CN105161238A

CN105161238A - 一种具有磁控负刚度特性的磁流变弹性体及其制备方法

Info

Publication number: CN105161238A
Application number: CN201510626410.1A
Authority: CN
Inventors: 余淼; 綦松; 浮洁; 朱秘
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2015-09-28
Filing date: 2015-09-28
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明属于应用于减振抗震的智能材料技术领域，具体是一种拥有磁控负刚度的磁流变弹性体及其制备方法。本发明的具有磁控负刚度的磁流变弹性体由下述重量配比的成分制备而成：橡胶基体15％～25％，硬磁磁粉70％～80％，增塑剂4％～10％。本发明还提供了该磁流变弹性体的制备方法。本发明制备出的磁流变弹性体具有磁控负刚度，可以应用于减振抗震领域。本发明工艺简单，材料成品易于成型，容易产业化和商品化。

Description

一种具有磁控负刚度特性的磁流变弹性体及其制备方法

技术领域

本发明属于应用于减振抗震的智能材料技术领域，具体是一种拥有磁控负刚度的磁流变弹性体及其制备方法。

背景技术

地震是自然界中威胁人类生命财产安全的主要灾害之一。传统的抗震手段主要是通过结构隔振的手段在建筑物底部设立一个横向刚度远低于建筑物的隔振器。通过将地震波隔断以保护建筑物上部的目的。传统的磁流变弹性体的模量(刚度)、阻尼等性能能够得到实时可逆的控制，目前已有研究者尝试将磁流变弹性体应用于智能抗震中，并设计出了一些基于磁流变弹性体的隔振器。但是传统的磁流变弹性体主要由聚合物基体和软磁颗粒组成，它的刚度只能随磁场增大而增大。但是在地震发生时候，有时候会需要隔振器刚度变小以达到更高效率隔振的目的。因此研制一种能够磁控负刚度的磁流变弹性体能够拓宽磁流变弹性体在抗震领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于通过将硬磁磁粉加入到橡胶基体中，在固化成型并完成充磁之后，让这种永磁磁流变弹性体获得一个磁控负刚度的特性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的具有磁控负刚度的磁流变弹性体，其特征在于：其制备原料包括下述重量配比的成分：橡胶基体15％～25％，硬磁磁粉70％～80％，增塑剂4％～10％。

具体的，所述的橡胶基体为硅橡胶基体、聚氨酯基体或聚氨酯改性体。

具体的，所述的硅橡胶基体为双组份加成型硅橡胶。

具体的，聚氨酯基体为多元醇和异氰酸酯反应所得；所述多元醇为聚脂多元醇或聚醚多元醇；所述异氰酸酯选自2,4-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯或2,6-甲苯二异氰酸酯中的至少一种。

具体的，所述聚氨酯改性体为聚氨酯/环氧树脂互穿网络结构，其中聚氨酯基体为多元醇和异氰酸酯反应所得；所述多元醇为聚脂多元醇或聚醚多元醇；所述异氰酸酯为2,4-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯或2,6-甲苯二异氰酸酯中的至少一种；环氧树脂为双酚A型环氧树脂、溴化环氧树脂或酚醛环氧树脂中。

具体的，所述硬磁磁粉为铷铁硼磁粉或铁氧体颗粒。

具体的，所述橡胶基体为硅橡胶基体，所述增塑剂为二甲基硅油。

具体的，所述原料还包括固化剂3-二甲胺基甲基苯酚；所述的橡胶基体为聚氨酯基体或聚氨酯改性体，所述增塑剂为邻苯二甲酸酯。

优选的，其制备原料包括下述重量配比的成分：橡胶基体20％，硬磁磁粉73％，增塑剂5％，固化剂2％。

本发明还提供了所述具有磁控负刚度的磁流变弹性体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：准备如下重量配比的原料，橡胶基体15％～25％，硬磁磁粉70％～80％，增塑剂5％～10％；首先将硬磁磁粉加入到液态橡胶基体中充分搅拌，在形成的均匀分散混合物中加入增塑剂后在真空环境下抽掉气泡，在600mT磁场下固化成型，在室温中深度固化完成后置于1T磁场下充磁30秒。

优选的，将所准备的原料于80℃干燥2小时后使用。

本发明中，在600mT磁场中固化会让颗粒形成有序结构，充磁的1T磁场方向需与颗粒的有序结构一致。其中充磁的方向对材料特性有很大的影响，当材料完成充磁后，如果给材料施加一个外在磁场，材料的刚度会随着磁场的大小和方向发生变化。当测试磁场的方向与原充磁方向一致的时候，磁流变弹性体的刚度变大；当测试磁场的方向与原充磁方向相反的时候，磁流变弹性体的刚度变小。

本发明的有益效果：本发明的磁流变弹性体将开始没有磁性的磁粉颗粒加到具有弹性的聚合物基体中。在固化完成之后，磁粉颗粒能够均匀地镶嵌在基体中。在强磁场下对样品进行充磁，这时磁粉颗粒的磁畴会向外磁场方向转动。在完成充磁后，样品内部的磁粉颗粒保留了具有一定方向的剩磁，且剩磁方向与充磁磁场方向一致。由于强磁场的作用，内部颗粒在基体的约束下会形成一些定向结构，同时颗粒之间由于静磁力会发生相互吸引，颗粒与颗粒之间的作用力和基体对颗粒的约束力使得磁流变弹性体相比未充磁前具有更高的刚度。对完成充磁的样品外加磁场，根据外加磁场的方向，内部磁粉将完成退磁或者充磁。颗粒之间和颗粒与基体之间的相互作用力也将随着外加磁场的大小和方向而改变。因此可以达到通过外加磁场控制磁流变弹性体模量增大或者减小的目的。传统的磁流变弹性体刚度只能随着磁场增大而增大。本发明制备出的磁流变弹性体具有磁控负刚度特性。能够拓展所述磁流变弹性体在智能减振抗震领域的应用。同时本发明工艺简单，材料成品易于成型，容易产业化和商品化。

具体实施方式

实施例1制备涉及的具有磁控负刚度环氧树脂/聚氨酯互穿网络基的磁流变弹性体

原料准备：橡胶基体15％(双酚A型环氧树脂所占质量比5％，聚氨酯预聚体10％)，硬磁磁粉79.5％(铷铁硼磁粉79.5％)，增塑剂5％(邻苯二甲酸二丁酯5％)，固化剂0.5％(3-二甲胺基甲基苯酚)。

制备方法如以下步骤：

步骤一、按质量比称量各组分原材料，并在真空干燥箱中80℃干燥2小时除水；

步骤二、将2,4-二苯基甲烷二异氰酸酯和4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯的混合物(各占50％)和蓖麻油混合搅拌聚合反应生成聚氨酯预聚体；

步骤三、将铷铁硼磁粉加入环氧树脂中充分搅拌形成均匀混合物；

步骤四、将步骤二所制聚氨酯预聚体和步骤三中混合物混合搅拌形成互穿网络结构，加入增塑剂邻苯二甲酸二丁酯和固化剂3-二甲胺基甲基苯酚在80℃条件下真空排气泡；

步骤五、将混合物倒入模具中，在600mT磁场下让颗粒形成有序结构。然后在100℃条件下深度固化；

步骤六、最后将样品置于1T的磁场下30秒充磁制得具有磁控负刚度的环氧树脂/聚氨酯互穿网络基磁流变弹性体。

一般的聚氨酯基磁流变弹性体的储能模量只能随着磁场增大而增大，而本实施例制得的磁流变弹性体，测得当外加磁场和充磁磁场方向相反时候并逐步增大过程中，其储能模量最大从0.61MPa减小到0.12MPa；当磁场在800mT强度下从与充磁方向相同瞬间变为相反时候，储能模量从1.69MPa变小为0.71MPa.因此该磁流变弹性体具有明显的磁控负刚度特性，能够拓宽磁流变弹性体在抗震领域的应用。

实施例2制备涉及的具有磁控负刚度聚氨酯基的磁流变弹性体

原料准备：橡胶基体20％(聚氨酯预聚体20％)，硬磁磁粉70％(铷铁硼磁粉70％)，增塑剂10％(邻苯二甲酸二丁酯5％)。

步骤二、将将2,4-二苯基甲烷二异氰酸酯和4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯的混合物(各占50％)和蓖麻油混合搅拌聚合反应生成聚氨酯预聚体；

步骤三、在步骤二所制聚氨酯预聚体加入铷铁硼磁粉和增塑剂邻苯二甲酸二丁酯在80℃条件下真空排气泡；

步骤四、将混合物倒入模具中，在600mT条件下让颗粒形成有序结构，最后在室温下深度固化24小时制得聚氨酯基磁流变弹性体。

步骤五、最后将样品置于1T的磁场下30秒充磁制得具有磁控负刚度的聚氨酯基磁流变弹性体。

本实施例制得的磁流变弹性体，测得当外加磁场和充磁磁场方向相反时候并逐步增大过程中，其储能模量最大从0.61MPa减小到0.23MPa；当磁场在800mT强度下从与充磁方向相同瞬间变为相反时候，储能模量从1.04MPa变小为0.67MPa.具有明显的磁控负刚度特性。

实施例3制备涉及的具有磁控负刚度硅橡胶基的磁流变弹性体

原料准备：橡胶基体25％(硅橡胶25％)，硬磁磁粉70％(铷铁硼磁粉70％)，增塑剂5％(二甲基硅油5％)。

制备方法如以下步骤，具体流程：

步骤二、将铷铁硼磁粉加入硅橡胶A组分充分搅拌混合；

步骤三、在步骤二所制磁粉和A组分混合物中加入B组分和增塑剂二甲基硅油；

步骤四、将混合物倒入模具中，在600mT条件下让颗粒形成有序结构，最后在室温下深度固化24小时制得硅橡胶基磁流变弹性体。

步骤五、最后将样品置于1T的磁场下30秒充磁制得具有磁控负刚度的硅橡胶基磁流变弹性体。

本实施例制得的磁流变弹性体，测得当外加磁场和充磁磁场方向相反时候并逐步增大过程中，其储能模量最大从0.32MPa减小到0.13MPa；当磁场在800mT强度下从与充磁方向相同瞬间变为相反时候，储能模量从0.85MPa变小为0.32MPa.具有明显的磁控负刚度特性。

实施例4制备涉及的具有磁控负刚度环氧树脂/聚氨酯互穿网络基的磁流变弹性体

原料准备：橡胶基体15％(双酚A型环氧树脂所占质量比5％，聚氨酯预聚体10％)，硬磁颗粒79.5％(铁氧体磁粉79.5％)，增塑剂5％，固化剂为0.5％。

制备方法如以下步骤：

步骤三、将铁氧体磁粉加入环氧树脂中充分搅拌形成均匀混合物；

步骤五、将混合物倒入模具中，在600mT条件下让颗粒形成有序结构，最后在100℃条件下深度固化；

本实施例制得的磁流变弹性体，测得当外加磁场和充磁磁场方向相反时候并逐步增大过程中，其储能模量最大从0.72MPa减小到0.32MPa；当磁场在800mT强度下从与充磁方向相同瞬间变为相反时候，储能模量从1.82MPa变小为1.03MPa.因此该磁流变弹性体具有明显的磁控负刚度特性，能够拓宽磁流变弹性体在抗震领域的应用。

通过流变仪(型号：安东帕301)测试实施例1～4得到的磁流变弹性体，结果见表1。测试条件：振荡剪切模式，频率10Hz,应变0.1％，磁场由直流电源提供，连续可调，可调范围0-1.2T。

表1各实施例磁控负刚度特性

Claims

1.具有磁控负刚度的磁流变弹性体，其特征在于：其制备原料包括下述重量配比的成分：橡胶基体15％～25％，硬磁磁粉70％～80％，增塑剂4％～10％。

2.如权利要求1所述的磁流变弹性体，其特征在于：所述的橡胶基体为硅橡胶基体、聚氨酯基体或聚氨酯改性体。

3.如权利要求2所述的磁流变弹性体，其特征在于：所述的硅橡胶基体为双组份加成型硅橡胶。

4.如权利要求2或3所述的磁流变弹性体，其特征在于：聚氨酯基体为多元醇和异氰酸酯反应所得；所述多元醇为聚脂多元醇或聚醚多元醇；所述异氰酸酯选自2,4-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯或2,6-甲苯二异氰酸酯中的至少一种。

5.如权利要求2～4任一项所述的磁流变弹性体，其特征在于：所述聚氨酯改性体为聚氨酯/环氧树脂互穿网络结构，其中聚氨酯基体为多元醇和异氰酸酯反应所得；所述多元醇为聚脂多元醇或聚醚多元醇；所述异氰酸酯为2,4-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯或2,6-甲苯二异氰酸酯中的至少一种；环氧树脂为双酚A型环氧树脂、溴化环氧树脂或酚醛环氧树脂中。

6.如权利要求1～5任一项所述的磁流变弹性体，其特征在于：所述硬磁磁粉为铷铁硼磁粉或铁氧体颗粒。

7.如权利要求1～6任一项所述的磁流变弹性体，其特征在于：所述橡胶基体为硅橡胶基体，所述增塑剂为二甲基硅油。

8.如权利要求1～6任一项所述的磁流变弹性体，其特征在于：所述原料还包括固化剂3-二甲胺基甲基苯酚；所述的橡胶基体为聚氨酯基体或聚氨酯改性体，所述增塑剂为邻苯二甲酸酯。

9.如权利要求8所述的磁流变弹性体，其特征在于：其制备原料包括下述重量配比的成分：橡胶基体20％，硬磁磁粉73％，增塑剂5％，固化剂2％。

10.权利要求1～9任一项所述具有磁控负刚度的磁流变弹性体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：准备如下重量配比的原料，橡胶基体15％～25％，硬磁磁粉70％～80％，增塑剂5％～10％；首先将硬磁磁粉加入到液态橡胶基体中充分搅拌，在形成的均匀分散混合物中加入增塑剂后在真空环境下抽掉气泡，在600mT磁场下固化成型，在空气中深度固化完成后置于1T磁场下充磁30秒。

优选的，将所准备的原料于80℃干燥2小时后使用。