磺酸盐、油酸、偶联剂、烷基胺磷酸酯、溴化烷基甲基铵(CTAB)、烷氧基硫代磷酸盐、Tween80，OP-10、聚乙二醇、SiO2及其混合物，均可选用，目前已得到广泛使用的活性剂有油酸、黄原胶、醚类等，它们的作用原理基本相同。

本发明优选采用的表面活性剂选自油酸或聚乙二醇。

这些表面活性剂是一些长链的两亲分子，一端吸附在固体颗粒的表面上，另一端在空间自由的摆动，其摆动具有一定的动能，这将在固体颗粒周围形成一个保持距离的势垒，使具有范德华力的势能、磁场势能、偶极子对势能的颗粒，都很难越过这个势垒而发生接触，这就使固体颗粒相互集聚的可能性显著降低。加入少量的添加剂可使磁流变抛光液呈弱碱性，有利于磁流变抛光液的防锈，使磁流变抛光液具有优良的化学稳定性。

本发明还是一种磁流变抛光液的制备方法，其实现在于：先对磁性颗粒进行表面净化和活化处理，表面活性剂通过高速球磨完成对磁性颗粒的表面处理。

磁流变抛光液的制备步骤包括有：

一.按体积百分比称取磁性颗粒装入球磨罐中；

二.按体积百分比称取表面活性剂与相当于磁性颗粒体积的50％的乙醇混合，摇晃使混合均匀；

三.将第二步中混合均匀的混合物也倒入球磨罐中，以转速200～500转/分钟球磨2～8小时，再放入烘干箱中，在温度为80度下，烘干2～3小时，烘干乙醇；

四.将处理后的磁性颗粒按照体积比加入纯净水和添加剂也即乳化剂，再用球磨机以转速200～500转/分钟球磨6～8小时；

五.加上按体积百分比称取的抛光粉，搅拌均匀，获得磁流变抛光液。

7.根据权利要求6所述的磁流变抛光液的制备方法，其特征在于：第三步中磁流变抛光液的混合搅拌是通过300～400转/分的转速来进行。

本发明不仅在磁流变抛光液的组分和配比上进行了大量的科学实验和调整，还在制作方法和工艺上不断创新和总结，采用了对磁性颗粒进行表面净化和活化处理和工艺取得了良好的抛光效果。

本发明作为一种磁流变抛光液的制备方法，其实现还在于：磁流变抛光液的混合搅拌是通过300～400转/分的转速来进行。

本发明对磁流变抛光液通过300～400转/分的转速的混合搅拌实现了磁流变抛光液的均匀度高，性能一致。

由于本发明对磁流变抛光液的组成和配比在实践过程中不断进行调整和实验，结合磁流变抛光技术的理论化特点，采用纯净水作为磁流变抛光液的载液，尤其是选用羰基铁粉作为磁性颗粒，选用油酸作为表面活性剂，选用聚乙烯醇作为添加剂，选用氧化铈作为抛光粉，发明了一种具有水解作用，制作方法简单，具有良好的抗沉降团聚稳定性能、较低的零场粘度，抛光效率高，抛光效果好，使用寿命长，适于光学抛光的磁流变抛光液。解决了磁流变抛光液粘度大，磁化强度弱，容易结块，沉降团聚不够稳定，容易生锈，使用寿命短以及效率低等问题，实践已经证明：用本发明制备的磁流变抛光液具有很高的抛光效率，在30分钟内可使K9玻璃表面粗糙度从100nm达到0.6nm；稳定剂的使用有效提高了磁流变液抗沉降团聚稳定性。该磁流变液在长时间内稍有分层，沉降无板结，在弱磁场下可快速悬浮。可以广泛用于光学玻璃的超光滑表面抛光。

具体实施方式：

实施例1：磁流变抛光液，是由磁性颗粒，纯净水，添加剂、表面活性剂和抛光粉组成，其体积百分比为：

磁性颗粒      30％

纯净水        50％

添加剂        7％

表面活性剂    5％

抛光粉        8％

其中添加剂为稳定剂，磁性颗粒是平均粒度≤3.5um的铁粉悬浮相。

其制备方法是先对磁性颗粒进行表面净化和活化处理，本例中磁性颗粒为羰基铁粉颗粒，具体制备过程按以下步骤进行：

一.按体积百分比称取磁性颗粒装入球磨罐中；

二.按体积百分比称取表面活性剂与相当于磁性颗粒体积的50％的乙醇混合，摇晃使混合均匀；

三.将第二步中混合均匀的混合物也倒入球磨罐中，以转速200～500转/分钟球磨2～8小时，再放入烘干箱中，在温度为80度下，烘干2～3小时，烘干乙醇；

四.将处理后的磁性颗粒按照体积比加入纯净水和添加剂也即乳化剂，再用球磨机以转速200～500转/分钟球磨6～8小时；

五.加上按体积百分比称取的抛光粉，搅拌均匀，获得磁流变抛光液。

本实施例中的具体操作是：

一、称量直径为3um的羰基铁粉(型号DT5，陕西兴化化学股份有限公司生产)72ml加入球磨罐中，

二、然后将12ml油酸即表面活性剂倒入36ml乙醇中，经过充分搅拌后倒入球磨罐中。乙醇主要用于溶解表面活性剂，使表面活性剂与磁性颗粒混合均匀。

三、将球磨罐在行星式球磨机上以450转/分钟球磨2小时，再将球磨混合液在80℃真空干燥箱中烘干3小时，驱除乙醇。

四、在装有上述处理后的羰基铁粉的球磨罐中加入聚乙烯醇16.8ml，纯净水120ml，在球磨机上以450转/分钟球磨8小时。

五、在球磨完成后的磁流变液中加入19ml氧化铈抛光粉，搅拌均匀就可得到磁流变抛光液。

该磁流变液的室温零场粘度为750mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

该磁流变抛光液用于西安工业大学磁流变抛光机上对K9玻璃平面抛光，经过30分钟，加工面粗糙度Sa可达到0.5nm，表面不平度Sq可达到0.9nm，抛光中磁流变无板结，无沉降现象。

实施例2：制作步骤同实施例1，具体的选用成份大多也同实施例1，但各成份的体积百分比分别为：

磁性颗粒      35％

纯净水        50％

添加剂        5％

表面活性剂    5％

抛光粉        5％

该实施例中添加剂选用有机膨润土；在制备过程的第三步对表面活性剂与磁性颗粒混合时球磨转速为200转/分钟。该磁流变液的室温零场粘度为800mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

该磁流变抛光液用于西安工业大学磁流变抛光机上对K9玻璃平面抛光，经过30分钟，加工面粗糙度Sa可达到1.8nm，表面不平度Sq可达到2.0nm，抛光中磁流变无板结和沉降现象。

实施例3：按所述的相同步骤重复进行实施例1，但各成份的体积百分比为：

磁性颗粒      40％

纯净水        45％

添加剂        5％

表面活性剂    5％

抛光粉        5％

该实施例中除表面活性剂选用聚乙二醇外，其余具体的选用成分同实施例1，在制备过程的第三步对表面活性剂与磁性颗粒混合时球磨转速为500转/分钟。该磁流变液的室温零场粘度为1050mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

该磁流变抛光液用于西安工业大学磁流变抛光机上对K9玻璃平面抛光，经过30分钟，加工面粗糙度Sa可达到1.7nm，表面不平度Sq可达到2.1nm，抛光中磁流变无板结和沉降现象。

实施例4：制备步骤同实施例1，但各成份的体积百分比为：

磁性颗粒      30％

纯净水        55％

添加剂        5％

表面活性剂    3％

抛光粉        7％

该实施例中添加剂选用有机膨润土，表面活性剂选用聚乙二醇，其余成分同实施例1，该磁流变液的室温零场粘度为680mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

实施例5：按所述的相同步骤重复进行实施例1，但各成份的体积百分比为：

磁性颗粒      30％

纯净水        50％

添加剂        7％

表面活性剂    5％

抛光粉        8％

该实施例中磁性颗粒选用磷化羰基铁粉，其余成份同实施例1，该磁流变液的室温零场粘度为880mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

该磁流变抛光液用于西安工业大学磁流变抛光机上对K9玻璃平面抛光，经过30分钟，加工面粗糙度Sa可达到1.5nm，表面不平度Sq可达到2.0nm，抛光中磁流变无板结和沉降现象。

实施例6：按所述的相同步骤重复进行实施例1，但各成份的选定同实施例1，体积百分比为：

磁性颗粒      33％

纯净水        48％

添加剂        10％

表面活性剂    4％

抛光粉        5％

该磁流变液的室温零场粘度为940mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

该磁流变抛光液用于西安工业大学磁流变抛光机上对K9玻璃平面抛光，经过30分钟，加工面粗糙度Sa可达到1.2nm，表面不平度Sq可达到1.8nm，抛光中磁流变无板结和沉降现象。

实施例7：按所述的相同步骤重复进行实施例2，但各成份的选定同实施例4，体积百分比为：

磁性颗粒      36％

纯净水        49％

添加剂        5％

表面活性剂    4％

抛光粉        6％

该磁流变液的室温零场粘度为930mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

实施例8：制作步骤及成分的比例构成同实施例1，但抛光粉选用金刚石粉，该磁流变液的室温零场粘度为780mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

该磁流变抛光液用于西安工业大学磁流变抛光机上对石英玻璃平面抛光，经过30分钟，加工面粗糙度Sa可达到1.5nm，表面不平度Sq可达到2.0nm，抛光中磁流变无板结和沉降现象。

实施例9：按所述的相同步骤重复进行实施例2，但抛光粉选用金刚石粉，该磁流变液的室温零场粘度为870mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

实施例10：制作步骤及成分的比例构成同实施例1，但步骤三中球磨转速为200转/分钟，球磨时间为8小时，该磁流变液的室温零场粘度为930mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

实施例11：制作步骤及成分的比例构成同实施例1，但步骤三中球磨转速为500转/分钟，球磨时间为5小时，烘干时间为2.5小时，该磁流变液的室温零场粘度为850mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

实施例12：制作步骤及成分的比例构成同实施例1，但步骤三中烘干时间为2小时，该磁流变液的室温零场粘度为800mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

实施例13：制作步骤及成分的比例构成同实施例1，但步骤四中球磨速度为500转/分钟，球磨时间为7小时，该磁流变液的室温零场粘度为770mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

实施例14：制作步骤及成分的比例构成同实施例1，但步骤四中球磨时间为6小时，制备的磁流变抛光液的室温零场粘度为810mPa.s，无明显沉降现象和板结，在弱磁场作用下就可以二次悬浮。

Claims (7)

1.一种磁流变抛光液，其特征在于：是由磁性颗粒、纯净水、添加剂、表面活性剂和抛光粉组成，其体积百分比为：

磁性颗粒      30％～40％

纯净水        45％～55％

添加剂        5％～10％

表面活性剂    3％～5％

抛光粉        5％～8％

其中磁性颗粒为铁粉悬浮相，平均粒度≤3.5um，添加剂为稳定剂。

2.根据权利要求1所述的磁流变抛光液，其特征在于：所述的磁性颗粒选自羰基铁粉或磷化羰基铁粉。

3.根据权利要求1所述的磁流变抛光液，其特征在于：所述的组分抛光粉选自氧化铈或金刚石粉。

4.根据权利要求1所述的磁流变抛光液，其特征在于：所述的组分添加剂选自有机膨润土或聚乙烯醇。

5.根据权利要求1所述的磁流变抛光液，其特征在于：所述的表面活性剂选自油酸或聚乙二醇。

6.一种如权利要求1～5所述的磁流变抛光液的制备方法，其特征在于：先对磁性颗粒进行表面净化和活化处理，表面活性剂通过高速球磨完成对磁性颗粒的表面处理。

磁流变抛光液的制备步骤包括有：

一.按体积百分比称取磁性颗粒装入球磨罐中；

二.按体积百分比称取表面活性剂与相当于磁性颗粒体积的50％的乙醇混合，摇晃使混合均匀；

三.将第二步中混合均匀的混合物也倒入球磨罐中，以转速200～500转/分钟球磨2～8小时，再放入烘干箱中，在温度为80度下，烘干2～3小时，烘干乙醇；

四.将处理后的磁性颗粒按照体积比加入纯净水和添加剂，再用球磨机以转速200～500转/分钟球磨6～8小时；

五.加上按体积百分比称取的抛光粉，搅拌均匀，获得磁流变抛光液。

7.根据权利要求6所述的磁流变抛光液的制备方法，其特征在于：第三步中磁流变抛光液的混合搅拌是通过300～400转/分的转速来进行。