CN102737803B - 相变型磁流变材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变型磁流变材料及其制备方法，包括基体材料、磁性颗粒、表面活性剂以38.2－69.1：30－60：0.9－1.8的质量份混合，基体材料包括石蜡与白凡士林以1.5∶1－1∶1.5的质量比混合，磁性颗粒为羰基铁粉。兼具高的磁致效应和高稳定性，在室温下，该种材料具有非溶剂型磁流变弹性体的物理特性，在稍高的温度时（50℃附近），由于基体材料的相变特性，材料由粘塑性状态转化成流体状态，具有典型的磁流变液的特征，即可以随温度变化在磁流变液和磁流变弹性体之间自由转换。

Description

相变型磁流变材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种智能材料技术，尤其涉及一种相变型磁流变材料及其制备方法。

背景技术

磁流变材料是当前智能材料研究领域的一个重要分支，通常是由磁性分散相颗粒（μm级）、基体和添加剂等均匀混合而成。在施加外磁场后，该种材料的机械性能（流变性能或粘弹性能等）会迅速发生显著且可逆的变化。基于这一特性，自20世纪40年代末J.Rabinow首先发现磁流变液以来，这种智能材料引发了新的研究热潮并被广泛应用在工程和生物医学等领域。当前磁流变材料主要包括磁流变液、磁流变胶和磁流变弹性体三大种类，各类磁流变材料均具有磁场可控的力学性能，同时也有其独特之处。三者最主要的区别在于基体材料不同，磁性颗粒、基体以及颗粒与基体之间的相互作用都会影响材料的性能，在优化磁性颗粒的含量、改变颗粒在基体中的分布情况、增强颗粒与基体之间的相容性等方面，人们已经做了大量的研究工作，在改善基体的性能方面同样如此。

基体本身的属性在很大程度上影响着磁流变材料的力学性能，目前，基于液态载液为分散介质的磁流变液在外加磁场下具有很高的磁流变效应，可满足实际工程应用的需求，但颗粒与载液之间大的密度差易导致磁性颗粒沉降，难以同时兼顾高的磁致效应和高稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种兼具高的磁致效应和高稳定性的相变型磁流变材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的相变型磁流变材料，包括基体材料、磁性颗粒、表面活性剂，所述基体材料包括石蜡与白凡士林以1.5∶1-1∶1.5的质量比混合，所述磁性颗粒为羰基铁粉，所述表面活性剂为以下任一种或多种：硬脂酸、油酸、硬脂酸钠、聚乙二醇、硅烷偶联剂、吐温；

所述基体材料、磁性颗粒、表面活性剂按以下质量份配比：

基体材料：38.2－69.1份；

磁性颗粒：30－60份；

表面活性剂：0.9－1.8份。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的相变型磁流变材料，由于包括基体材料、磁性颗粒、表面活性剂以38.2－69.1：30－60：0.9－1.8的质量份混合，基体材料包括石蜡与白凡士林以1.5∶1－1∶1.5的质量比混合，磁性颗粒为羰基铁粉，兼具高的磁致效应和高稳定性，在室温下，该种材料具有非溶剂型磁流变弹性体的物理特性，在稍高的温度时（50℃附近），由于基体材料的相变特性，材料由粘塑性状态转化成流体状态，具有典型的磁流变液的特征，即可以随温度变化在磁流变液和磁流变弹性体之间自由转换。

附图说明

图1为本发明的实施例中50wt％样品的差示扫描量热曲线（DSC）；

图2为本发明的实施例中不同铁粉含量的样品储能模量（G′）随磁场强度的变化曲线；

图3为本发明的实施例中不同铁粉含量的样品储能模量随应变（γ）的变化关系曲线；

图4为本发明的实施例中不同温度下，30wt％样品储能模量随磁场强度的变化关系曲线；

图5a、图5b为本发明的实施例中50℃时，50wt％样品的流变特性曲线，其中：

图5a为剪切应力随剪切速率的变化关系曲线；

图5b为粘度随剪切速率的变化关系曲线；

图6为本发明的实施例中不同温度下50wt％样品的剪切应力随磁场强度变化的关系曲线。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的相变型磁流变材料，其较佳的具体实施方式是：

包括基体材料、磁性颗粒、表面活性剂，所述基体材料包括石蜡与白凡士林以1.5∶1－1∶1.5的质量比混合，所述磁性颗粒为羰基铁粉，所述表面活性剂为以下任一种或多种：硬脂酸、油酸、硬脂酸钠、聚乙二醇、硅烷偶联剂、吐温；

所述基体材料、磁性颗粒、表面活性剂按以下质量份配比：

基体材料：38.2－69.1份；

磁性颗粒：30－60份；

表面活性剂：0.9－1.8份。

所述羰基铁粉的平均粒径为0.1－50μm。

本发明的上述的相变型磁流变材料的制备方法，其较佳的具体实施方式包括以下步骤：

将基体材料和表面活性剂按照上述质量称量后，加入容器中加热融化，并搅拌使其混合均匀；

按照上述用量称取羰基铁粉，加入所述容器中；

停止加热，并持续搅拌至物料冷却至室温，固化后的物料即为制得的相变型磁流变材料。

所述加热融化的加热温度为80℃。

本发明的相变型磁流变材料，兼具高的磁致效应和高稳定性，在室温下，该种材料具有非溶剂型磁流变弹性体的物理特性，在稍高的温度时（50℃附近），由于基体材料的相变特性，材料由粘塑性状态转化成流体状态，具有典型的磁流变液的特征，即可以随温度变化在磁流变液和磁流变弹性体之间自由转换。

本发明中：

磁性颗粒：本发明选用羰基铁粉作为磁性分散相，该种磁性颗粒与其他粉体相比，具有更高的纯度和饱和磁化强度，以其制备的磁流变材料具有更高的磁流变特性；

基体：本发明选用石蜡（或微晶蜡）和白凡士林的混合物作为基体，该种基体在室温下呈粘弹性固态，其相变温度为49.78℃，超过相变温度，基体即发生液化，是一种典型的相变型基体材料。另外，该种基体材料无毒无污染，一定温度下，暴露在空气中可长期保持稳定的物理状态，可以作为磁流变材料的理想基体；

表面活性剂：本发明选用的表面活性剂分子的极性基团与磁性颗粒表面结合，非极性基团分散在基体中，可以提高磁性颗粒与基体的相容性，改善材料的磁流变性能。

与现有的磁流变材料相比，本发明的优点在于：

本发明是一种多功能的相变型磁流变材料，可以随温度变化在磁流变弹性体和磁流变液之间自由转换。材料的相变温度适中，低于相变温度材料为磁流变弹性体，表现出可控且很高的磁致模量，室温下50wt％的样品相对磁流变效应可达305％；温度超过相变温度后，材料变为磁流变液，表现出很高的磁流变效应。在高于相变温度的条件下使用后，只要将材料冷却至室温，便不存在磁性颗粒的沉降问题。

具体实施例1：

取下列质量分数的原料：

羰基铁粉(平均粒径3.5μm)：30％；

表面活性剂：0.9％

石蜡：34.55％

凡士林：34.55％

本发明所涉及材料的制备步骤如下：

将上述质量的石蜡、白凡士林、表面活性剂加入锥形瓶中，加热到80℃使三种物质完全融化，并搅拌使混合均匀；

称取上述质量的羰基铁粉，加入锥形瓶中；

停止加热，并持续搅拌至体系冷却至室温，体系固化后取出样品，清洗实验器材并干燥。

本发明磁流变材料基体的相变温度为49.78℃，温度适中、易达到，简单的加热即可实现相变，见图1；低于相变温度时，材料为磁流变弹性体，表现粘弹特性。在线性粘弹性范围内，材料的储能模量随着磁场强度的增加而增大，相同磁场强度下，储能模量随铁颗粒含量的增加而增大，当磁场强度为0.8T时，储能模量最高可达6.09MPa，磁致储能模量最高可达4.23MPa，相对磁流变效应高达427％，见图2；在线性粘弹性范围内，样品的储能模量基本上都不随应变变化，储能模量随铁颗粒含量的增加而增大，见图3；随温度升高，基体吸热，逐渐变软直至融化，材料的储能模量减小，超过50℃后其储能模量几乎不再随磁场强度的变化而变化，说明材料在高于50℃时已由磁流变弹性体转变为磁流变液，见图4；基体液化后的材料具有典型的磁流变效应，随磁场强度的增加，其剪切应力迅速增大2-3个数量级，并呈现明显的“剪切变稀”现象，50℃时，材料的剪切应力高达7.2kPa，见图5a、图5b；在50－80℃测试温度区间内，温度升高，相同条件下材料的剪切应力有所下降，但下降幅度不大，且在80℃时仍可高达5.93kPa，说明该材料在50－80℃温度区间内均可呈现高的剪切应力，可满足绝大多数工程应用的需求，见图6。

本发明所制备的磁流变材料在一定程度上克服了磁性颗粒沉降的困扰，室温下样品呈固态（a，c），铁颗粒均匀分散于其中，没有沉降现象。加热后基体发生相变，由固态变为液态，铁颗粒悬浮分散在其中，在持续的搅拌或振动下铁颗粒不会沉降，将样品瓶倾斜或倒置，并将样品逐渐冷却至室温，样品又固化(b，d)。因此这种相变型的磁流变材料在室温下为磁流变弹性体，呈固态，不会发生沉降，而温度超过相变温度，基体液化后样品变为磁流变液，由于在实际的使用过程中（如减震器、阻尼器等），磁流变液处于不断地被振荡或搅拌的状态，因而并不会发生沉降，在使用结束后只要将这种磁流变材料逐渐冷却至室温，就不会再发生沉降现象，因此可以说，这种相变型的磁流变材料在一定程度上解决了磁流变液的沉降问题。

具体实施例2：

取下列质量分数的原料：

羰基铁粉(平均粒径3.5μm)：40％；

表面活性剂：1.2％

石蜡：29.4％

凡士林：29.4％

其他同实施例1。

具体实施例3：

取下列质量分数的原料：

羰基铁粉(平均粒径3.5μm)：50％；

表面活性剂：1.5％

石蜡：24.25％

凡士林：24.25％

其他同实施例1。

具体实施例4：

取下列质量分数的原料：

羰基铁粉(平均粒径3.5μm)：60％；

表面活性剂：1.8％

石蜡：19.1％

凡士林：19.1％

其他同实施例1。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种相变型磁流变材料，其特征在于，包括基体材料、磁性颗粒、表面活性剂，所述基体材料包括石蜡与白凡士林以1.5:1－1:1.5的质量比混合，所述磁性颗粒为羰基铁粉，所述表面活性剂为以下任一种或多种：硬脂酸、油酸、硬脂酸钠、聚乙二醇、硅烷偶联剂、吐温；

所述基体材料、磁性颗粒、表面活性剂按以下质量份配比：

基体材料：38.2－69.1份；

磁性颗粒：30－60份；

表面活性剂：0.9－1.8份；

所述羰基铁粉的平均粒径为0.1－50μm。

2.一种权利要求1所述的相变型磁流变材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将基体材料和表面活性剂按照上述质量份配比称量后，加入容器中加热融化，并搅拌使其混合均匀；

按照上述质量份配比称取羰基铁粉，加入所述容器中；

停止加热，并持续搅拌至物料冷却至室温，固化后的物料即为制得的相变型磁流变材料。

3.根据权利要求2所述的相变型磁流变材料的制备方法，其特征在于，所述加热融化的加热温度为80℃。