CN102876428B - 一种以中空钴微粒为分散相的磁流变液 - Google Patents
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Abstract
一种以中空钴微粒为分散相的磁流变液，属于功能材料技术领域。其特征是分散相为中空钴微粒，采用水热法制备，成分为纯钴，粒径在1~20μm，呈中空结构，占磁流变液体积分数为5%~50%；分散介质为非极性、低挥发的有机液体，占磁流变液体积分数为50%~95%；除分散相及分散介质外，磁流变液中不含其它添加组分。本发明的效果和益处是中空钴微粒磁性能较高而密度较低，以其为分散相的磁流变液兼具较高的场致剪切屈服强度和优良的沉降稳定性，且不含任何添加剂，具有制备简单，温度稳定性好，无毒、无污染等优点。
Description
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种以中空钴微粒为分散相的磁流变液。
背景技术
磁流变液是一种新型的功能材料，它是以纳米级或微米级的软磁性颗粒为分散相，以油或水为分散介质制备而成的悬浮液。在外加磁场的作用下，磁流变液能产明显的磁流变效应：软磁颗粒在磁场作用下磁化后沿磁场方向形成链状或柱状结构，使磁流变液由牛顿流体转变为具有一定剪切屈服强度的宾汉姆流体，当磁场去除后软磁颗粒退磁，链状或柱状结构瓦解恢复到原来的牛顿流体状态。磁流变效应的宏观表现是磁流变液的粘度及剪切屈服强度可通过磁场迅速、可逆地调节。利用磁流变液的这一智能特性可制成适用于航空航天、机械工程、汽车行业、建筑工程、医疗器械等领域的智能器件，包括阻尼器、离合器、变速器、减振器等。
现有的磁流变液采用的分散相一般是微米级的羰基铁粉，其密度较大；而常用的分散介质是硅油，其密度较小。分散相与分散介质间的密度差较大，易引起分散相颗粒的沉降，从而影响磁流变液在长期工作中的稳定性。事实上，因分散相颗粒密度较大而导致的沉降问题是制约磁流变液广泛应用的主要障碍。
为了解决磁流变液的沉降问题，研究人员采用了不同的办法，其中，加入添加剂是最常用的手段。申请号为02133821.3的发明专利公开了一种稳定型磁流变液及制备方法，在羰基铁粉磁流变液中添加了无机触变剂和表面活性剂；申请号为200510024049.1的发明专利公开了一种以碳纳米管作为抗沉降剂的高性能磁流变液及其制备方法，其原料组分包括磁性颗粒、基载液、聚合物添加剂、润滑剂和抗沉降剂；申请号为200610124728.0的发明专利公开了一种稳定的硅油基磁流变液及其制备方法，所采用的分散相为螯合型表面活性剂/羰基铁核壳型磁性复合粒子，添加剂包括触变剂、抗氧化剂、抗磨剂和表面活性剂；申请号为200610124727.6的发明专利公开了一种稳定的水基磁流变液及其制备方法，其分散相为羰基铁粉、还原铁粉、铁钴合金或铁氧体粒子，添加剂包括触变剂、抗氧化剂、抗磨剂、表面活性剂和pH值调节剂等。上述在磁流变液中加入添加剂的方法虽然都在一定程度上提高了磁流变液的沉降稳定性，但这些添加剂大部分对温度敏感，从而影响磁流变液的温度稳定性；此外，大部分添加剂都是合成的化工产品，或有毒或价格昂贵，在磁流变液废弃后还会对环境带来危害。
提高磁流变液沉降稳定性的另一个办法是以复合磁性颗粒为分散相制备磁流变液，其机理在于，通过将羰基铁粉等磁性颗粒与聚合物或其它粒子复合，可以降低分散相的密度。申请号为200410025335.5的发明专利公开了一种在磁性颗粒表面交联高分子化合物，以提高磁流变液稳定性的方法；申请号为200410067824.7的发明专利公开了一种基于碳纳米管的磁流变液用轻质磁性复合微粒及其制备方法，所采用的分散相为表面包覆四氧化三铁的碳纳米管复合颗粒；申请号为200410084318.9的发明专利公开了一种采用聚苯乙烯微球制备磁流变液用空心磁性复合微粒的方法，所采用的分散相为表面包覆四氧化三铁的空心聚苯乙烯；申请号为200410060854.5的发明专利公开了一种亲水性聚合物包裹的磁性粒子及其制备方法以及由其组成的水基磁流变液；申请号为200510111827.0的发明专利公开了一种磁流变液用软磁性复合微粒及其制备方法，即采用化学气相沉积聚合的方法在铁粉等软磁性颗粒表面包覆一层聚对苯基二亚甲基或其衍生物的超薄涂层。上述以复合磁性颗粒为分散相的磁流变液虽然具有较好的沉降稳定性，但由于引入了非磁性成分，导致复合颗粒的磁性能下降，因此其磁流变效应降低；此外，复合磁性颗粒的制备工艺较为复杂，且难以保证颗粒性能的均匀性。
综上，现有的提高磁流变液沉降稳定性的方法均存在缺点，亟需开发一种不需复合或外加添加剂、且沉降稳定性较好的磁流变液。
发明内容
本发明的目的是提供一种以中空钴微粒为分散相的磁流变液，其颗粒不与任何非磁性组分复合，也不加入任何添加剂，仅依靠颗粒的中空结构减小分散相与分散介质的密度差，从而改善磁流变液的沉降稳定性。
为实现上述目的，本发明通过水热法制备具有中空结构的钴微米颗粒，其磁性能与羰基铁粉接近；以这种中空钴微粒为分散相，以硅油为分散介质，制备一种不含添加剂的磁流变液。
本发明的技术方案如下：以中空钴微粒为分散相的磁流变液，其特征在于：分散相颗粒为中空钴微粒，占磁流变液体积的5%~50%，分散介质占磁流变液体积的50%~95%，除分散相及分散介质外，不含任何其它添加组分。
所述的分散介质为非极性、低挥发、不含水份的液体，包括硅油、矿物油、植物油、液压油等中的一种或几种混合物，首选室温粘度为10~500mPa·S的二甲基硅油。
所述的中空钴微粒成分为纯钴，其X射线衍射谱图见附图1；微粒呈中空结构，粒径为1~20微米，其形貌见附图2和附图3。
所述的中空钴微粒采用水热法制备，制备中空钴微粒的反应物包括钴盐、还原剂及表面活性剂。
所述的钴盐为醋酸钴或氯化钴中的一种。
所述的还原剂为水合肼。
所述的表面活性剂为聚氧乙烯月桂醚或聚乙烯吡咯烷酮中的一种。
所述的水热法制备步骤如下：
（1）配制前驱液：以去离子水为溶剂，按钴盐浓度0.05~0.2mol/L、还原剂浓度2~8mol/L、表面活性剂浓度5.15×10-4~1.03×10-3mol/L配制混合液，磁力搅拌0.5~1小时；
（2）水热反应：将前驱液转入反应釜，反应温度为160~180℃，保温时间为18~36小时。将反应所得的黑色粉末用无水乙醇清洗数次，干燥收集。
所述的以中空钴微粒为分散相的磁流变液，在少量制备时，只需将中空钴微粒与分散介质混合，充分搅拌即可；在大量制备时，先将中空钴微粒与分散介质混合搅拌，然后转入球磨机球磨3~5小时。
本发明的效果和益处是所采用的中空钴微粒具有与羰基铁粉相近的磁性能，但密度较羰基铁粉小，因而以中空钴微粒为分散相的磁流变液兼具较高的场致剪切屈服强度和优良的沉降稳定性；此外，该磁流变液不含任何添加剂，具有制备简单，温度稳定性好，无毒、无污染等优点。
附图说明
图1是中空钴微粒X射线衍射谱图。
图2是中空钴微粒形貌SEM图。放大倍数为1000倍。
图3是中空钴微粒形貌SEM图。放大倍数为3500倍。
图4是中空钴微粒体积分数为12%的磁流变液剪切屈服强度与磁场强度关系曲线图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例一：
以中空钴微粒和分散相的磁流变液各组分体积百分数如下：中空钴颗粒8%，室温粘度为500mPa·S的二甲基硅油92% 。将二者混合充分搅拌研磨，制备成磁流变液。其中，中空钴颗粒的制备方案为：配制氯化钴（CoCl2·6H2O）浓度0.1mol/L、水合肼（N2H4·H2O）浓度6mol/L、聚氧乙烯月桂醚（Brij30）浓度5.15×10-4mol/L的前驱液，磁力搅拌1小时后转入反应釜中在180℃下保温24小时，用无水乙醇清洗反应产物，干燥收集。所得的磁流变液零场粘度为5.2Pa·S，在250kA/m的磁场强度下剪切应力达到21kPa，静置3个月后的沉降率为26%，而相同体积分数的羰基铁粉磁流变液沉降率达到49%。
实施例二：
以中空钴微粒和分散相的磁流变液各组分体积百分数如下：中空钴颗粒12%，室温粘度为500mPa·S的二甲基硅油88% 。将二者混合充分搅拌研磨，制备成磁流变液。其中，中空钴颗粒的制备方案为：配制氯化钴（CoCl2·6H2O）浓度0.2 mol/L、水合肼（N2H4·H2O）浓度8mol/L、聚氧乙烯月桂醚（Brij30）浓度1.03×10-3mol/L的前驱液，磁力搅拌1小时后转入反应釜中在180℃下保温24小时，用无水乙醇清洗反应产物，干燥收集。所得的磁流变液零场粘度为10Pa·S，在250kA/m的磁场强度下剪切应力达到56kPa，其剪切应力随磁场强度变化曲线如附图4所示。静置3个月后的沉降率为11%，而相同体积分数的羰基铁粉磁流变液沉降率达到35%。
Claims (2)
1.一种以中空钴微粒为分散相的磁流变液，其特征在于：分散相颗粒为中空钴微粒，占磁流变液体积的5%~50%；分散介质占磁流变液体积的50%~95%，除分散相及分散介质外，不含任何其它添加组分；所述的中空钴微粒采用水热法制备，制备中空钴微粒的反应物包括钴盐、还原剂及表面活性剂；该中空钴微粒成分为纯钴，呈中空结构，粒径为1~20微米；所述的分散介质为各种硅油、液压油及矿物油中的一种，室温粘度为10~500mPa·S。
2.根据权利要求1所述的一种以中空钴微粒为分散相的磁流变液，其特征在于：制备中空钴微粒的钴盐为醋酸钴或氯化钴中的一种；制备中空钴微粒的还原剂为水合肼；制备中空钴微粒的表面活性剂为聚氧乙烯月桂醚或聚乙烯吡咯烷酮中的一种。
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2012
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