CN101925399A - 用于调制含可磁化颗粒的悬浮液的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于调制含可磁化颗粒的悬浮液的方法，在所述方法中引导含可磁化颗粒的悬浮液穿过一缝隙(3)以使含可磁化颗粒的悬浮液被剪切。在所述缝隙(3)内施加磁场以使含可磁化颗粒的悬浮液在存在磁场的情况下被剪切。此外，本发明涉及一种用于调制含可磁化颗粒的悬浮液的设备，该设备包括至少一个缝隙(3)，该缝隙被含可磁化颗粒的悬浮液穿流从而对该含可磁化颗粒的悬浮液施加剪力。此外该设备包括所述设备还包括至少一个用于在所述至少一个缝隙(3)内产生磁场的磁体。

Description

用于调制含可磁化颗粒的悬浮液的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于调制含可磁化颗粒的悬浮液的方法。本发明还涉及一种用于调制含可磁化颗粒的悬浮液的设备。
背景技术
含可磁化颗粒的悬浮液用于多种不同的目的。因此这种液体用作例如用于蓄磁介质的磁性涂覆剂。另外的应用领域包括用作密封液或磁流变液体。含可磁化颗粒的悬浮液通常包含基液、可磁化颗粒、分散剂和触变剂。
可磁化颗粒相互分隔得越好、在悬浮液内颗粒在颗粒表面上被分散剂覆盖得越均匀，悬浮液的质量便越好。含可磁化颗粒的悬浮液的主要性能、特别是悬浮液的粘度和质量受其影响。如果悬浮液包含孔隙率差别极大的成分，常常添加表面活性物质。根据量和表面特性的不同也可以形成微团、薄膜和多层表面活性剂。
为了改善悬浮液中可磁化颗粒的沉积稳定性，例如由US-B 6,203,717已知给磁流变液体添加有机矿质粘土。为了使有机矿质粘土分层/层离(Entlaminierung)而对悬浮液施加了很大的剪切应力。
为了使磁流变液体中的颗粒具有一致的尺寸，由US-A 2004/0050430已知，在一缝隙中对含颗粒的液体进行剪切。为此将含颗粒的液体压过一缝隙。由EP-B 0 672 294已知另一种用于改善磁流变液体的性能的方法。其中通过研磨方法、例如通过添加研磨添加剂来除去颗粒表面的污染物。在除去污染物后立即将颗粒混入溶剂中以避免重新形成这种污染物、例如氧化层。
EP-B 0 755 563公开了磁流变材料，其中至少90％的颗粒被防护层包围。防护层由可硬化的聚合物、热塑性材料、非磁性金属、陶瓷或它们的组合制成。为了使磁流变材料具有很高的最大剪切应力并在使用期内得到保持而涂覆防护层。另外，由EP-A 0 845 790已知一种磁流变液体，该磁流变液体含有涂覆以有机聚合物的可磁化颗粒。这里，为可磁化颗粒涂层以减小磨蚀性和沉积倾向。
为了避免可磁化颗粒沉积，由US-B 6,547,986已知为磁流变润滑剂添加增稠剂。选择增稠剂的量以改善可磁化颗粒的沉积特性。
如果含可磁化颗粒的悬浮液在使用者处在磁场中承受剪切环境，则可能造成悬浮液性能的改变，固有粘度可能增大。这种改变也称为使用增稠(In-Use-Thickening)现象。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于调制含可磁化颗粒的悬浮液的方法，通过这种方法避免由现有技术已知的、悬浮液性能在使用中的改变、如粘度增大或沉积性能改变。本发明的目的特别是提供一种方法，通过此方法可以当在一装置中使用时减少含可磁化颗粒的悬浮液的使用增稠现象。调制表示一过程，即在将悬浮液或使用含可磁化颗粒的悬浮液的装置交付给使用者之前使含可磁化颗粒的悬浮液经历的过程。
本发明的另一个目的是，提供一种用于实施所述方法的设备。
该目的通过一种用于调制含可磁化颗粒的悬浮液的方法实现，在所述方法中引导含可磁化颗粒的悬浮液穿过一缝隙以使含可磁化颗粒的悬浮液被剪切。在所述缝隙内施加磁场以使含可磁化颗粒的悬浮液在存在磁场的情况下被剪切。
在本发明的意义上，含可磁化颗粒的悬浮液一般含可磁化颗粒和液体。该悬浮液另外可选地可以含有添加剂。
可磁化颗粒可以是任何现有技术中已知的颗粒。
可磁化颗粒的平均直径通常在0.1～500μm、优选在0.1～100μm、特别优选在1～50μm的范围中。可磁化颗粒的形状可以是规则的或不规则的。例如可磁化颗粒可以是球形、棒形或针形颗粒。优选采用基本上为球形形状的可磁化颗粒。例如通过雾化/粉化熔化的金属(喷射粉末(Sprühpulver)、雾化金属)可以得到近似球形的颗粒。
也可以采用可磁化颗粒的混合物、特别是具有不同的颗粒尺寸分布和/或具有不同材料的可磁化颗粒的混合物。
可磁化颗粒优选从以下(材料)组中选出：含铁颗粒、含镍颗粒或含钴颗粒。所述可磁化颗粒例如是由铁、铁合金、铁氧化物、一氮化二铁、一碳化三铁、羰基铁、镍、钴、不锈钢、硅钢、它们的合金或混合物制成的颗粒。但也可以含有例如由二氧化铬制成的颗粒。
可磁化颗粒可以具有涂层；例如铁粉被涂覆以隔离或防腐蚀的无机物质——例如硅酸盐、磷酸盐、氧化物、碳化物、氮化物——其它金属或至少一种聚合物。
可磁化颗粒优选是羰基铁粉末(CEP)的形式。羰基铁粉末优选通过分解羰基化铁制成。本领域技术人员已知多种不同类型的CEP。除了由热裂解得到的硬CEP类型外，也可以采用还原的羰基铁粉末。这种粉末磨蚀较少并且机械性能较软。硬CEP和还原的CEP类型可以用不同的方式方法进行表面处理。最常用的经处理的羰基铁粉末被涂覆以硅酸盐或磷酸盐。但也可以得到其它的变型。区别羰基铁粉末的另一标准是相应的颗粒尺寸分布，该尺寸分布可能对使用性能有重要影响。分散的羰基铁粉末颗粒优选具有在1～30μm范围内的平均直径。原则上，任何类型的羰基铁粉末都适用(本方法)。具体的选择取决于含可磁化颗粒的悬浮液的使用条件。
在含可磁化颗粒的悬浮液中含有相对于含可磁化颗粒的悬浮液的总体积的体积百分比优选为15～49％、特别优选20～48％的可磁化颗粒。
例如水或有机溶剂适合用作基液，在该基液中分散有可磁化颗粒。合适的有机溶剂包括：例如矿物油、聚α-烯烃、石蜡油、液压油、酯油、含氯化芳香族化合物的油、以及氯化油和氟化油。此外硅油、氟化硅油、聚醚、氟化聚醚、聚醚聚硅氧烷聚合物也是合适的。同样，醇类、具有少于5个碳原子的羧酸的酰胺衍生物以及水溶胺也适合用作基液。合适的基液包括：例如乙醇、丙醇、异丙醇、烷基醇、巯基乙醇、丙三醇、乙二醇、丙二醇、戊2，4-二醇、己-2，5-二醇、丁-1，3-二醇、乙二胺、二亚乙基三胺、N-羟基乙基丙二胺、吗琳、N-甲基吗琳、三乙醇胺、甲酰胺、乙酰胺等。此外，开放或端基封端的醇烷氧基化物和离子液体也是适用的。上述液体也可以相互混合从而必要时得到合适的基液。但是特别优选采用聚α-烯烃作为基液。
此外含可磁化颗粒的悬浮液可以含有至少一种添加剂。添加剂一般从以下(材料)组中选出：触变剂、粘度改性剂、增稠剂、分散剂、表面活性添加剂、抗氧化剂、滑动/润滑剂和防腐蚀剂。
粘度改性剂可以包括：例如可溶解在基液中的、改变配方粘度的溶剂或聚合物添加剂。合适的粘度改性剂包括：例如极性溶剂如水、丙酮、乙腈、分子醇类(molekulare Alkohohle)、胺、酰胺、DMF、DMSO或聚合物添加剂，例如未改性的或改性的多糖、聚丙烯酸酯和聚脲。
如果含可磁化颗粒的悬浮液包含用作粘度改性剂的添加剂，那么该添加剂的浓度为：相对于含可磁化颗粒的悬浮液的总重量的质量百分比优选为0.01～13％、特别优选为0.01～11％、特别是0.05～10％。
触变剂是一种形成流动限制的添加剂，因此在含可磁化颗粒的悬浮液的液体中对颗粒的沉积起反作用。触变剂例如从以下(材料)组中选出：天然的和合成的层状绿土族硅酸盐(必要时可以是疏水改性的层状硅酸盐，例如蒙脱石型，如由WO 01/03150A1所知)，硅胶(无定形)，分散的二氧化硅(如由US 5,667,715所知)，纤维状硅酸盐(例如微粉化的海泡石和硅镁土)、碳颗粒(如由US 5,354,488所知)，硅胶和聚脲(如由DE 19654461A1所知)。也可以采用基于聚合物碳水化合物的触变剂，如黄原胶或半乳甘露聚糖的衍生物、瓜耳胶衍生物和离子或非离子纤维素醚或淀粉醚。
可使用的层状硅酸盐的例子包括：膨润土、蒙脱石、锂蒙脱石或合成的层状硅酸盐，如Rockwood Additives公司的Laponite
Figure BPA00001185443600041
及其改性产品。此外也可以采用疏水改性、因而适应如聚α-烯烃和硅树脂的疏水溶剂的层状硅酸盐。
如果含可磁化颗粒的悬浮液含有用作触变剂的添加剂，该添加剂的浓度为：相对于含可磁化颗粒的悬浮液的总质量的重量百分比为0.01～10％、特别优选为0.01～5％、特别是0.05～1％。
分散剂是一种提高可磁化颗粒在沉积后在液体中再分散的能力并防止其聚结的添加剂。合适的分散剂包括：例如聚合物分散剂、如多糖，聚丙烯酸酯、聚酯、特别是聚(羟基硬脂酸)
Figure BPA00001185443600051
、醇酸树脂、长链烷氧基化物(Alkoxylate)、以及聚氧化烯、例如BASF公司的Pluronic
Figure BPA00001185443600052
，其涉及聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯嵌段共聚物和聚氧化丙烯-聚氧化乙烯-聚氧化丙烯嵌段共聚物。其它可能的分散剂包括：阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂和非离子表面活性剂，它们是本领域技术人员已知的，不必详细说明。非离子表面活性剂的例子包括：糖类表面活性剂和醇烷氧基化物；阴离子表面活性剂的例子包括：羧酸盐、例如油酸盐和硬脂酸盐、烷基硫酸盐、烷基醚硫酸盐、烷基磷酸盐、烷基醚磷酸盐和烷基磺酸盐；两性或两性离子表面活性剂的例子包括：氧化烷基胺。
如果含可磁化颗粒的悬浮液含有用作分散剂的添加剂，那么该添加剂的浓度为：相对于含可磁化颗粒的悬浮液的总重量的重量百分比优选为0.01～5％、特别优选是0.05～1％。
此外，含可磁化颗粒的悬浮液可以包含其它可能含有的添加剂，例如，如特氟纶粉末、二硫化钼或石墨粉末润滑剂；防腐蚀剂；防磨添加剂和抗氧化剂。
通过在存在磁场的情况下对含可磁化颗粒的悬浮液进行剪切可以显著提高分散效率。
与现有技术已知的、在无磁场的情况下进行剪切不同，已表明在存在磁场的情况下进行剪切改善了悬浮液的性能。由此可以制造更稳定的悬浮液，该悬浮液即使再次经受在磁场中的剪切条件也不显示出粘度增大。减少了使用增稠现象，并使可磁化颗粒具有更好的再分散能力。
此外，还改善了使用中含可磁化颗粒的悬浮液在剪力作用下的热稳定性。
此外表明，在制造含可磁化颗粒的悬浮液时，较长的分散时间不能替代根据本发明进行的、在存在磁场的情况下进行的剪切。与较长的分散时间相比，在存在磁场的情况下对含可磁化颗粒的悬浮液进行的剪切进一步改善了(悬浮液的)性能。
在调制前，通常通过分散方法来制造含可磁化颗粒的悬浮液。对含可磁化颗粒的悬浮液的剪切可以如下地实现，使被含可磁化颗粒的悬浮液穿过的缝隙、即剪切缝隙由至少两个相对运动的表面界定。所述至少两个表面的相对运动例如如下地实现：一个表面不运动而另一个表面运动。或者也可以使两个表面以不同的速度或在相反的方向上运动。
例如采用Ultra-Turrax或球磨机来制造悬浮液。Ultra-Turrax是一种带有极快旋转的刃片的搅棒。刃片以高达24000转/分的速度旋转。由此产生非常大的剪力，该剪力促使可磁化颗粒和可能含有的分散剂和添加剂散布在待制造的悬浮液中。这种悬浮液也可以在球磨机中制造。由此实现精细的分散。为了进一步改善这样产生的悬浮液的性能，随后按照本发明、通过在存在磁场的情况下的剪切进行调制。
在一种优选实施形式中，以分散方法、同样在存在磁场的情况下混合可磁化颗粒和溶剂以及可能含有的添加剂。通过在存在磁场的情况下进行分散，同样实现了对含可磁化颗粒的悬浮液的性能的改善。
根据悬浮液中可磁化颗粒的浓度优选的是，在剪切位置处、在剪切缝隙中的磁场强度或磁通密度能被调节。合适的磁通密度优选在0.05～1.2T的范围内。磁场强度特别优选在0.1～1T的范围内。
为了能够调节磁通密度，优选采用电磁铁来产生磁场并且磁场线垂直于剪切平面。
对含可磁化颗粒的悬浮液的剪切可以如下地实现：被含可磁化颗粒的悬浮液穿过的缝隙由至少两个相对运动的表面界定。
如果所述缝隙由至少两个相对运动的表面界定，优选的是：其中一个表面由定子板形成，另一个表面由与该定子板对置的转子板形成。转子板优选绕一中央轴线旋转。通常将定子板和转子板设置成，使转子板的旋转轴线垂直于定子板延伸。
在一种替代实施形式中，剪切缝隙由两个同轴嵌套的筒体界定。在这种情况下，剪切缝隙由内筒体的外径和外筒体的内径形成。在缝隙内的剪切如下地实现：使筒体绕一公共轴线相对彼此进行旋转运动。原则上这里可以考虑两种不同的结构：在第一方案中，外筒体旋转，而内筒体固定不动并用于转矩测量(Couette系统)。在第二方案中，外筒体固定不动，而内筒体被驱动同时进行转矩测量(Searle系统)。两个筒体共轴，该轴线设置成平行于剪切缝隙。在剪切期间，剪切缝隙被置于磁场中，该磁场优选垂直于剪切平面。有利的是，可被填充以悬浮液的容积主要由剪切缝隙形成。内、外筒体的底面与顶面间的距离应选择成尽可能小，例如与剪切缝隙的高度的量级相同。对于被穿流的筒体结构，应当不存在不能流通的死体积。
在一种替代实施例中，剪切缝隙由一筒体外壳和一插入该筒体(外壳)内的螺杆/蜗杆轴(挤出机原理)界定。也可以考虑具有两个或多个螺杆轴的挤出机。位于剪切缝隙内的、含可磁化颗粒的悬浮液在剪切期间置于一磁场中，该磁场用于显著提高悬浮液的粘度。磁场可以从外部由合适的电磁铁或永磁体穿过筒体壁施加，也可以从内部由合适的磁场发生器经螺杆施加。
在另一种替代实施形式中，被含可磁化颗粒的悬浮液穿过的缝隙是一通道。通过使通道仅具有很小的横截面来实现剪切。由此可以在通道内实现很大的压降。该很大的压降使含可磁化颗粒的悬浮液产生剪切应力，从而实现对悬浮液的剪切。如果缝隙设计成被含可磁化颗粒的悬浮液穿流的通道的形式，(该通道的)横截面优选是矩形的。在这种情况下，可以将一个磁轭设置在通道上方，而将另一磁轭设置在通道下方，由此在通道内产生磁场。或者当然也可以使通道具有任何其它的横截面。但是与矩形通道不同，在这种情况下磁场的场分布不理想。
另外，本发明涉及一种用于调制含可磁化颗粒的悬浮液的设备，该设备包括至少一个缝隙，该缝隙被含可磁化颗粒的悬浮液穿流从而对该含可磁化颗粒的悬浮液施加剪力。所述设备还包括至少一个用于在所述至少一个缝隙内产生磁场的磁体。
为了在所述至少一个缝隙内产生磁场，所述至少一个磁体优选设置成，使磁体的磁极位于缝隙的对置两侧上。这样便在缝隙内垂直于剪切平面产生一磁场。
为了能够按照需要施加磁场以及必要时能够改变磁场强度，磁体优选是电磁铁。或者，当然也可以使用至少一个永磁体来代替至少一个电磁铁。也可以同时使用电磁铁和永磁体。如果磁场能被调节，则根据本发明的设备可用于调制具有不同成份的、含可磁化颗粒的悬浮液，特别是悬浮液中含有不同浓度的可磁化颗粒的悬浮液。在这种情况下，可以分别使磁场的强度适应于待调制的含可磁化颗粒的悬浮液。
在根据本发明的设备的第一实施形式中，所述至少一个缝隙由至少两个能相对运动的板件界定以对含可磁化颗粒的悬浮液施加剪力。如上所述，这里缝隙可以由两个对置的板件界定。其中一个板件可以是固定的，而另一板件可以运动。或者也可以使两板件以不同的速度运动。即可以使两板件速度大小不同或在相反的方向上运动。
为了实现可相对运动的板件的相对运动，一方面可以使板件相对移动。这里例如也可以使一个板件保持不动，而与该板件相对地设置一无端带件/连续带件(Endlosband)，该无端带件绕至少两个滚子运行，由此产生相对运动。
但特别优选的是，(其中)至少一个板件是转子板。转子板绕一中央旋转轴线旋转，该中央旋转轴线设置成垂直于另一板件延伸。这样便保证了均匀的缝隙宽度。如果界定缝隙的两板件都设计成转子板，那么两板件的旋转轴线优选是一公共的轴线。但是一般将一个板件设计成定子板，一个板件设计成转子板。在这种情况下，如上所述，转子板的旋转轴线优选垂直穿过定子板。
如果由两个对置的转子板界定所述缝隙，那么优选使一个转子板的转速高于另一(转子)板或两转子板在相反的方向上旋转。
转子板和定子板或另一转子板的界定缝隙的表面优选分别具有平面的、平面的和锥形的板件表面，或者分别具有锥形的板件表面。如果一个板件表面是平面的、而一个板件表面设计成锥形的；或者如果两个板件表面都设计成锥形的，那么缝隙宽度朝向旋转轴线逐渐减小。
为了获取能量输入必须测量转子板或柱形结构的转速和转矩。在规定转速的情况下必须测量转矩。优选始终连续地记录这两个测量值。对于给定的剪切单元容积以及剪切缝隙尺寸，可以由这些测量值计算出具体的能量输入。
所述剪切单元由于具有能量输入高而发热。由于这个原因优选使剪切单元(不管是哪一种结构形式)具有热稳定性。这一点可以通过将剪切单元完全浸入恒温浴或冷却炉中来实现。替代地也可以在剪切单元壳体内设置供合适的冷却液循环的冷却通道。这种方案的优点是，可以在更为接近剪切缝隙处进行冷却。此外也可以使剪切单元暴露于冷却空气流中。
在根据本发明设计的设备的第二实施形式中，所述至少一个在其中对含可磁化颗粒的悬浮液施加剪力的缝隙是一被含可磁化颗粒的悬浮液穿流的流动通道。这里，对含可磁化颗粒的悬浮液施加的剪力取决于悬浮液在通道内的流动速度和压降。为了对含可磁化颗粒的悬浮液施加足够大的压降和/或足够大的剪力，缝隙的高度优选在0.08～5mm的范围内。这里，在所选的流量保持不变的情况下，较小的缝隙高度引起对悬浮液施加较大的剪切速度。在缝隙中的压力损失除与高度相关外还与缝隙的长度相关。在缝隙中，长度与高度之比越大或长度与直径之比越大，压降便越大。也就是说，在缝隙高度减小的情况下，为达到相同的压降需要使通道更短。
为了在缝隙中产生磁场，对于具有矩形横截面的流动通道，在通道上方和下方布置磁体使得通道被磁场穿过。磁体可以是永磁体或电磁铁。为了产生磁场而将磁体布置成，使磁体的北极被布置在通道的一侧，而磁体的南极布置在另一侧。如果在流动通道的长度上并排设置多个磁体，那么可以相应地将相同(磁)极设置在通道的一侧，使得磁场在整个通道长度上均衡。然而，替代地也可以例如在通道的一侧上交替地设置磁体的北极和南极，而相应地在通道的另一侧上设置相反的(磁)极，使得在通道内的磁场从一个极对到另一个极对地改变方向。
在通道结构中，优选设置用于确定经通道的压降和流量的装置，以确定剪切能量输入。在挤出结构中，优选测量螺杆的转矩和流量或螺杆的转速。
为了实现对含可磁化颗粒的悬浮液的充分调制，设备一般还包括一储存容器，在该储存容器中装有含可磁化颗粒的悬浮液。一般借助泵将含可磁化颗粒的悬浮液从储存容器中输出并使之穿过所述至少一个缝隙。为了实现充分调制，优选使含可颗化颗粒的悬浮液多次穿流过所述缝隙。在此，含可磁化颗粒的悬浮液穿流过缝隙的次数取决于调制过程所需的能量输入。
通过对含可磁化颗粒的悬浮液进行调制，除降低使用增稠外还提高了再分散能力。例如，与未经调制的含可磁化颗粒的悬浮液相比，被按照本发明调制的、含可磁化颗粒的悬浮液在20天的储存时间后能利用明显更少的功被再分散。对于20天的储存时间，(二者)的差别大约为5倍。也就是说，使得被按照本发明调制的、含可磁化颗粒的悬浮液再分散的消耗是使得未经调制的含可磁化颗粒的悬浮液再分散的消耗的1/5。
附图说明
在附图中示出、并在以下叙述中详细说明本发明的实施例。
附图表示：
图1示出根据本发明设计的、带转子板的剪切单元；
图2示出一带有根据图1的剪切单元的调制系统；
图3.1示出根据本发明设计的、用于调制的流动通道的纵剖视图；
图3.2示出根据图3.1的流动通道的横剖视图；
图4示出带有根据图3.1和3.2的流动通道的调制系统；
图5示出根据本发明设计的、第一种实施形式的、具有柱形几何结构的剪切单元；
图6示出根据本发明设计的、第二种实施形式的、具有柱形几何结构的剪切单元；
图7示出根据本发明设计的、具有挤出结构的剪切单元。
具体实施方式
图1示出一根据本发明设计的、带转子板的剪切单元。
剪切单元1包括一供含可磁化颗粒的悬浮液穿流的缝隙3。在缝隙3内对悬浮液进行剪切。经一输入通道5将含可磁化颗粒的悬浮液输送给缝隙3。在剪切单元1的图1所示的实施形式中，输入通道5设置在中央。含可磁化颗粒的悬浮液经输入通道5流入缝隙3、流过缝隙3、并经由一个或多个输出通道7再次流出剪切单元1。在这里所示的实施形式中，剪切单元1包括两个输出通道7，但剪切单元1也可以只包括一个输出通道7或包括多于两个的输出通道7。
缝隙3由第一板件9和第二板件11界定。在这里所示的实施形式中，第一板件9是一定子板13。输入通道5在定子板13的中央穿过该定子板。
设计成转子板15的第二板件11与定子板13相对置。这样，便由定子板13的表面17和转子板15的表面19界定出缝隙3。
定子板13的表面17和转子板15的表面19可以如图1所示设计成平面。此外，定子板13的表面17和转子板15的表面19也可以设计成锥形。其中锥顶分别位于转子板15的表面19以及定子板13的表面17的中央，亦即锥顶处于旋转轴线23穿过转子板15和定子板13的位置处。此外，也可能是，定子板13的表面17是平面的而转子板15的表面19是锥形的；或者转子板15的表面19是平面的而定子板13的表面17是锥形的。如果定子板13的表面17和转子板15的表面19都设计成锥形，那么锥形的顶角优选在0.3至6°的范围内。
转子板15与一转子轴21相连接。转子轴21又与一驱动装置(未示出)相连接。通过驱动装置和转子轴21使转子板15进行旋转运动。
旋转轴线23在中央穿过转子轴21。这里旋转轴线23布置成垂直地穿过转子板15并垂直地穿过定子板13。由此使缝隙3具有均匀的缝隙宽度。
为了在剪切单元1运行时不将含可磁化颗粒的悬浮液从缝隙3中甩出，剪切单元1还包括一壳体25。壳体25包围定子板13、转子板15和缝隙3。
在这里所示的实施形式中，在壳体25中形成一供转子板15的转子轴21穿过的开口27。转子轴21优选通过一在图1中未详细示出的轴承支承在壳体25的开口27内。任何一种本领域技术人员已知的滚动轴承都适合用作这里的轴承。例如可以采用球轴承、滚针轴承、滚筒轴承等。此外，优选利用一密封件29使壳体25的内腔对外界密封，该密封件29在转子轴21与壳体25之间安装在开口27内。密封件29可以是例如O型圈、轴密封圈、方环、复式密封件或滑环密封件。也可以使用本领域技术人员已知的、相对于固定件密封旋转件的任何其它密封件。
为了防止含可磁化颗粒的悬浮液在转子板15的周围流出缝隙3、而不是流向输出通道7，在此处所示的实施形式中，转子板15被一第二密封件31包围。通过使第二密封件31抵靠在转子板15的外周缘上并且抵靠在壳体25上，来实现密封。与密封件29相似，第二密封件31可以是O型圈、轴密封圈、方环、复式密封件或滑环密封件。也可以使用本领域技术人员已知的、相对于固定件密封旋转件的任何其它密封件。
为了调制含可磁化颗粒的悬浮液，经输入通道5将悬浮液输入缝隙3。通过转子板15的旋转运动对含可磁化颗粒的悬浮液施加一剪力。同时，该缝隙被一磁场穿流过。为此在转子板15的背向缝隙的一侧上设有一磁体的第一磁轭33，而在定子板13的背向缝隙的一侧上设有该磁体的第二磁轭35。该磁体可以是永磁体或电磁铁。该磁体优选是一电磁铁。第一磁轭33和第二磁轭35的极性选择成，使得在第一磁轭33和第二磁轭35之间形成一磁场。这样便使磁场穿过缝隙3。这样便在存在磁场的情况下、在缝隙3中对含可磁化颗粒的悬浮液进行剪切。所施加的磁场的强度选择成，使剪切缝隙内的磁通密度在0.05～1.2T的范围内，优选在0.1～1.2T的范围内，特别是在0.2～0.8T的范围内。
图2示出具有一根据图1的剪切单元的调制系统。
除剪切单元1外，调制系统还包括一储存容器37、一输入管路39、一回流管路41和一泵43。泵43布置在输入管路39内。通过泵43将含可磁化颗粒的悬浮液输送给输入通道5、从而进入剪切单元1。接着，含可磁化颗粒的悬浮液流过在定子板13与转子板15之间的缝隙3，经由输出通道7流出剪切单元1。输出通道7通入回流管路41中，含可磁化颗粒的悬浮液经该回流管路被重新输送给储存容器37。为了实现充分调制，必须泵送储存容器37内的成分、使之多次通过剪切单元1。
图3.1以纵剖视图示出一根据本发明设计的、用于进行调制的流动通道。
在图3.1所示的实施形式中，缝隙3通过一流动通道45构成。在此，流动通道45由在其下侧的第一板件9和在其上侧的第二板件11界定。为进行调制，经一入口47将含可磁化颗粒的悬浮液输送给流动通道45。含可磁化颗粒的悬浮液经一出口49重新从流动通道45流出。由于在流经流动通道45时在第一板件9和第二板件11上的壁磨擦以及由于可磁化颗粒相互间的磨擦，在流经流动通道45期间对含可磁化颗粒的悬浮液施加一剪力。因为根据本发明在存在磁场的情况下进行剪切，所以形成缝隙3的流动通道45被一磁场穿过。为此，在第一板件9的与缝隙3对置的一侧上设置磁体的第一磁轭33，在第二板件11的与缝隙3对置的一侧上设置该磁体的第二磁轭35。与图1所示的剪切单元类似地，磁体可以是永磁体或电磁铁。磁轭33、35的极性分别选择成，使得在两个相互对置的磁轭33、35之间形成一磁场。按照本发明，沿流动通道45可以只设置一个磁体，在这种情况下磁体的第一磁轭33抵靠第一板件9，而磁体的第二磁轭35抵靠第二板件11。此外，也可以如图3.1所示地并排/相邻设置多个磁体。在这种情况下，相邻磁体的第一磁轭33和第二磁轭35可以分别是同极性的，使得在整个流动通道45上磁场取向相同。或者，相邻磁体的第一磁轭33和第二磁轭35也可以分别是不同极性的，使得磁场交替变化，两个相邻磁体的磁场取向相反。
为了在流动通道45中得到均匀的磁场，流动通道45优选具有矩形横截面，如图3.2所示。在这种情况下，流动通道45的侧边界由侧壁51形成。流动通道45优选高度小于宽度。
如果通过移动一边界壁来实现附加的剪切，便可以实现更短的流动通道45。这一点例如可以通过将界定流动通道45的上侧的第二板件11设计成循环带件的形式来实现。在这种情况下，流动通道的由循环带件形成的边界可以相对于第一板件9运动。从而施加附加的剪力。此外，也可以将第一板件9和第二板件11都设计成可动的，其中优选的是在这种情况下第一板件9和第二板件11以不同的速度运动或在相反的方向上运动。在这种情况下，优选将第一板件9和第二板件11分别设计成一无端带件/连续带件的形式，所述无端带件各自围绕至少两个轴运行，通过所述至少两个轴来驱动设计成带件的第一板件9和第二板件11。
除了图3.1和3.2所示的流动通道45在整个长度上具有恒定的高度的实施形式外，流动通道45的高度也可以在长度上变化。例如，流动通道45的高度可以在其长度上逐渐增大或逐渐减小。此外，也可以交替设置部段，其中流动通道45的高度逐渐增大、接着又逐渐减小。也可以例如将界定流动通道45的(第一)板件9和第二板件11设计成波浪形，使得流动通道45波浪形延伸。在第一板件9和第二板件11设计成波浪形时还可以使波浪的顶点/波峰彼此相对，从而实现通道高度的连续增加和减小。也可以考虑，使含可磁化颗粒的悬浮液流过的通道具有本领域技术人员已知的任何其它形状。
流动通道的高度与长度之比以及磁通密度优选选择成，使通道内产生至少5bar的压降。压降优选在10～200bar的范围内，特别是在50～100bar的范围内。
图4示出一具有根据图3.1和3.2的流动通道的调制系统。与图2所示的调制系统类似，此调制系统包括一储存容器37、一输入管路39、一回流管路41和一泵43。输入管路39与流动通道45的入口47相连接。通过泵43将含可磁化颗粒的悬浮液从储存容器37泵送到流动通道45。含可磁化颗粒的悬浮液经出口49离开流动通道、进入回流管路41，经该回流管路流回储存容器47。为进行调制而在流动通道45内通过一分别由第一磁轭33和第二磁轭35构成的磁体产生一磁场。通过使来自储存容器37的、含可磁化颗粒的悬浮液多次流过流动通道45，实现充分调制。
除具有转子板的剪切单元和根据图3.1和3.2的流动通道以外，剪切单元也可以具有适合于剪切悬浮液的其它形式。其它合适的形式例如包括具有柱形几何结构或具有挤出结构的剪切单元。
图5示出具有柱形几何结构的剪切单元的第一实施形式。
具有柱形几何结构61的剪切单元包括一固定的壳体63。该固定的壳体63包围一可旋转的筒体65。为此筒体65与一穿过该壳体的轴67相连接。轴67与一驱动装置相连接。
在筒体65与固定的壳体63之间形成一缝隙3。将被剪切的、含可磁化颗粒的悬浮液经输入通道5流入该缝隙3。悬浮液流过缝隙3，经输出通道7流出剪切单元61。
按照本发明施加一磁场，使这里通过箭头表示的磁场线垂直于悬浮液在缝隙中的流动方向。为了产生磁场69，例如可以用一线圈包绕固定的壳体63。为了实现方向相同的磁场，优选将磁体的一个磁轭设置在壳体外部，而将磁体的第二磁轭设置在筒体65内部。
为了使含可磁化颗粒的悬浮液仅穿过包围可旋转的筒体65的表面从而同样形成柱形的缝隙3流动，在缝隙3端部处通过一密封件71封闭该缝隙。从而避免含可磁化颗粒的悬浮液进入可旋转筒体65的端面73与壳体63之间。
图6示出一具有柱形几何结构的剪切单元的第二实施形式。
图6所示的剪切单元61与图5所示的剪切单元的区别在于，含可磁化颗粒的悬浮液的输入通过轴67进行。为此轴67设计成空心轴。在筒体65的上端面75和壳体63之间形成一间隙77，含可磁化颗粒的悬浮液流过此间隙。悬浮液沿间隙77流入柱形缝隙3，缝隙3被磁场69穿过。输出通道7位于壳体63的与轴67相对的一侧上。或者也可以采取相反的流动方向。在这种情况下，悬浮液经输出通道7输入、经轴67离开剪切单元61。
为了使含可磁化颗粒的悬浮液从设计成空心轴的轴67到达间隙77，在轴67中形成至少一个开口79。开口79可以例如是孔。
利用具有如图5或6所示的柱形几何结构的剪切单元工作的调制系统构造成与具有带转子板或流动通道的剪切单元的调制系统类似。也就是说，对于图2和4所示的流动系统，仅将所示的剪切单元或所示的流动通道替代成相应的、具有柱形几何结构的剪切单元。
图7示出一具有挤出结构的剪切单元。
如图7所示，具有挤出结构的剪切单元81特别是用于使颗粒在高粘度介质中分散。
通过一料斗83或者分离、或者一起地将各组分加入悬浮液中。如果具有挤出结构的剪切单元81不用于使颗粒分散，而是仅用于调制，那么通过料斗83输入已含有可磁化颗粒的悬浮液。
具有挤出结构的剪切单元81包括一固定的壳体85，在该壳体中接纳一挤出螺杆87。在挤出螺杆87与壳体85之间形成一缝隙3，该缝隙3被含可磁化颗粒的悬浮液流过并为进行调制而被磁场69穿流过。
如果具有挤出结构的剪切单元81用于在高粘度介质中分散颗粒，那么在悬浮液流过具有挤出结构的剪切单元81时同时进行悬浮液的分散和调制。
为了使高粘度介质流过挤出结构，挤出螺杆被可旋转地支承并被一轴67驱动。通过料斗83输入的材料借助挤出螺杆87被沿缝隙3向输出通道7输送。在输出通道7处，完成分散和调制的、含可磁化颗粒的悬浮液从具有挤出结构的剪切单元81流出。
在具有挤出结构的剪切单元81中，磁场69的施加例如与在具有柱形几何结构的剪切单元61中的磁场施加相应地实现，其中壳体85被一产生磁场的线圈包绕。或者也可以在柱形壁部和/或螺杆上或内设置永磁体。
采用具有挤出结构的剪切单元81的调制系统，同样与具有带转子板或流动通道的剪切单元1的调制系统(如图2和4所示)相对应地构造，其中带转子板或流动通道的剪切单元1由带挤出结构的剪切单元81代替。
如果具有挤出结构的剪切单元81用于在高粘度介质中分散颗粒，那么或者也可以通过料斗83输入来自储存容器的原材料，而将经输出通道7流出的、完成分散和调制的悬浮液输入另一储存容器。也可以将储存容器所含的悬浮液通过料斗83输入挤出结构，在这种情况下，部分已经分散的悬浮液在挤出结构内与原材料混合。或者也可以，在另一剪切单元内进一步调制悬浮液。
示例
对于以下例子采用含90％重量百分比的羰基铁粉、9.05％重量百分比的聚-α烯烃、0.45％重量百分比的改性凹凸棒石(Engelhard公司的Attagel50，由Akzo-Nobel公司的Arquad C2-75改性)和0.5％重量百分比的醇酸树脂的悬浮液。
对比示例
如图1所示的、缝隙高度2mm、转子板外径300mm的剪切单元在不施加磁场的情况下工作以调制含可磁化颗粒的悬浮液。转子板15的转速为400l/min。施加在含可磁化颗粒的悬浮液上的剪切应力为1.1Kpa，剪切率为6283l/s。在希望的能量输入为3e10J/m3时，对于10升的悬浮液体积需22.8小时的调制时间。
示例1
为对比例中的剪切单元施加0.5T的磁场。转子板以35l/min的转速工作。在550l/s的剪切率下对含可磁化颗粒的悬浮液施加25.4Kpa的剪切应力。对于10升的产品体积、在11小时的调制时间后实现3e10J/m3的能量输入。可以看到，对于相同的能量输入，通过施加磁场可以在剪切率显著降低的情况下实现剪切时间的明显缩短。
示例2
采用图1所示的剪切单元。转子板的外径为150mm，缝隙高度为1mm。转子板以35l/min的转速工作。在550l/s的剪切率下、对流过缝隙的含可磁化颗粒的悬浮液作用25.5Kpa的剪切应力。在体积流量为0.11l/h而含可磁化颗粒的悬浮液的总体积为10升的情况下，为了达到3e10J/m3的能量输入需87.7小时的调制时间。
如果如示例1和2中进行地、在存在磁场的情况下进行调制，那么在储存20天后发现用于再分散的功减小5倍。
示例3
在图3所示的流动通道内进行调制。为此采用缝隙高度2mm、长度1200mm的流动通道。由包围缝隙的磁体产生的磁场(强度)约为0.5T。为了实现3e10J/m3的能量输入，含可磁化颗粒的悬浮液必须在300bar的压降下流过该通道1000次。而在仅30bar的压降下必需的穿流次数为10000次。
在缝隙宽度为20mm、高度为2mm、通道长度为1200mm的情况下，对于24小时10升的总体积流量在1000次穿流缝隙的情况下，剪切率为8700l/s。
示例4
采用一剪切单元，该剪切单元与图1所示的剪切单元的不同在于，转子板位于两个平行设置的定子板之间。也就是说，这个剪切单元具有两个剪切缝隙，一个在转子板上方，另一个在转子板下方。转子板和定子板同轴设置，通过两个(分别)设置在定子板上方和下方的永磁体或电磁铁，来向剪切缝隙中引入磁场。所述定子板具有供驱动轴穿过以(连接)到转子板上的中央孔。定子板的最大直径40mm，转子板的半径19mm。在驱动轴的区域内，转子板抵靠定子板密封并支承。因此，得到的剪切缝隙的最小半径5mm、最大半径19mm。剪切缝隙的高度皆为1mm。通常剪切单元以100转/分的转速运行。由此在缝隙内的最大剪切率为200l/s。磁流变液体在该单元内在所得的0.9Nm的力矩下被剪切，该力矩在转子轴上测量。密封件的磨擦力矩已被考虑到。在给定的转速和所得的力矩下，在1.8小时后得到特定的能量输入3e10J/m3。在这种情况下，功率输入为10瓦特。为调制更大的体积，以相应(更大)的频率填充剪切单元。
如果如示例4那样、在存在磁场的情况下进行调制，发现在20天的储存时间后，用于再分散的工作减小5倍。
附图标记列表
1剪切单元                    3缝隙
5输入通道                    7输出通道
9第一板件                    11第二板件
13定子板                     15转子板
17定子板的表面               19转子板的表面
21转子轴                     23旋转轴线
25壳体                       27开口
29密封件                     31第二密封件
33第一磁轭                   35第二磁轭
37储存容器                   39输入管路
41回流管路                   43泵
45流动通道                   47输入通道
49输出通道                   51侧壁
61带柱形几何结构的剪切单元   63固定的壳体
67轴                         65筒体
71密封件                     69磁场
75筒体的上端面               73筒体的端面
79开口                       77间隙
83料斗                       71具有挤出结构的剪切单元
85壳体                       87挤出螺杆

Claims (19)

1.一种用于调制含可磁化颗粒的悬浮液的方法，在所述方法中引导含可磁化颗粒的悬浮液穿过一缝隙(3)以使含可磁化颗粒的悬浮液被剪切，在所述缝隙(3)内施加磁场以使含可磁化颗粒的悬浮液在存在磁场的情况下被剪切。
2.根据权利要求1的方法，其特征为：所述磁场的强度能被调节。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征为：所述缝隙(3)由至少两个相对运动的表面界定。
4.根据权利要求3的方法，其特征为：所述缝隙(3)由一定子板(13)和一绕中央旋转轴线(23)旋转、与该定子板(13)对置的转子板(15)界定；或者，所述缝隙(3)由一能旋转的筒体(65)和一包围该能旋转的筒体(65)的、固定的壳体(63)界定。
5.根据权利要求1至4中任一项的方法，其特征为：所述含可磁化颗粒的悬浮液含有基液、可磁化颗粒以及可能含有的添加剂。
6.根据权利要求5的方法，其特征为：所述含可磁化颗粒的悬浮液至少含有相对于悬浮液总体积的体积百分比为15％的可磁化颗粒。
7.根据权利要求1至6中任一项的方法，其特征为：所述可磁化颗粒是羰基铁粉末。
8.根据权利要求4至7中任一项的方法，其特征为：所述基液是聚α-烯烃。
9.根据权利要求1至8中任一项的方法，其特征为：在存在磁场的情况下进行剪切前，在一分散步骤中使所述可磁化颗粒、聚合物、溶剂和可能含有的添加剂相互混合成含可磁化颗粒的悬浮液。
10.一种用于调制含可磁化颗粒的悬浮液的设备，包括至少一个缝隙(3)，该缝隙被含可磁化颗粒的悬浮液穿流从而对该含可磁化颗粒的悬浮液施加剪力，其特征为：所述设备还包括至少一个用于在所述至少一个缝隙(3)内产生磁场的磁体。
11.根据权利要求10的设备，其特征为：所述磁体是电磁铁。
12.根据权利要求10或11的设备，其特征为：所述至少一个缝隙(3)由能相对运动的板件(9、10)界定以对含可磁化颗粒的悬浮液施加剪力。
13.根据权利要求12的设备，其特征为：所述能相对运动的板件中的至少一个(11)是转子板(15)，该转子板能绕一中央旋转轴线(23)旋转。
14.根据权利要求13的设备，其特征为：与所述转子板(15)相对地设置一定子板(13)，使得所述缝隙(3)由所述转子板(15)和所述定子板(13)界定。
15.根据权利要求13的设备，其特征为：与所述转子板(15)相对地设置一另外的转子板，使得所述缝隙由所述两个相对的转子板界定。
16.根据权利要求14或15的设备，其特征为：所述转子板(15)以及所述定子板(13)或所述另外的转子板分别具有平面的、平面的和锥形的板件表面，或者分别具有锥形的板件表面(17、19)。
17.根据权利要求10或11的设备，其特征为：所述至少一个缝隙(3)是被含可磁化颗粒的悬浮液穿流的流动通道(45)。
18.根据权利要求10至17中任一项的设备，其特征为：所述缝隙(3)的高度在0.2mm至10mm的范围内。
19.根据权利要求10至18中任一项的设备，其特征为：所述设备还包括一冷却系统，通过该冷却系统排出在剪切时产生的热。
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