CN103305324A

CN103305324A - 离子液体作为磁流变液基液的应用和基于离子液体的磁流变液及其制备方法

Info

Publication number: CN103305324A
Application number: CN2013102010836A
Authority: CN
Inventors: 何国田; 谷明信; 王仲勋; 陈希; 朱晓强; 徐泽宇; 林远长; 赵健; 刘永福
Original assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Current assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明公开了离子液体作为磁流变液基液的应用，还公开了一种基于离子液体的磁流变液即离子液体基磁流变液，包括基液、分散相和添加剂，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，各组分质量配比为：基液8～39.5份，分散相60～90份，添加剂0.5～5份；一种制备上述离子液体基磁流变液的方法，包括以下步骤：首先制备磁性颗粒，然后按上述质量比例量取离子液体及各种添加剂，将添加剂加入离子液体并搅拌混溶，最后加入磁性颗粒并搅拌混匀即完成制备磁流变液的制备。本发明磁流变液稳定性好，绿色环保，使用温度宽，适用于真空环境，可设计性强。

Description

离子液体作为磁流变液基液的应用和基于离子液体的磁流变液及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种离子液体的新用途，本发明还涉及一种新型绿色环保的磁流变液及其制备方法。

背景技术

磁流变液（MagneticRheologicalFluid，MRF）是一种新型的智能流体材料，由磁性颗粒、基液以及适当的添加剂组成的磁场可控悬浮体系。在无外加磁场作用时，磁流变液呈现良好的液体流动性；在外加磁场作用下产生明显的磁流变效应。该效应表现为：表观粘度可在极短的时间内（毫秒量级）增加两个数量级以上，而且这种转化是无级连续、可逆、可控的，且耗能很小。因此利用这些特性开发的智能器件，如减震器、离合器、制动器、液压装置、柔性夹具、真空密封装置、抛光液、仿生假肢、触觉装置等，具有响应时间短，结构简单，能耗低、连续控制等优点，可以广泛应用于土木工程、汽车工业、医疗卫生、航空航天、精密加工等领域，完成减振、降噪、智能传动、精密控制、高精度抛光等功能。

室温离子液体（Room Temperature Ionic Liquids）或室温熔融盐（Room Temperature Molten Salts）常称离子液体，是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的在室温或室温附近呈液态的熔盐体系。

目前许多科学家和知名企业，如美国LORD公司、FORD公司、德国BASF公司等都致力于该领域；国内如中国科技大学，哈尔滨工业大学、武汉理工大学、西北工业大学、重庆材料研究院等单位开展了磁流变液的研究。但是多集中在磁流变液的性能测试、构建理论模型和设计应用器件等方面，而对制备磁流变液的基液研究不足。目前的磁流变液还存在许多不足之处，例如，因高温造成挥发或分散剂功能丧失，因低温造成零场粘度变高或固化，沉降稳定性差，再分散性差，硅油基磁流变液热膨胀系数大，而水基磁流变液稳定性差等。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种离子液体的新用途，并提供一种工作温度范围较宽，可设计性优良，适用于真空环境，绿色环保的磁流变液，本发明还提供一种制备所述磁流变液的方法。

本发明公开了离子液体作为磁流变液基体的应用。

本发明还公开了一种基于离子液体的磁流变液，包括基液、分散相和添加剂，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，所述磁流变液中各组分质量配比为：基液8～39.5份，分散相60～90份，添加剂0.5～5份。

进一步，所述离子液体的阳离子是咪唑类阳离子、三唑类阳离子、噻唑类阳离子、吡唑类阳离子、吡咯类阳离子、吡啶类阳离子、季铵类阳离子、季鏻类阳离子或胍类阳离子；所述离子液体的阴离子是卤素阴离子、四氟硼酸阴离子、六氟磷酸阴离子、四氯化铁阴离子、硫酸氢根阴离子、磷酸根阴离子、乙酸阴离子、硫酸甲酯阴离子、硫酸乙酯阴离子、丁二酸二辛基磺酸阴离子、三氟甲基磺酸阴离子、三氟乙酰三氟甲磺酰胺阴离子、2（2-甲氧基-乙氧基）-硫酸乙酯阴离子、三氟乙酸阴离子或双氰胺阴离子；离子液体可由所述阳离子中任意一种或几种和所述阴离子中任意一种或几种组成。作为本方案的优选，所述离子液体阴离子为四氟硼酸阴离子、六氟磷酸阴离子、氯离子或四氯化铁阴离子。

进一步，上咪唑类阳离子为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，所述磁性颗粒是由铁单质、钴单质、镍单质、铁钴镍合金和铁的化合物中的一种或多种组成的粉末颗粒。作为本方案的优选，所述磁性颗粒是使用聚苯乙烯包覆处理的氧化铁、二氧化硅包覆处理的碳化铁、明胶包覆处理的羰基铁粉、表面磷化处理的铁粉或表面磷化处理的羰基铁粉颗粒。

进一步，所述磁性颗粒的粒形是球形、针形、棒状或椭球形。

进一步，所述添加剂包括触变剂、分散剂、润滑剂、抗氧化剂、腐蚀抑制剂或纳米颗粒。

进一步，所述触变剂是无机膨润土或有机膨润土。

进一步，所述分散剂是糖类表面活性剂、醇烷氧基化合物、烷基胺氧化物、油酸根、硬脂酸根、烷基硫酸根、烷基醚硫酸根、烷基磷酸根和烷基磺酸根中的一种或多种混合物。作为本方案的优选，所述分散剂是磺酸盐、硬脂酸盐、聚乙二醇、聚乙烯醇、硅烷偶联剂或OP-10乳化剂。

进一步，所述润滑剂为石墨、二硫化钼、尼龙、氮化硼、氟化石墨、炭黑、聚四氟乙烯、硅油、油酸、聚酯、合成脂、羧酸或脂肪酸酰胺。

进一步，所述纳米颗粒包括纳米氧化铁、纳米氧化硅、纳米氧化锌或纳米氢氧化镁。

进一步，所述离子液体可以引入特定功能团，进行多功能化设计。

一种制备所述离子液体基磁流变液的方法，包括以下步骤：（1）、制备粒径为微米或亚微米级的磁性颗粒；（2）、称取添加剂、离子液体、磁性颗粒，其中离子液体的质量份为8～39.5份，磁性颗粒的质量份为60～90份，添加剂的质量份0.5～5份；（3）、将各种添加剂加入离子液体中并搅拌混溶；（4）最后将磁性颗粒加入离子液体中，用砂磨分散搅拌一体机在3000～5000转/分的转速下均匀分散5～10小时使其搅拌混匀。

进一步，上述的离子液体也可以根据需要作为制备成磁流体、磁流变脂、磁流变胶的基体。

本发明的有益效果在于：本发明运用离子液体作为磁流变液基体以及本发明公开的基于离子液体的磁流变液与现有技术相比，具有以下显著优点：（1）离子液体基磁流变液，团聚稳定性和沉降稳定性较好；（2）具有较宽的温度调节范围宽，根据离子液体基液的选择不同，离子液体基磁流变液可在-100℃～300℃工作；（3）由于离子液体蒸汽压为零，离子液体基磁流变液可以用于真空条件下；（4）离子液体功能化设计性能好，可以对离子液体进行功能化，使得功能化后的离子液体兼有添加剂的功能；（5）由于离子液体基磁流变液无毒性、导电性、良好的热稳定性和化学稳定性，大大拓展了磁流变液的运用领域，使得磁流变液可以广泛用于制备可控器件如减震器、离合器、制动器、液压装置、柔性夹具、抛光液、真空密封装置、人工肌肉、仿生假肢、触觉装置等领域。对磁性颗粒进行表面包覆处理可以有效调整磁性颗粒形状，增加其比表面积，使磁性颗粒能够更稳定的悬浮液体中；对磁性颗粒进行表面磷化处理可以使磁性颗粒表面钝化，稳定性更好。另外，在上述离子液体基磁流变液中加入触变剂能增加磁流变液黏度并增强其触变性；加入分散剂可以使磁性颗粒均匀的分散在离子液体中，使之不再发生团聚；加入表面活性剂可以使磁性颗粒更好的悬浮在离子液体中；加入纳米颗粒添加剂可以增大基液的密度，增加磁流变液稳定性，而磁性的纳米颗粒还可以增强磁流变效应。本发明制备离子液体基磁流变液的方法简单、易于操作，无需附加能源和特殊设备。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为以1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐为基液的磁流变液的沉降率随时间的变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对离子液体作为磁流变液基体的运用、基于离子液体的磁流变液以及基于离子液体的磁流变液的制备方法做具体说明。

实施例1：

首先取五羰基铁粉高温分解研磨得到粒径为微米或亚微米级羰基铁粉，对所得的羰基铁粉进行磷化处理得到羰基铁粉磁性颗粒，然后量取质量份为18份的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体（其具体参数见表1），量取总质量份为2份添加剂，将添加剂加入离子液体中并搅拌均匀，添加剂中触变剂选用有机膨润土，分散剂是硅烷偶联剂，润滑剂为石墨，纳米颗粒是纳米氧化铁，最后量取质量份为80份的磷化处理的羰基铁粉加入到离子液体中，用砂磨分散搅拌机3000转/分的转速下高速分散10小时，即配制成离子液体基磁流变液。

实施例2：

首先制备碳化铁粉末，对所得粉末混合物进行二氧化硅包覆处理得到粒径为微米或亚微米级磁性颗粒，然后量取质量份为39.5份的1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体（其具体参数见表1），量取总质量份为0.5份添加剂，将添加剂加入离子液体中并搅拌均匀，添加剂中触变剂选用有机膨润土，分散剂为硬脂酸根，润滑剂为二硫化钼，纳米颗粒是纳米氧化硅，最后量取质量份为60份的二氧化硅包覆处理的碳化铁磁性颗粒，将二氧化硅包覆处理的碳化铁磁性颗粒加入离子液体，并用砂磨分散搅拌机5000转/分的转速下高速分散5小时，即配制成离子液体基磁流变液。

实施例3：

制备氧化铁粉末，对所得粉末进行聚苯乙烯包覆处理得到粒径为微米或亚微米级的磁性颗粒，然后量取质量份为25份的1-辛基-3-甲基咪唑氯盐离子液体（其具体参数见表1），量取总质量份为5份的添加剂，添加剂中触变剂选用无机膨润土，分散剂为烷基硫酸根，润滑剂为油酸，纳米颗粒是纳米氧化锌，最后量取质量份为70份的聚苯乙烯包覆处理的氧化铁粉末，然后将包覆处理的氧化铁磁性颗粒加入离子液体，用砂磨分散搅拌机4000转/分的转速下高速分散8小时，即配制成离子液体基磁流变液。

实施例4：

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中磁性颗粒为未进行表面改性的铁镍合金粉末颗粒，磁性颗粒的质量份为90份，离子液体原材料选用的是1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，其质量份为8份，添加剂总质量份为2份。

实施例5：本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中磁性颗粒为未进行表面改性的铁、钴、镍单质粉末混合物，离子液体原材料选用的是1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。

实施例6：本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中磁性颗粒为明胶包覆处理的羰基铁粉，离子液体原材料选用的是1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。

实施例7：本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中磁性颗粒为磷化处理的铁粉，离子液体原材料选用的是1-丁基-3-甲基咪唑氯化铁盐。

下面结合实验数据对本发明技术方案做进一步说明：表1为本发明实施例中优选的用于制备磁流变液的离子液体的基本参数，表2为传统磁流变液的基液与离子液体基本参数对比，图1为本发明实施例6的磁流变液的沉降率随时间的变化曲线。

表1优选的用于制备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(cp)	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传统磁流变液的基液与离子液体基本参数对比

从表1、表2可以看出本发明作为磁流变液基液的离子液体相对于其他常用基液具有工作温度范围宽，粘度适中等优点，从图1可以看出本发明实施例6所制备的基于离子液体的磁流变液沉降率低，具有很好的稳定性。

综上所述，以上实施例制备的离子液体基磁流变液，团聚稳定性和沉降稳定性较好，实现了磁流变液基液的绿色化；具有较宽的温度调节范围宽，根据离子液体基液的选择不同，离子液体基磁流变液可在-100℃～300℃工作；由于离子液体蒸汽压为零，离子液体基磁流变液可以用于真空条件下；并且离子液体功能化设计性能好，可以对离子液体进行功能化，使得功能化后的离子液体兼有添加剂的功能。另外，由于离子液体基磁流变液无毒性、导电性、良好的热稳定性和化学稳定性，大大拓展了磁流变液的运用领域，使得磁流变液可以广泛用于制备可控器件如减震器、离合器、制动器、液压装置、柔性夹具、抛光液、真空密封装置、人工肌肉、仿生假肢、触觉装置等领域。对磁性颗粒进行表面包覆处理可以有效调整磁性颗粒形状，增加其比表面积，使磁性颗粒能够更稳定的悬浮液体中；对磁性颗粒进行表面磷化处理可以使磁性颗粒表面钝化，稳定性更好。另外，在上述离子液体基磁流变液中加入触变剂能增加磁流变液黏度并增强其触变性；加入分散剂可以使磁性颗粒均匀的分散在离子液体中，使之不再发生团聚；加入表面活性剂可以使磁性颗粒更好的悬浮在离子液体中；加入纳米颗粒添加剂可以增大基液的密度，增加磁流变液稳定性，而磁性的纳米颗粒还可以增强磁流变效应。

本发明制备离子液体基磁流变液的方法简单、易于操作，无需附加能源和特殊设备。

最后，需要说明的是，以上具体实施方式只是用于对本技术方案的说明而非限制。事实上，离子液体阳离子除了上述实施例中公开的咪唑类阳离子适用外，对于三唑类、噻唑类、吡唑类、吡咯类、吡啶类、季铵类、季鏻类、胍类、锍盐类、联吡啶类阳离子同样适用；所述离子液体阴离子除了上述实施例中公开的阴离子适用外，对于其他卤素阴离子、乙酸阴离子、硫酸氢根阴离子、磷酸根阴离子、硫酸单甲酯阴离子、乙基硫酸酯阴离子、2-硫酸乙酯阴离子、丁二酸二辛基磺酸阴离子、磺酸根阴离子、三氟乙酸阴离子、三氟甲基磺酸阴离子、三氟乙酰三氟甲磺酰胺阴离子、双氰基胺阴离子同样适用，而且这些阳离子与阴离子的任意组合均能满足本技术方案的要求。

制备磁性颗粒的原材料除了上述实施例中公开的种类和组合外，铁单质、钴单质、镍单质、铁钴镍合金或铁的化合物中任意一种或多种均能满足本技术方案的要求。

所述磁性颗粒除了采用磷化处理、聚苯乙烯包覆、硅烷包覆的磁性粉末外，还可以是聚乙烯醇、葡聚糖、聚环氧烷、明胶、琼脂、甲壳素、甲壳素衍生物、二氧化硅或氧化铝包覆处理的磁性粉末。

分散剂除上述实施例中公开的种类外还可以是磺酸盐、聚乙二醇、聚乙烯醇、OP-10乳化剂、糖类表面活性剂、醇烷氧基化合物、烷基胺氧化物、油酸根、硬脂酸根、烷基醚硫酸根、烷基磷酸根和烷基磺酸根。

润滑剂除上述实施例中公开的种类外还可以是尼龙、氮化硼、氟化石墨、炭黑、聚四氟乙烯、硅油、聚酯、合成脂、羧酸和脂肪酸酰胺。

纳米颗粒除上述实施例中公开的种类外还可以是纳米氢氧化镁。

另外，上述的离子液体也可以根据需要作为制备成磁流体、磁流变脂、磁流变胶的基体。

Claims

1.离子液体作为磁流变液基液的应用。

2.一种基于离子液体的磁流变液，包括基液、分散相和添加剂，所述分散相是粒径为微米或亚微米级的磁性颗粒，其特征在于：所述基液是离子液体，所述磁流变液中各组分质量配比为：基液8～39.5份，分散相60～90份，添加剂0.5～5份。

3.如权利要求2所述基于离子液体的磁流变液，其特征在于：所述离子液体的阳离子是咪唑类阳离子、三唑类阳离子、噻唑类阳离子、吡唑类阳离子、吡咯类阳离子、吡啶类阳离子、季铵类阳离子、季鏻类阳离子或胍类阳离子；所述离子液体的阴离子是卤素阴离子、四氟硼酸阴离子、六氟磷酸阴离子、四氯化铁阴离子、硫酸氢根阴离子、磷酸根阴离子、乙酸阴离子、硫酸甲酯阴离子、硫酸乙酯阴离子、丁二酸二辛基磺酸阴离子、三氟甲基磺酸阴离子、三氟乙酰三氟甲磺酰胺阴离子、2（2-甲氧基-乙氧基）-硫酸乙酯阴离子、三氟乙酸阴离子或双氰胺阴离子；离子液体可由所述阳离子中任意一种或几种和所述阴离子中任意一种或几种组成。

4.如权利要求3所述基于离子液体的磁流变液，其特征在于：所述咪唑类阳离子为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。

5.如权利要求2所述基于离子液体的磁流变液，其特征在于：所述磁性颗粒是由铁单质、钴单质、镍单质、铁钴镍合金和铁的化合物中的一种或多种组成的颗粒。

6.如权利要求5所述基于离子液体的磁流变液，其特征在于：所述磁性颗粒是使用聚苯乙烯包覆处理的氧化铁、二氧化硅包覆处理的碳化铁、明胶包覆处理的羰基铁粉、表面磷化处理的铁粉或表面磷化处理的羰基铁粉颗粒。

7.如权利要求2所述基于离子液体的磁流变液，其特征在于：所述添加剂包括触变剂、分散剂、润滑剂、抗氧化剂、腐蚀抑制剂或纳米颗粒。

8.如权利要求7所述基于离子液体的磁流变液，其特征在于：所述触变剂是无机膨润土或有机膨润土。

9.如权利要求7所述基于离子液体的磁流变液，其特征在于：所述分散剂是磺酸盐、硬脂酸盐、聚乙二醇、聚乙烯醇、硅烷偶联剂或OP-10乳化剂。

10.一种制备如权利要求2所述离子液体基磁流变液的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）、制备粒径为微米或亚微米级的磁性颗粒；（2）、按所述质量配比称取添加剂、离子液体、磁性颗粒；（3）、将各种添加剂加入离子液体中并搅拌混溶；（4）最后将磁性颗粒加入离子液体中，用砂磨分散搅拌一体机在3000～5000转/分的转速下均匀分散5～10小时使其搅拌混匀。