CN103265994A - 一种基于多功能化离子液体的磁流变液及其制备方法 - Google Patents

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林远长
谷明信
何国田
王仲勋
陈希
朱晓强
徐泽宇
刘永福
赵健
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Abstract

本发明公开了一种基于多功能化离子液体的磁流变液，包括基液和分散相，所述分散相为粒径为微米或亚微米级的磁性颗粒，所述基液是离子液体，所述离子液体的阴离子或阳离子上具有疏水基团或亲水基团，所述磁流变液中离子液体的质量百分比为10-40%，磁性颗粒的质量百分比为60-90%。本发明在离子液体基液上引入疏水基团或亲水基团，使离子液体基磁流变液不需要特别加入添加剂就具有较好的性能，从而避免添加剂对磁流变液工作温度的限制，拓宽了磁流变液的使用温度范围；并且通过引入功能团简化了磁流变液的制备方法，节约了生产成本。

Description

一种基于多功能化离子液体的磁流变液及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种磁流变液，具体涉及一种基于离子液体的磁流变液及其制备方法。
背景技术
磁流变液（Magnetorheological Fluids，简称MRFs，以下部分将用MRFs代替磁流变液）作为一种新颖的智能材料，其流变学特性随着磁场的变化而变化。其基本特征是在不加磁场时，表现为牛顿流体；外加磁场时，可在瞬间（毫秒量级）由液态变成固体，其表观粘度增加几个数量级，具有一定的抗剪切屈服力，其性能随外加磁场的变化而变化，并且连续调控。磁流变液是由作为分散相的磁性颗粒；作为分散介质的载液；为改善磁流变性能而加入的添加剂，其中包括促进磁流变效应的表面活性剂和防止颗粒团聚和沉淀的稳定剂和保持良好在分散能力的触变剂。载液作为磁流变液的分散介质，是磁流变液的重要组成部分，它对磁流变液的性能有重要影响。载液的作用就是将磁性颗粒均匀的分散在磁流变液中，并保持低粘度的牛顿流体特性；外加磁场时磁性颗粒在载液中形成链化结构，产生抗屈服应力，表现为类固体特性。
磁流变效应是磁场作用下载液与磁性颗粒相互作用形成稳定悬浮体系的整体行为。目前常用的载液有水、矿物油、硅油、合成油和植物油等。现有的磁流变液载液存在着一些不足：含有添加剂使磁流变液的工作温度范围变窄，现行的磁流变液的制备方法复杂、成本较高、容易滋生细菌引起污染环境、不适用于真空与精确控制领域。
发明内容
针对现行磁流变液存在的问题，本发明的目的是提供一种不需要特别加入添加剂的离子液体基磁流变液，本发明还提供一种制备所述磁流变液的方法。
本发明公开了一种基于多功能化离子液体的磁流变液，包括基液和分散相，所述分散相是粒径为微米或亚微米级的磁性颗粒，所述基液是离子液体，所述离子液体的阴离子或阳离子上具有疏水基团或亲水基团。
进一步，所述离子液体的质量百分比为10-40%，磁性颗粒的质量百分比为60-90%。
进一步，所述离子液体的阳离子为1-乙基-3-甲基咪唑阳离子、1-丁基-3-甲基咪唑阳离子、1-辛基-3-甲基咪唑阳离子或1-己基-3-甲基咪唑阳离子。
进一步，所述疏水基团是直链烃基、支链烃基、芳香烃基、含氟链烃基或硅烷基。
进一步，所述亲水基团是羧基、羟基、醛基、酯基、硫酸基或氨基。
一种制备所述磁流变液的方法，包括以下步骤：
（1）制备磁性颗粒；
（2）在离子液体引入亲水或疏水基团；
（3）按比例量取磁性颗粒和含亲水或疏水基团的离子液体；
（4）将磁性颗粒倒入上述离子液体载液中，用砂磨分散搅拌机3000-5000转/分的转速下高速分散5-15小时，即配制成基于功能化离子液体的磁流变液。
进一步，所述磁性颗粒是硅包覆处理的羰基铁粉或表面磷化处理的铁钴合金颗粒，其质量百分比为70-80%，所述离子液体的质量百分比为20-30%。
本发明的有益效果在于：（1）通过在离子液体上引入具有添加剂功能的功能团，使离子液体基磁流变液不需要特别加入添加剂，使得添加剂对磁流变液工作温度的限制减少，拓宽了磁流变液的使用温度范围；（2）功能化后的离子液体基磁流变液不需要特别加入添加剂，从而简化了磁流变液的制备方法，节约了生产成本。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1：
本实施例中制备磁性颗粒质量百分比为80%，离子化液体质量百分比为20%，磁性颗粒为二氧化硅包覆处理的羰基铁粉颗粒，离子化液体为：
Figure BDA00003255338000021
其中X为卤素。
本实施例制备所述多功能化离子液体的磁流变液的方法，包括以下步骤：
（1）制备磁性颗粒：取五羰基铁粉高温分解得到羰基铁粉，研磨过滤得到直径为纳米或微米级羰基铁粉，接着用二氧化硅包覆处理得到羰基铁磁性颗粒。
（2）在离子液体引入亲水或疏水基团：
第一步，利用咪唑作为反应原料与含碳氢长链卤代烷烃反应，在一定条件下反应制备中间体，中间体合成路线为：
Figure BDA00003255338000031
第二步，利用中间体与卤代乙醇合成含羟基的离子液体，羟基离子液体合成路线：
Figure BDA00003255338000032
其中X为卤素；
（3）按照上述比例量取磁性颗粒和具有亲水或疏水基团的离子液体，
（4）将所取磁性颗粒倒入上述离子液体载液中，用砂磨分散搅拌机3000转/分的转速下高速分散5小时，即配制成基于能化离子液体的磁流变液。
实施例2：
本实施例中制备磁性颗粒质量百分比为70%，离子液体质量百分比为30%，磁性颗粒为表面磷化处理的铁钴合金颗粒，离子化液体为
Figure BDA00003255338000033
本实施例制备所述多功能化离子液体的磁流变液的方法，包括以下步骤：
（1）制备磁性颗粒：取铁钴合金，研磨过滤得到直径为纳米或微米级铁钴合金粉末，接着对所得铁钴合金粉末进行表面磷化处理。
（2）在离子液体上引入亲水或疏水基团：
第一步，利用咪唑作为反应原料与含碳氢长链卤代烷烃反应，在一定条件下反应制备中间体，中间体合成路线为：
Figure BDA00003255338000041
第二步，利用中间体与卤代乙酸甲酯合成含酯基的离子液体，含酯基的离子液体合成路线为：
Figure BDA00003255338000042
其中X为卤素；
（3）按照上述比例量取磁性颗粒和具有亲水或疏水基团的离子液体，
（4）将所取磁性颗粒倒入上述离子液体载液中，用砂磨分散搅拌机5000转/分的转速下高速分散15小时，即配制成基于功能化离子液体的磁流变液。
下面结合实验数据对本发明作进一步说明，下表1为优选的用于多功能化的离子液体的基本参数，表2为部分离子液体质量分数为60%的离子液体基磁流变液的基本参数。
表1优选的用于制备多功能化磁流变液的离子液体的基本参数
名称 化学式 纯度 密度 粘度(mPa.s) 熔点(K)
1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐 [EMIM][BF4] 99% 1.28 41 284
1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐 [OMIM][BF4] 99% 1.11 440 193
1-辛基-3-甲基咪唑氯盐 [OMIM]Cl 99% 1.02 337 191
1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐 [BMIM][PF6] 99% 1.30 350 279
1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐 [HMIM][PF6] 99% 1.29 580 212
1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐 [OMIM][PF6] 99% 1.23 710 198
1-丁基-3-甲基咪唑氯化铁盐 [BMIM][FeCl4] 99% 1.16 ---- <273
表2部分离子液体质量分数为60%的离子液体基磁流变液的基本参数
Figure BDA00003255338000051
从表2可以看出，本发明在离子液体上引入酯基且不使用添加剂制备的磁流变液与采用常规方法使用添加剂制备的磁流变液相比，本发明磁流变液的零磁场粘度较低，与[EMIM][BF4]-MRF相当，并且使用温度范围也很宽，明显宽于[OMIM][BF4]-MRF；因此，本发明在离子液体基液上引入功能团具有添加剂的作用，可以减少甚至不使用添加剂。
本发明通过在离子液体基液上引入亲水或疏水基团，可以使离子液体兼具添加剂的功能，减少甚至避免添加剂的使用，从而避免添加剂对使用温度范围的限制，减少制备磁流变液所需原材料，简化其制备工艺，降低生产成本。通常根据磁性颗粒的亲疏水性决定所引入基团的种类，亲水基团一端吸附在磁性颗粒上，使磁性颗粒电荷增多，根据双层电荷理论，此时磁性颗粒间静电排斥力增大，从而抵制团聚沉降；另一方面，带亲水基团的离子液体空间择优取向排列，形成立体网状结构，空间位阻增大，从而提高稳定性。反之，当磁性颗粒具有疏水性时，则引入疏水基团以起到同样的作用。
需要说明的是，本实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，申请人可以根据实际需要决定在离子液体基液上引入基团的种类。本实施例公开了在1-乙基-3-甲基咪唑阳离子上引入羟基与酯基的方法，事实上还可以根据需要在1-丁基-3-甲基咪唑阳离子、1-辛基-3-甲基咪唑阳离子或1-己基-3-甲基咪唑阳离子上引入其他亲水基团如羧基、醛基、硫酸基、氨基，疏水基团如直链烃基、支链烃基、芳香烃基、含氟链烃基、硅烷基；羟基与酯基的引入方法也不限于实施例中公开的方法；事实上，只要是在离子液体基液上引入基团以起到添加剂的作用均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多功能化离子液体的磁流变液，包括基液和分散相，所述分散相是粒径为微米或亚微米级的磁性颗粒，所述基液是离子液体，其特征在于：所述离子液体的阴离子或阳离子上具有疏水基团或亲水基团。
2.如权利要求1所述磁流变液，其特征在于：所述离子液体的质量百分比为10-40%，磁性颗粒的质量百分比为60-90%。
3.如权利要求1所述磁流变液，其特征在于：所述离子液体的阳离子为1-乙基-3-甲基咪唑阳离子、1-丁基-3-甲基咪唑阳离子、1-辛基-3-甲基咪唑阳离子或1-己基-3-甲基咪唑阳离子。
4.如权利要求1所述磁流变液，其特征在于：所述疏水基团是直链烃基、支链烃基、芳香烃基、含氟链烃基或硅烷基。
5.如权利要求1所述磁流变液，其特征在于：所述亲水基团是羧基、羟基、醛基、酯基、硫酸基或氨基。
6.一种制备如权利要求2-5中任意一项所述磁流变液的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）制备磁性颗粒；
（2）在离子液体引入亲水或疏水基团；
（3）按比例量取磁性颗粒和含亲水或疏水基团的离子液体；
（4）将磁性颗粒倒入上述离子液体载液中，用砂磨分散搅拌机3000-5000转/分的转速下高速分散5-15小时，即配制成基于功能化离子液体的磁流变液。
7.如权利要求6所述制备磁流变液的方法，其特征在于：所述磁性颗粒是硅包覆处理的羰基铁粉或表面磷化处理的铁钴合金颗粒，其质量百分比为70-80%，所述离子液体的质量百分比为20-30%。
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