CN1024099C

CN1024099C - 电流变流体

Info

Publication number: CN1024099C
Application number: CN 92101965
Authority: CN
Inventors: 杨继斌; 温诗铸
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1992-03-26
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1994-03-30
Anticipated expiration: 2007-03-26
Also published as: CN1064304A

Abstract

一种用于主动减振、润滑、密封、力矩传递和液压控制等的电流变流体，它包括一种电绝缘的液体作为连续相，一种孔状的铝硅酸盐固体颗粒作为分散相。这种分散相中可包含有过渡金属阳离子，特别是IB族金属。在流体成分中，至少有一种物质选自多元醇或水或它们的混合物；至少还有一种物质选自酸、碱、盐或氨基酸或它们的混合物。本发明还包括制备这些材料的工艺过程，并且流体可在较大的温度范围内(-20℃～150℃)和较高剪切率情况下(0～68001/S)长时期稳定。

Description

本发明涉及一种用于主动减振、润滑、密封、力矩传递、液压控制等的电流变流体，属基本电气元件技术领域。

已有的电流变流体，如美国专利4，772，407中报导的，在相同电场强度下屈服剪应力较低，最大屈服剪应力也只有2.4KPa，而且在温度升高时，性能不稳定。

本发明的目的就是针对目前应用的需要，研制一种电流变流体，其宏观粘度（或屈服剪应力）在电场作用下有巨大的变化，比以往电流变流体有很大的提高，在很大的温度范围及剪切率范围内流变特性长期稳定，电流变效应具有完全可重复性，造价低、无毒、无环境污染。

本发明的内容是电流变流体包括电绝缘的液体作为连续相，一种孔状的固体颗粒作为分散相。流体成分中至少有一种成分选自多元醇或水或它们的混合物;至少有一种成分选自酸、碱、盐或氨基酸或它们的混合物。这些连续相具有很广的范围，任何具有电绝缘特性的液体都可以使用，例如：矿物油及合成润滑油均可使用，特别是甲基硅油、变压器油、电缆油、双酯或机械油。它们在50℃时的粘度从5厘沲到300厘沲。

电流变流体中的分散相为孔状的固体颗粒，它们可以是硅胶、硅藻土、萄聚糖、纤维素、藻酸，特别是铝硅酸盐。这些铝硅酸盐选自沸石分子筛，特别是3A，4A，5A，13X，ZSM-5，NaY，人造沸石或天然沸石，这些孔状固体颗粒的直径为10纳米至200微米，特别是10至30微米。它们占整个流体重量的0.1%至50%。如果重量百分比小于0.1%，电流变效应就会很低;如果重量百分比大于50%，其分散性常常很差。

电流变流体成分中有一种成分选自酸、碱、盐或氨基酸或它们的混合物，其中酸选自硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、醋酸、高氯酸、铬酸、甲酸、丙炔酸、丁酸、异丁酸、戌酸和丙二酸。其中的碱选自NaOH，KOH，Ca（OH）₂，Na₂CO₃，NaHCO₃，K₃PO₄，Na₃PO₄，苯胺，烷基胺或2-二羟基乙胺。其中的盐由金属与碱和酸组成，它们常常溶于多元醇或水或其混合物中而使用。例如，这些盐可选自LiCl，NaCl，MgCl₂，CaCl₂，BaCl₂，LiBr，NaBr，MgBr，LiI，NaI，KI，AgNO₃，Ca（NO₃）₂，NaNO₂，NH₄NO₃，K₂SO₄，Na₂SO₄，NaHSO₄，（NH₄）₂SO₄以及甲酸、醋酸、草酸和琥珀酸的碱金属盐。其中的氨基酸可以是任何一种。

这些酸、碱、盐或氨基酸或它们的混合物占整个流体重量的0.01%至5%，特别是0.1%至2%。如果含量低于0.01%，则电流变效应应下降;如果含量高于5%，则流过电流变流体的电流将增加，从而增加能量的消耗。

电流变流体成分中有一种成分选自多元醇或水或它们的混合物。在无水情况下其高温（150℃）电流变效应较好。在本发明中，多元醇常常采用二元醇或三元醇，例如它们可选自乙二醇，丙三醇，丙二醇，丁二醇，己二醇，二甘醇和三甘醇。这一成份的含量为分散相重量的1%至30%，特别是2%至15%。如果含量低于1%，则电流变效应下降;如果含量高于30%，则电流增大。

电流变流体还可以包含有分散剂，用以阻止多相液体分相，使混合均匀，电流变效应重复性好。这种分散剂为非离子型分散剂，它们可选自硫酸盐、石丁酸盐、磷酸盐、琥珀酰胺或琥珀酰亚胺，特别地，这些分散剂选自硫酸镁，硫酸钙，石碳酸钙，磷酸钙，聚丁烯琥珀酰胺，单油酸山梨醇或二分之三油酸山梨醇，分散剂占整个流体重量的百分比为0.1%至10%。当然，如果多相流体能很好地混合，则分散剂并不是必须的。

电流变流体，其分散相还可选自带有过渡金属阳离子的硅酸盐，特别地这些金属阳离子选自IB族金属。例如：镧Ⅲ、镁Ⅱ、钴Ⅱ、镍Ⅱ、铜Ⅱ或它们的混合物。特别是镧Ⅲ、钴Ⅱ或铜Ⅱ或它们的混合物对提高电流变流体的屈服剪应力大有益处，并且在较大的温度及剪切率范围内长期稳定。

在前述的各种沸石分子筛中，金属离子是可以交换的，所以采用离子交换的方法就可以把其中的金属离子置换成过渡金属阳离子，特别是La（Ⅲ），Co（Ⅱ）或Cu（Ⅱ）或它们兼而有之。

本发明中电流变流体分散相中的金属阳离子占分散相重量的百分比为1%至50%，特别是5%至30%。

在进行金属离子置换时，可以使用气体或液体或它们的混合物或溶液，它们可以是离子型的，也可以是非离子型的。

通常情况下这些置换物可以是单体，也可以是它们的非离子盐溶液。例如，含有有上述金属阳离子的盐可以以硫酸盐、盐酸盐、磷酸盐或硝酸盐溶液的形式进行置换。

下面用实例和附图对本发明加以说明。

图1为RV20型流变仪（Haake，德国）的示意图，用它来测试施加直流电场前后本发明的电流变流体的屈服剪应力以及在不同剪切率和不同温度下的电流变特性。

附图说明：

图1：流变仪的工作原理图

图2～图15：实施例1～8的各种测试结果

流变仪的工作原理如下：如图1所示，自动控温仪21自动控制调温油箱20的温度，从而自动控制被测电流变流体17的温度;间隙调节器22用来调整旋转测头10与固定测头18之间的间隙;旋转测头10上部的圆环槽内装有导电液11，通过电极12将高压电源1的直流正极引入旋转测头10，引线2将高压电源1的直流负极引入固定测头18，从而在两侧头10，18之间形成给定的电场强度。绝缘轴套9及绝缘层19用以将电压信号与上下两部分隔离。测量时，由计算机13通过RV20测量仪14和控制器15来自动控制电机6的转速，然后力矩传感器7通过控制器15将数据送入计算机13进行处理，最后由打印机16输出。其它元件如下：3-电极12的夹具;4-绝缘夹层;5-支架;8-电机轴;23-底座。该流变仪的剪应力测量误差为0.1Pa，测量用样品量少于5毫升。

以下按本发明配制一系列电流变流体。

例1

NaY型沸石分子筛，水悬浮法去掉杂质，颗粒直径2nm至20μm，真空蒸干（-0.1MPa，100℃）96小时。以下所述NaY分子筛的重量均为蒸干后的重量。

取8克氯化钾，溶于20毫升去离子水中，再溶入10克丙三醇，充分混匀。将160克NaY分子筛与以上混合物充分搅拌，真空蒸干（-0.1MPa，100℃）72小时。

以上混合物作为分散相，取50＃二甲基硅油作为连续相，按重量百分比（分散相/连续相）5%，10%，20%，30%，40%混合。RV20流变仪（图1）测试电流变特性（20℃，100℃）。图2给出了测量结果。纵坐标为静态屈服剪应力（千帕，KPa），横坐标为外加直流电场强度（兆伏·米^-1，MV/m）。

例2

其它条件不变，将氯化钾改为碘化钾。

图3给出了测量结果。

例3

其它条件不变，将氯化钾改为季戌四醇，结果如图4所示。

例4

其它条件不变，将氯化钾改为L-谷氨酸钠，结果如图5所示。

例5

其它条件不变，将氯化钾改为甘氨酸，结果如图6所示。

例6

取100克NaY分子筛，加入1000毫升（0.5M）硝酸镧溶液中，充分搅拌48小时，然后用去去年离子水清洗数次，真空抽干（-0.1MPa，100℃）72小时，常压下200℃加热2小时。

取2克丙三醇溶于15毫升水，加入以上混合物，真空抽干（-0.1MPa，100℃）96小时，过筛，使颗粒直径小于30微米，所得产物作为分散相。

50＃机械油加入5%重量的聚丁烯琥珀酰亚胺，将其作为连续相。

按重量百分比（分散相/连续相）5%，10%，20%，30%，40%混合，RV20流变仪测试电流变特性（20℃，100℃）。结果如图7所示。

例7

其它条件均与例6同，将0.5M硝酸镧溶液改为2M氯化钴溶液。图8给出测试结果。

例8

将例6中0.5M硝酸镧溶液改为2M硫酸铜溶液，并且最后在常压下115℃加热24小时，图9给出测试结果。

为了节省篇幅，其它相关结果仅以例4和例6为例给出结果。

图10给出了例4和例6在100℃，重量百分比30%时的屈服剪应力结果。

图11和图12给出了例4和例6中相对应的电流强度与电场强度的关系。纵坐标为电流强度（毫安·米^-2，mA/m²），横坐标为电场强度（MV/m）。

图13和图14给出了例4和例6在不同剪切率情况下的电流变效应（电场强度E＝1MV/m，重量百分比40%）。纵坐标剪应力（Pa），横坐标为剪应变（1/S）。

图15给出了例6中，重量百分比为30%，无外加电场时流体的流变特性。

以上所有测量的重复性误差小于1.5%。大部分流体均做过240小时以后的重复试验，误差最大为4%。

Claims

1、一种电流变流体，其特征在于电流变流体由四种成分组成，一种是电绝缘的液体作为连续相，占流体重的50%～99.9%；一种是孔状的固体颗粒作为分散相，占流体重量的0.1%～50%；一种是多元醇、水以及它们的混合物中的任意一种，占分散相重量的1～30%；一种是酸、碱、盐、氨基酸以及它们的混合物中的任意一种，占流体重量的0.01～5%。

2、一种如权利要求1所述的电流变流体，其特征在于其中所述的电绝缘液体是甲基硅油、变压器油、电缆油、双酯以及机械油中的任意一种，所述的任意一种电绝缘液体，在50℃时的粘度为5～300厘沲。

3、一种如权利要求1所述的电流变流体，其特征在于其中所述的孔状固体颗粒是沸石分子筛。

4、一种如权利要求3所述的电流变流体，其特征在于其中所述的沸石分子筛是3A，4A，5A，13X，ZSM-5，NaY，人造沸石和天然沸石中的任意一种，颗粒尺寸为20纳米～200微米。

5、一种如权利要求1所述的电流变流体，其特征在于其中所述的孔状固体颗粒是带有IB属金属阳离子的沸石分子筛。

6、一种如权利要求5所述的电流变流体，其特征在于其中所述的IB属金属是La（Ⅲ），Mg（Ⅱ），Co（Ⅱ），Ni（Ⅱ），Cu（Ⅱ）以及它们的混合物中的任意一种。

7、一种如权利要求1所述的电流变流体，其特征在于其中所述的酸是硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、醋酸、高氯酸、铬酸、甲酸、丙炔酸、丁酸、异丁酸、戌酸、草酸和丙二酸中的任意一种。

8、一种如权利要求1所述的电流变流体，其特征在于其中所述的碱是NaOH，KOH，Ca（OH）₂，Na₂CO₃，NaCO₃，NoHCO₃K₃PO₄，Na₃PO₄，苯胺，烷基胺以及乙-二羟基乙胺中的任意一种。

9、一种如权利要求1所述的电流变流体，其特征在于其中所述的盐是LiCl，NaCl，MgCl₂，CaCl₂，BaCl₂，LiBr，NaBr，MgBr，LiI，NaI，KI，AgNO₃，Ca（NO₃）₂，NaNO₂，NH₄NO₃，K₂SO₄，Na₂SO₄，NaHSO₄，（NH₄）₂SO₄以及甲酸、醋酸、草酸、琥珀酸的碱金属盐中的任意一种。

10、一种如权利要求1所述的电流变流体，其特征在于其中所述的多元醇是乙二醇、丙三醇、丙二醇、丁二醇、己二醇、二甘醇以及三甘醇中的任意一种。

11、一种如权利要求1所述的电流变流体，其特征在于所述的电流变流体还包含有分散剂，所述的分散剂是硫酸镁、硫酸钙、石碳酸钙、磷酸钙、聚丁烯琥珀酰胺、单油酸山梨醇以及二分之三油酸山梨醇中的任意一种，所述的分散剂占流体重量的百分比为0.1～10%。