CN105585833A - 包含聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体组合物及其制备方法 - Google Patents

包含聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体组合物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及包含聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体组合物及其制备方法。具体地，本发明涉及一种通过将聚氧化乙烯颗粒分散到包含水以及选自由乙二醇和丙二醇组成的组的一种或多种化合物的溶剂中制备的相变悬浮流体组合物，及其制备方法。相变悬浮流体可以是剪切稀化流体，该剪切稀化流体表现出在低剪切速率或低频区域中恒定牛顿行为，但表现出由于粘度减小在高剪切速率或高频区域中呈现为类似液体的悬浮液的非牛顿行为，并能够通过车辆的振动可逆地相变，可以提供具有在低频区域具有液压衬套的优势并在高频区域具有固体衬套的优势的效果。

Description

包含聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体组合物及其制备方法
技术领域
本公开涉及包含聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体组合物及其制备方法。更具体地，本发明涉及通过将聚氧化乙烯颗粒分散到包含水以及选自由乙二醇和丙二醇组成的组中的一种或多种化合物的溶剂中而制备的相变悬浮流体组合物，以及其制备方法。
背景技术
“相变流体”统称通过所施加的外力机械和物理性能改变的流体，通常分成剪切稠化流体(STF)和剪切稀化流体。
用浓缩的悬浮胶体形成剪切稠化流体(STF)，其中未凝集的固体颗粒分散到流体中，并在超过临界剪切速率时粘度显示明显增加[XianzhouZhang,WeihuaLi,Gong,X.L.,SmartMater.Struct.,Vol.17,015051(2008)]。
在高剪切速率下，剪切稠化流体(STF)的粘度增加，并且流体变成类似固体状态的悬浮液，并且当去除冲击应力时，剪切稠化流体(STF)可逆地迅速回到类似液体的状态[Chang,L.,Friedrich,K.,Schlarb,A.K.,Tanner,R.,Ye,L.,JMaterSci,Vol.46,339-346(2011)]。
同时，剪切稀化流体具有的特性是在正常流动中随着剪切速率增大而粘度减小，并且剪切速率和粘度成反比。此外，剪切稀化流体通常具有屈服点，并且这种材料在低剪应力下不具有流动性，而且只有当达到屈服点时具有流动性(液态)。
尤其是，相变流体是具有这种特性的流体，即，纳米颗粒表现出由于粘度突然减小在高剪切速率下的液化现象，并一般呈现为分散到溶剂中，诸如，乙二醇(EG)、丙二醇(PG)、乙二醇(EG)/水或丙二醇(PG)/水。
由于颗粒之间的丛聚(hydrocluster)现象，纳米颗粒已成为大量研究的对象。然而，与各种理论根据粒径提出的模式相比，纳米颗粒之间的丛聚现象具有相当大的差异。相变流体表现出通过所施加的外力粘度改变和屈服应力行为，并且反应非常快而且对于所施加的外力可逆，这被称作“相变效应”。这种相变流体表现出具有屈服应力的宾汉流体(Binghamfluid)的行为，并且作为剪切速率的函数可获得屈服应力。
这些流体可被用于能够控制移动的可变阻尼机构，诸如，制动器、发动机架、减震器和衬套、以及动力系统，诸如，制动器和离合器，并且也将它们的应用扩大到机动车工业和航空工业以及机器人工业。
作为一个实例，现有的流体填充的液压衬套(hydraulicbush)是使用固化橡胶部分填充和密封流体的部件，并且由于橡胶弹性和流体的组合可提供类似弹簧特性带来的相对更好的乘坐舒适性。
然而，这种流体填充的液压衬套具有局限性，这是因为具有各种改变的所有车辆驾驶条件可能不满足于注入恒定量流体。此外，在本领域使用的流体是显示出几乎不具有因频率或剪切速率引起的粘度变化的牛顿行为(newtonianbehavior)的牛顿流体。当沿着流动路径移动时流体吸收振动，并且这种流体填充的液压衬套具有的局限性在于与普通的固体式的衬套相比虽然具有极好的乘坐舒适性但高速操作稳定性和耐用性较差。
同时，韩国专利申请公开第10-2010-0125980号公开了能够调节喷射流体量的流体填充的液压衬套。然而，所公开的衬套的构造不简单，因此，在车辆应用上具有局限性且成本不利。
通常，与固体式衬套相比，传统液压衬套在低频区域中具有优良的损耗因数，但由于频率增大可能呈现出动态弹簧常数过度增大，此外，当参阅车辆驾驶评估结果时，与固体式衬套相比，液压衬套在低频区域中具有隔振效果，但也呈现出由于频率增大出现过多垂直振动。因此，液压衬套的优势和固体式的衬套的优势需要共存。
因此，已产生了对研发流体填充的液压衬套从而研发智能的基于聚合物的分散体流体的需要，该流体在低频区域具有液压衬套的优势在高频区域具有固体式衬套的优势，并且能够通过车辆的振动可逆相变。
在本背景部分公开的以上信息仅是为了增强理解本公开的背景，因此，可能包含并不构成已经由本国的本技术领域的技术人员知道的现有技术的信息。
发明内容
本公开致力于解决与先前技术相关的上述问题，并且本公开的发明人已发现通过将聚氧化乙烯颗粒分散到包含水以及选自由乙二醇和丙二醇组成的组的一种或多种化合物的溶剂中而制备的悬浮流体是这样的剪切稀化流体：该剪切稀化流体在低剪切速率或低频区域呈现恒定牛顿行为，但在高剪切速率或高频区域下由于粘度减小呈现类似液体的悬浮液的非牛顿行为，因此，在低频区域下可以获得液压衬套的优势并在高频区域下可以获得固体式衬套的优势，并完成本公开。
因此，本公开的目的是提供包含聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体组合物。
本公开的另一目的是提供制备相变悬浮流体的方法。
本公开的又一目的是提供包含使用以上方法制备的相变悬浮流体的机动车液压衬套。
在一个方面中，本公开提供包含聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体组合物，其包括：聚氧化乙烯颗粒；和包含水以及选自由乙二醇和丙二醇组成的组的一种或多种化合物的溶剂。
在另一方面中，本公开提供制备相变悬浮流体的方法，该方法包括(i)通过将聚氧化乙烯颗粒混合并分散到包含水以及选自由乙二醇和丙二醇组成的组的一种或多种化合物的溶剂中来制备悬浮流体；(ii)超声处理悬浮流体；以及(iii)通过将超声处理的悬浮流体放置在真空室中去除空气。
在又一个方面中，本公开提供包含使用上述方法制备的相变悬浮流体的机动车液压衬套。
根据本公开的相变悬浮流体是呈现剪切稀化流动行为性能(shear-thinningflowbehaviorproperty)的流体并通过车辆振动能够可逆相变，并且因此，能提供在低频区域具有液压衬套的优势并且还在高频区域具有固体衬套的优势的效果。
因此，根据本公开的相变悬浮流体可有效地控制车辆，从而能够改善乘坐舒适性和操作性能，并也可用于能够控制阻尼的可变阻尼机构，诸如，悬挂系统，隔离器和发动机架，以及动力系统，诸如，制动器和离合器，并广泛用于机动车和航空工业。
在下文中讨论本公开的其它方面和优选实施方式。
附图说明
现在将结合附图中所示的本公开内容一些示例性实施方式对本公开内容的上述和其他特征进行描述，这些附图只是说明性的，因此并不是限制本公开内容，其中，
图1a是示出根据相变悬浮流体的剪切速率的剪切粘度的测试结果的曲线图，该相变悬浮流体包含具有100000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒；
图1b是示出根据相变悬浮流体的剪切速率的剪切粘度的测试结果的曲线图，相变悬浮流体包含分别具有100000、400000以及900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒；
图2a和图2c是示出根据相变悬浮流体的应变(strain)的储能模量和损耗模量的测试结果的曲线图，相变悬浮流体包含具有100000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒；
图2b和图2d是示出根据相变悬浮流体的应变的储能模量和损耗模量的测试结果的曲线图，相变悬浮流体包含分别具有100000、400000以及900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒；
图3a是示出根据相变悬浮流体的频率的复数粘度(complexviscosity)的测试结果的曲线图，相变悬浮流体包含具有100000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒；
图3b是示出根据相变悬浮流体的频率的复数粘度的测试结果的曲线图，相变悬浮流体包含分别具有100000、400000以及900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒；
图3c是示出根据相变悬浮流体的频率的储能模量的测试结果的曲线图，相变悬浮流体包含具有100000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒；
图3d是示出根据相变悬浮流体的频率的储能模量的测试结果的曲线图，相变悬浮流体包含分别具有100000、400000以及900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒；
图3e是示出根据相变悬浮流体的频率的损耗模量的测试结果的曲线图，相变悬浮流体包含具有100000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒；
图3f是示出根据相变悬浮流体的频率的损耗模量的测试结果的曲线图，相变悬浮流体包含分别具有100000、400000以及900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒；
图4a是示出根据相变悬浮流体的频率的阻尼因子的测试结果的曲线图，相变悬浮流体包含具有100000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒；以及
图4b是示出根据相变悬浮流体的频率的阻尼因子的测试结果的曲线图，相变悬浮流体包含分别具有100000、400000以及900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒。
应理解，附图不一定是按比例的，其呈现出说明本公开基本原理的各种优选特征的某种程度上的简化表达。如在此公开的本公开的特定设计特征，其包括，例如，特定尺寸、方向、位置和形状，将部分地由具体的预期应用和使用环境确定。
在图中，在整个附图的几个图中，参考标号指本公开的相同或等效部件。
具体实施方式
下文中，将详细地参照本公开的各种实施方式，其中的实例在附图示出并在下文描述。尽管将结合示例性实施方式描述本公开，但应该理解，本说明书并非旨在将本公开限制于那些示例性实施方式中。相反地，本公开不仅旨在涵盖示例性实施方式，而且还涵盖各种替代、修改、等同物和其他实施方式，其可包括在如随附权利要求限定的本公开的精神和范围内。
根据本公开的相变悬浮流体组合物包括聚氧化乙烯颗粒；以及包含水和选自由乙二醇和丙二醇组成的组的一种或多种化合物的溶剂。
具体地，在本公开中使用的聚氧化乙烯颗粒是“相变聚合物”，并且根据本公开的相变悬浮流体组合物是通过将这些颗粒混合并分散到包含水以及选自由乙二醇和丙二醇组成的组的一种或多种化合物的溶剂中而制备的以悬浮流体(悬浮液)形式存在的相变流体。
本文中，聚氧化乙烯颗粒优选地具有100000至900000的重均分子量(Mw)。当重均分子量小于100000时，会存在大量包含具有低分子量的聚氧化乙烯的问题，这使流体纯度改变，并且当重均分子量大于900000时，大量地包含具有高分子量的聚氧化乙烯，流体粘度增大，这会导致流体填充过程的问题。因此，使用具有上述范围的分子量的聚氧化乙烯颗粒是有利的。
此外，商业可获得的聚氧化乙烯具有100000的重均分子量并且难以生产具有低于100000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒，且当重均分子量大于900000时，存在使用与实施例相同的制备方法制备样品问题。因此，优选使用具有100000到900000的重均分子量的聚氧化乙烯。
此外，优选地，相对于相变悬浮流体组合物的总重量以按重量计5％至30％并且更优选地以按重量计5％至20％使用聚氧化乙烯颗粒。当以按重量计小于5％包含聚氧化乙烯颗粒时，表现出牛顿流体行为，并且当以按重量计大于30％包含聚氧化乙烯颗粒时，粘度高且用作液压衬套中的流体是不合适的。因此，优选地在上述范围中使用聚氧化乙烯颗粒。
此外，本公开提供制备相变悬浮流体的方法，包括以下步骤：(i)通过将聚氧化乙烯颗粒混合并分散到包含水以及选自由乙二醇和丙二醇组成的组的一种或多种化合物的溶剂中来制备悬浮流体；(ii)超声处理悬浮流体；以及(iii)通过将超声处理的悬浮流体放置在真空室中来从悬浮流体中去除空气。
步骤是(i)通过将聚氧化乙烯颗粒混合并分散到包含水以及选自由乙二醇和丙二醇组成的组的一种或多种化合物的溶剂中制备悬浮流体的步骤，并且结果是将细固体颗粒分散到液体中并在液体中漂浮的悬浮流体状态。
接下来，步骤(ii)是超声处理在步骤(i)中制备的悬浮流体的步骤。进行该步骤用以均匀分散聚氧化乙烯颗粒，并优选地进行9至12个小时。当进行超声处理小于9个小时时，会存在并未完全实现将颗粒和流体分散到悬浮流体中的问题，并且当进行超声处理大于12个小时时，存在制备过程变得更长的问题，并且因此，在上述时间范围内进行超声处理是有利的。
步骤(iii)是通过将超声处理的悬浮流体放置于真空室中去除空气的步骤，并且是去除在悬浮流体制备期间包含的气泡的步骤。本文中，去除空气优选地进行9至12个小时。当进行去除空气小于9个小时时，存在并未完全去除所有的气泡的问题，并且当进行去除空气大于12个小时时，存在制备过程变得更长的问题，从而在上述时间范围内进行去除空气是有利的。
如上所述制备的相变悬浮流体具有表现出剪切稀化流动行为性能(shear-thinningflowbehaviorpropertymanufacture)的非牛顿流体性能。具体地，在正常流动时，相变悬浮流体具有粘度随剪切速率增大而减小的物理性能。
因此，根据本公开的相变悬浮流体能够通过车辆的振动可逆相变，并也可用于能够控制阻尼的可变阻尼机构，诸如，悬挂系统、隔离器和发动机架，以及动力系统，诸如，制动器和离合器。
实施例
在下文中，将通过实施例更详细地描述本公开。然而，这些实施例仅用于示例性的目的，并且本公开的范围不限于此。
[实施例]
实施例1-1至5-1和比较例1-1和2-1(当使用具有100000的重均分 子量的颗粒时)
根据以下表1中示出的组分组成比通过将具有100000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒(粉末)混合到包含乙二醇和水的混合物的溶剂中，并使用混合器机械混合生成物1小时来制备悬浮流体。通过超声处理所制备的悬浮流体12个小时以便将聚氧化乙烯颗粒均匀地分散到悬浮流体中来制备相变悬浮流体。通过将所得到的悬浮流体放置在真空室中以便去除流体内部的空气而去除气泡。
[表1]
实施例1-2至5-2和比较例1-1和2-2(当使用具有400000的重均分 子量的颗粒时)
除了使用具有400000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒以外，以与实施例1-1至5-1和比较例1-1和2-1相同的方式制备相变悬浮流体。
实施例1-3至5-3和比较例1-3和2-3(当使用具有900000的重均分 子量的颗粒时)
除了使用具有900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒以外，以与实施例1-1至5-1和比较例1-1和2-1相同的方式制备相变悬浮流体。
测试例
为了测量在实施例1-1至5-3和比较例1-1至2-3中获得的相变悬浮流体的流变性能，在调节剪切速率和频率时获得粘度和阻尼因子。在本文中使用的测量流变仪是双间隙转子类型(doublegapcelltype)并且未向杯和悬锤施加外力。此外，为了确保测试结果准确度，在每次重新分散电流变流体(electrorheologicalfluid)之后进行以上过程。在图1a至图4b中示出测量结果。在下文中，将具体地描述测试结果。
图1a是根据在实施例1-1至5-1和比较例1-1和2-1中制备的相变悬浮流体的剪切速率的剪切粘度的测试结果的曲线图，并且确认了实施例1-1的相变悬浮流体表现出了在低剪切速率下具有恒定粘度的牛顿行为，但也表现出随着粘度降低的非牛顿行为以及在高剪切速率下相变悬浮流体变成类似液体的悬浮液。然而，确认了比较例1-1中包含按重量计小于0.5％的聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体具有粘度改变的牛顿行为，且当以按重量计大于30％包含聚氧化乙烯颗粒时，与以按重量计30％包含聚氧化乙烯颗粒时相比未得到显著差异。
此外，图1b是示出根据包含各自在实施例1-1至5-3和比较例1-1至2-3中制备的具有100000、400000以及900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体的剪切速率的剪切粘度的测试结果的曲线图，确认了图1b示出了与图1a相同的结果。
因此，确认了根据本公开的相变悬浮流体的实施例1-1至5-3在高剪切速率下具有剪切稀化流体性能。
然后，图2a和2c是示出根据在实施例1-1至5-1和比较例1-1和2-1中制备的相变悬浮流体的应变的储能模量和损耗模量的测试结果的曲线图，并且确认了相变悬浮流体具体表现出了根据对于1Hz的频率的应变的模量，并且基于此，表现出示出线性粘弹性区域(linearviscoelasticregion)的性能。
此外，图2b和图2d是示出根据包含各自在实施例1-1至5-3和比较例1-1至2-3中制备的具有100000、400000以及900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体的应变的储能模量和损耗模量的测试结果的曲线图，确认了相变悬浮流体具体表现出了根据对于1Hz频率的应变的模量，且基于此，表现出示出线性粘弹性区域的性能。
图3a是示出根据在实施例1-1至5-1和比较例1-1和2-1中制备的相变悬浮流体的频率的复数粘度的测试结果的曲线图，并且通过该曲线图，能够确认各个百分比的根据频率变化的粘度变化率。
图3b是示出根据包含各自在实施例1-1至5-3和比较例1-1至2-3中制备的具有100000、400000以及900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体的频率的复数粘度的测试结果的曲线图，并且通过曲线图，能够确认各个百分比的根据频率变化的粘度变化率。
图3c是根据在实施例1-1至5-1和比较例1-1和2-1中制备的相变悬浮流体的频率的储能模量的测试结果的曲线图，并且通过曲线图，确认了相变悬浮流体具体地表现出了相变流体的弹性性能。
图3d是示出根据包含各自在实施例1-1至5-3和比较例1-1至2-3中制备的具有100000、400000以及900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体的频率的储能模量的测试结果的曲线图，并且通过曲线图，确认了相变悬浮流体具体表现出了相变流体的弹性性能。
图3e是根据在实施例1-1至5-1和比较例1-1和2-1中制备的相变悬浮流体的频率的损耗模量的测试结果的曲线图，并且通过曲线图，确认了相变悬浮流体具体地表现出了相变流体的粘性性能。
图3f是示出根据包含各自在实施例1-1至5-3和比较例1-1至2-3中制备的具有100000、400000以及900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体的频率的损耗模量的测试结果的曲线图，并且通过曲线图，确认了相变悬浮流体具体表现出了相变流体的粘性性能。
图4a是示出根据在实施例1-1至5-1和比较例1-1和2-1中制备的相变悬浮流体的频率的阻尼因子的测试结果的曲线图，并且通过曲线图，确认了相变悬浮流体具体呈现出在基准点1以上的粘性性能，并呈现在基准点1以下的弹性性能。
最后，图4b是示出根据包含各自在实施例1-1至5-2和比较例1-1至2-3中制备的具有100000、400000以及900000的重均分子量的聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体的频率的阻尼因子的测试结果的曲线图，并且通过该曲线图，确认了相变悬浮流体具体呈现在基准点1以上的粘性性能，并呈现在基准点1以下的弹性性能。
因此，确认了根据本公开的相变悬浮流体表现出了低剪切速率或低频区域中的恒定牛顿行为，但随着剪切稀化流体出现(这是类似液体的悬浮液)，表现出了由于粘度减小在高剪切速率或高频区域中的非牛顿行为。
换言之，本公开可以提供具有在低频区域中的液压衬套的优势并具有在高频区域中的固体式衬套的优势的智能的基于聚合物的分散流体，并能够通过车辆振动可逆相变。该流体也可用于能够控制阻尼的可变阻尼机构，诸如，悬挂系统、隔离器和发动机架，以及动力系统，诸如，制动器和离合器，并广泛用于机动车和航空工业。
已参照其优选实施方式详细地描述了本公开。然而，本领域技术人员应理解，可在不偏离本公开的原理和精神(其范围限定在随附权利要求及其等同物中)的情况下，对这些实施方式作出改变。

Claims (8)

1.一种包含聚氧化乙烯颗粒的相变悬浮流体组合物，所述相变悬浮流体组合物包括：
聚氧化乙烯颗粒；以及
溶剂，包含水以及选自由乙二醇和丙二醇组成的组中的一种或多种化合物。
2.根据权利要求1所述的相变悬浮流体组合物，其中，所述聚氧化乙烯颗粒具有100000至900000的重均分子量。
3.根据权利要求1所述的相变悬浮流体组合物，其中，以相对于所述相变悬浮流体组合物的总重量按重量计5％至30％包含聚氧化乙烯颗粒。
4.一种制备相变悬浮流体的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)通过将聚氧化乙烯颗粒混合并分散到包含水以及选自由乙二醇和丙二醇组成的组的一种或多种化合物的溶剂中来制备悬浮流体；
(ii)超声处理所述悬浮流体；以及
(iii)通过将超声处理的所述悬浮流体放置在真空室中来去除空气。
5.根据权利要求4所述的制备相变悬浮流体的方法，其中，步骤(ii)的所述超声处理进行9至12小时。
6.根据权利要求4所述的制备相变悬浮流体的方法，其中，步骤(iii)的所述去除空气进行9至12小时。
7.一种利用根据权利要求4所述的方法制备的呈现剪切稀化流动行为性能的相变悬浮流体。
8.一种机动车液压衬套，包含根据权利要求7所述的相变悬浮流体。
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