CN105921725A - 金属铸件用磁性纳米改性甲基丙烯酸酯磁性浸渗剂的方法 - Google Patents
金属铸件用磁性纳米改性甲基丙烯酸酯磁性浸渗剂的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及金属铸件用磁性纳米改性甲基丙烯酸酯磁性浸渗剂的方法，包括有用有机物包覆的磁性纳米颗粒、甲基丙烯酸酯、引发剂和阻聚剂，其中在浸渗剂制备过程中引入了传统的甲基丙烯酸酯制备与功能化纳米颗粒的复合工艺，制备出功能化的浸渗剂。该浸渗剂在符合低粘度、无毒性、无挥发的传统要求的同时，还展现出较高的热性能和硬度，是一种新型的具有多功能的金属制件的密封补强剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备分散性好、饱和磁化强度高、粘度低的密封补强和功能化的磁性纳米颗粒和甲基丙烯酸酯的复合浸渗剂，具体涉及金属铸件用磁性纳米改性甲基丙烯酸酯磁性浸渗剂的方法。
背景技术
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子，一般是指三维尺寸中有一维尺寸在1到100nm间的颗粒，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米材料通常具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。纳米材料显示出许多奇异的特性，即纳米材料的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。
磁性纳米颗粒作为一种特殊的功能材料，可以把纳米级的磁性粒子（如四氧化三铁）包裹一层长链的表面活性剂，均匀的分散在基液中，形成一种均匀稳定的悬浮体----磁性流体，并能使用在不同的领域中。磁性纳米颗粒具有优良的物理和化学性能，已经广泛应用于一些工业和生物医药领域，如靶向药物、MRI显影、磁性流体密封及记忆材料等领域，在本申请中，应用磁性流体作为补强和功能化应用。
在铝合金压铸或重力浇铸的工业化生产过程中，从熔融的液态金属转变为固态金属物质的过程中，往往存在体积收缩，同时在该过程中，还会产生不同程度的疏松、气孔和夹杂等缺陷。此外，粉末冶金件的制造过程中也存在不同程度的孔隙、裂纹、砂眼和空洞。这些缺陷会使加工的机械产品达不到使用要求，甚至是报废。有些缺陷不容易被发现，到加工后经过试压才出现问题，造成工时和原材料的浪费。因此，在机械加工过程中，需要对加工产品进行密封和补强。
浸渗法就是为了这种目的而产生的一种工艺，所用的密封和补强液体材料就是通过制备得到的浸渗剂。
浸渗技术是利用浸渗剂在外压力的作用下渗入多孔或者是缝隙中，经过固化反应而达到填补损伤的目的，同时可以达到功能化的用途，是现代科技发展要求的一项新技术。对于零件的加工过程根据不同的情况和技术要求，主要有涂渗法、压力渗入法、浸渗法等，也可以分为局部和整体的密封补强的方法。浸渗技术解决了压铸件、焊件等普遍存在的疏松和微孔等缺陷，从而大幅提高提高产品的质量，节省了材料的消耗，以及生产过程的能耗。此外，浸渗技术也可以适用于电子器件等领域。目前，浸渗技术也广泛用于机械、冶金、电机电器等领域，并被机械工程的生产部门广泛接纳。
由于浸渗技术可以针对整个机械零件和构件进行处理，在近几十年来，浸渗法得到了广泛的应用和发展。常用的浸渗剂，主要有无机浸渗剂（硅酸钠浸渗剂）、不饱和聚酯化合物(苯二甲酸丙烯酯等)浸渗剂和甲基丙烯酸酯类型的浸渗剂等。其中，应用较多的甲基丙烯酸酯浸渗剂，按聚合固化的机理又分为厌氧型和热固化型。
早期的浸渗方法主要是用加压的技术使得浸渗剂进入零件的孔隙中。到上个世纪四十年代，真空与加压相结合的方法，使得真空浸渗技术在机械工业产品生产中得到更广发的应用。上个世纪70年代以来，甲基丙烯酸酯型浸渗剂得到了大力的推广和深入的应用，在机械领域逐渐取代了其它浸渗剂，甲基丙烯酸酯型的浸渗剂粘度较低，毒性小、不含挥发物，可以适合尺寸较小的孔隙。而且能耗较低，成品率高也是甲基丙烯酸酯类浸渗剂的主要优点。我国虽然在上世纪70至80年代中在东南、华南等地就开展了甲基丙烯酸酯浸渗剂的研制与应用工作，但直到近二十年来该技术才受到更多重视和推广。但是该浸渗剂比较软，模量低，强度低，耐热性能差，密度又低，与金属的差异大。在本申请中，通过适当方法添加纳米磁性颗粒，改善固化后的浸渗剂的特性，同时，又引入了磁性，便于磁性探伤或者采用MRI的方法进行鉴别。
发明内容
本发明将磁性纳米颗粒与甲基丙烯酸酯进行复合，制备出具有磁功能、粘度低、流动性好、无毒性和不挥发的纳米复合浸渗剂。
金属铸件用磁性纳米改性甲基丙烯酸酯磁性浸渗剂的方法，其特征在于：
（1）以纳米材料1kg为原料，加入0.5~2kg盐酸，30℃反应2h，用氨水2~5kg为沉淀剂，加入低沸点溶剂3~4kg，在60~100℃下反应1h，加入油酸0.6~0.8kg、3-氧代-1-环戊烷羧酸0.02~0.06kg、组胺磷酸盐0.02~0.07kg、四羟甲基硫酸磷0.01~0.03kg，反应温度70℃，反应时间2~3h，产物油水分离、脱水干燥后，制得含磁性纳米颗粒的稳定悬浮体；
（2）加入步骤（1）的稳定悬浮体1~2kg、甲基丙烯酸酯类单体2~3kg、引发剂0.028~0.04kg，搅拌速度为100~200rpm，温度为60℃，气压为0.5atm，反应时间1h，加入阴离子聚丙烯酰胺0.01~0.02kg、月桂醇硫酸酯铵盐0.05~0.07kg、山梨醇0.04~0.06kg、频哪醇0.05~0.08kg, 70℃搅拌反应2h，得改性悬浮体；
（3）待改性悬浮体待冷却后，加入脂肪醇聚氧乙烯醚0.6~0.8kg、甲氧基聚乙二醇0.2~0.7kg、马来酸酐0.1~0.6kg，搅拌速度300~500rpm，70℃反应时间3h，加入阻聚剂500ppm，50℃搅拌反应1h，即得磁性浸渗剂。
纳米材料为纳米三氧化二铁、四氧化三铁、纳米二氧化中的任意一种；低沸点溶剂为碳氢化合物的溶剂，碳含量在三个到十二个，即丙烷到十二烷，为单一的碳氢化合物或者其混合物；甲基丙烯酸酯类为甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸戊酯、甲基丙烯酸异戊酯、甲基丙烯酸己酯、甲基丙烯酸异己酯、甲基丙烯酸庚酯、甲基丙烯酸异庚酯、甲基丙烯酸辛酯、甲基丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸壬酯、甲基丙烯酸异壬酯、甲基丙烯酸葵酯、甲基丙烯酸异葵酯、甲基丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸油醇酯、甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸十八烯酯、二甲基丙烯酸多缩乙二醇酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸丁二醇酯、二甲基丙烯酸己二醇酯中的一种或二种以上任意比的混合物；引发剂过氧化苯甲酰，异丙苯过氧化氢，过氧化甲苯酸叔丁基，过氧化二异丙苯，偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈中的一种或二种以上任意比的混合物；阻聚剂为苯二酚、苯醌、蒽醌、萘醌、苦味酸中的一种或几种。
本发明优势在于：
（1）有机物包覆磁性纳米颗粒后，与甲基丙烯酸酯进行复合，得到浸渗剂，经固化处理后，其耐热的温度大大提高，可达250-260℃，在此温度范围内，浸渗剂稳定存在、不易分解，保持较高的密封性能。
（2）其耐油特性也大幅提高，可以耐受沸腾的机油，远比没有加入磁性纳米颗粒的浸渗剂更高。本发明制备得到的浸渗剂为低粘度型浸渗剂，粘度低于18mPa·s。
（3）脂肪醇聚氧乙烯醚、甲氧基聚乙二醇、马来酸酐、四乙基氯化铵、苯甲酰氯提高渗透剂的渗透性和降低渗透剂的黏度。
（4）阴离子聚丙烯酰胺、月桂醇硫酸酯铵盐、山梨醇、频哪醇增加浸渗剂的稳定性。
（5）3-氧代-1-环戊烷羧酸、组胺磷酸盐、四羟甲基硫酸磷增加了纳米颗粒磁性。
以下是本发明的具体实施例，普通磁性渗透剂是从市场选择一种进行对比。
实施例1：
（1）以纳米三氧化二铁1kg为原料，加入0.5kg盐酸，30℃反应2h，用氨水2kg为沉淀剂，加入正十二烷3kg，在60℃下反应1h，加入油酸0.6kg、3-氧代-1-环戊烷羧酸0.02kg、组胺磷酸盐0.02kg、四羟甲基硫酸磷0.01kg，反应温度70℃，反应时间2h，产物油水分离、脱水干燥后，制得含磁性纳米颗粒的稳定悬浮体；
（2）加入步骤（1）的稳定悬浮体1kg、甲基丙烯酸丙酯2kg、过氧化苯甲酰0.028kg，搅拌速度为100rpm，温度为60℃，气压为0.5atm，反应时间1h，加入阴离子聚丙烯酰胺0.01kg、月桂醇硫酸酯铵盐0.05kg、山梨醇0.04kg、频哪醇0.05kg, 70℃搅拌反应2h，得改性悬浮体；
（3）待改性悬浮体待冷却后，加入脂肪醇聚氧乙烯醚0.6kg、甲氧基聚乙二醇0.2kg、马来酸酐0.1kg，搅拌速度300rpm，70℃反应时间3h，加入阻聚剂苯醌500ppm，50℃搅拌反应1h，即得磁性浸渗剂。
由实施例1所得到浸渗剂的物理性质如下：
| 测试内容 | 本发明 | 普通磁性渗透剂 |
| 密度，kg/m3 | 1.05×103 | 1.18×103 |
| 粘度，mPa·s | 6.21 | 8.45 |
| 固化时间，s | 169 | 260.8 |
| 固化后体积，% | 98.2 | 212 |
| 固化物硬度，D | 92.3 | 87.2 |
实施例2：
（1）以四氧化三铁1kg为原料，加入2kg盐酸，30℃反应2h，用氨水5kg为沉淀剂，加入丙烷4kg，在100℃下反应1h，加入油酸0.8kg、3-氧代-1-环戊烷羧酸0.06kg、组胺磷酸盐0.07kg、四羟甲基硫酸磷0.03kg，反应温度70℃，反应时间3h，产物油水分离、脱水干燥后，制得含磁性纳米颗粒的稳定悬浮体；
（2）加入步骤（1）的稳定悬浮体2kg、甲基丙烯酸丁酯3kg、异丙苯过氧化氢0.04kg，搅拌速度为200rpm，温度为60℃，气压为0.5atm，反应时间1h，加入阴离子聚丙烯酰胺0.02kg、月桂醇硫酸酯铵盐0.07kg、山梨醇0.06kg、频哪醇0.08kg, 70℃搅拌反应2h，得改性悬浮体；
（3）待改性悬浮体待冷却后，加入脂肪醇聚氧乙烯醚0.8kg、甲氧基聚乙二醇0.7kg、马来酸酐0.6kg，搅拌速度500rpm，70℃反应时间3h，加入苯醌500ppm，50℃搅拌反应1h，即得磁性浸渗剂。
由实施例2所得到浸渗剂的物理性质如下：
| 测试内容 | 结果 | 普通磁性渗透剂 |
| 密度，kg/m3 | 1.22×103 | 1.18×103 |
| 粘度，mPa·s | 6.2 | 8.45 |
| 固化时间，s | 135 | 260.8 |
| 固化后体积，% | 95.1 | 212 |
| 硬度，D | 98.3 | 87.2 |
实施例3：
（1）以纳米二氧化钛1kg为原料，加入1.25kg盐酸，30℃反应2h，用氨水3.5kg为沉淀剂，加入正己烷3.5kg，在80℃下反应1h，加入油酸0.7kg、3-氧代-1-环戊烷羧酸0.04kg、组胺磷酸盐0.045kg、四羟甲基硫酸磷0.02kg，反应温度70℃，反应时间2.5h，产物油水分离、脱水干燥后，制得含磁性纳米颗粒的稳定悬浮体；
（2）加入步骤（1）的稳定悬浮体1.5kg、甲基丙烯酸酯类单体2.5g、过氧化甲苯酸叔丁基0.034kg，搅拌速度为150rpm，温度为60℃，气压为0.5atm，反应时间1h，加入阴离子聚丙烯酰胺0.015kg、月桂醇硫酸酯铵盐0.06kg、山梨醇0.05kg、频哪醇0.065kg, 70℃搅拌反应2h，得改性悬浮体；
（3）待改性悬浮体待冷却后，加入脂肪醇聚氧乙烯醚0.7kg、甲氧基聚乙二醇0.45kg、马来酸酐0.35kg、四乙基氯化铵1kg、苯甲酰氯1.5kg，搅拌速度400rpm，70℃反应时间3h，加入蒽醌500ppm，50℃搅拌反应1h，即得磁性浸渗剂。
由实施例3所得到浸渗剂的物理性质如下：
| 测试内容 | 结果 | 普通磁性渗透剂 |
| 密度，kg/m3 | 1.08×103 | 1.18×103 |
| 粘度，mPa·s | 8.1 | 8.45 |
| 固化时间，s | 175 | 260.8 |
| 固化后体积，% | 97.8 | 212 |
| 硬度，D | 76.7 | 87.2 |
实施例4：
（1）以纳米三氧化二铁1kg为原料，加入0.5kg盐酸，30℃反应2h，用氨水2kg为沉淀剂，加入正庚烷3kg，在60℃下反应1h，加入油酸0.6kg、3-氧代-1-环戊烷羧酸0.02kg、组胺磷酸盐0.02kg、四羟甲基硫酸磷0.01kg，反应温度70℃，反应时间2h，产物油水分离、脱水干燥后，制得含磁性纳米颗粒的稳定悬浮体；
（2）加入步骤（1）的稳定悬浮体1kg、甲基丙烯酸庚酯2kg、过氧化二异丙苯0.028kg，搅拌速度为100rpm，温度为60℃，气压为0.5atm，反应时间1h，加入阴离子聚丙烯酰胺0.01kg、月桂醇硫酸酯铵盐0.05kg、山梨醇0.04kg、频哪醇0.05kg, 70℃搅拌反应2h，得改性悬浮体；
（3）待改性悬浮体待冷却后，加入脂肪醇聚氧乙烯醚0.6kg、甲氧基聚乙二醇0.2kg、马来酸酐0.1kg四乙基氯化铵0.1kg、苯甲酰氯0.15kg，搅拌速度300rpm，70℃反应时间3h，加入萘醌500ppm，50℃搅拌反应1h，即得磁性浸渗剂。
由实施例4所得到浸渗剂的物理性质如下：
| 测试内容 | 结果 | 普通磁性渗透剂 |
| 密度，kg/m3 | 1.19×103 | 1.18×103 |
| 粘度，mPa·s | 8.9 | 8.45 |
| 固化时间，s | 171 | 260.8 |
| 固化后体积，% | 96.7 | 212 |
| 硬度，D | 83.4 | 87.2 |
Claims (6)
1.金属铸件用磁性纳米改性甲基丙烯酸酯磁性浸渗剂的方法，其特征在于：
以可溶性的纳米材料1kg为原料，加入0.5~2kg盐酸，30℃反应2h，用氨水2~5kg为沉淀剂，加入低沸点溶剂3~4kg，在60~100℃下反应1h，加入油酸0.6~0.8kg、3-氧代-1-环戊烷羧酸0.02~0.06kg、组胺磷酸盐0.02~0.07kg、四羟甲基硫酸磷0.01~0.03kg，反应温度70℃，反应时间2~3h，产物油水分离、脱水干燥后，制得含磁性纳米颗粒的稳定悬浮体；
加入步骤（1）的稳定悬浮体1~2kg、甲基丙烯酸酯类单体2~3kg、引发剂0.028~0.04kg，搅拌速度为100~200rpm，温度为60℃，气压为0.5atm，反应时间1h，加入阴离子聚丙烯酰胺0.01~0.02kg、月桂醇硫酸酯铵盐0.05~0.07kg、山梨醇0.04~0.06kg、频哪醇0.05~0.08kg,70℃搅拌反应2h，得改性悬浮体；
待改性悬浮体待冷却后，加入脂肪醇聚氧乙烯醚0.6~0.8kg、甲氧基聚乙二醇0.2~0.7kg、马来酸酐0.1~0.6kg，搅拌速度300~500rpm，70℃反应时间3h，加入阻聚剂500ppm，50℃搅拌反应1h，即得磁性浸渗剂。
2.根据权利要求1所述的金属铸件用磁性纳米改性甲基丙烯酸酯磁性浸渗剂的方法，其特征在于纳米材料为纳米三氧化二铁、四氧化三铁、纳米二氧化中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的金属铸件用磁性纳米改性甲基丙烯酸酯磁性浸渗剂的方法，其特征在于低沸点溶剂为碳氢化合物的溶剂，碳含量在三个到十二个，即丙烷到十二烷，为单一的碳氢化合物或者其混合物。
4.根据权利要求1所述的金属铸件用磁性纳米改性甲基丙烯酸酯磁性浸渗剂的方法，其特征在于：甲基丙烯酸酯类为甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸戊酯、甲基丙烯酸异戊酯、甲基丙烯酸己酯、甲基丙烯酸异己酯、甲基丙烯酸庚酯、甲基丙烯酸异庚酯、甲基丙烯酸辛酯、甲基丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸壬酯、甲基丙烯酸异壬酯、甲基丙烯酸葵酯、甲基丙烯酸异葵酯、甲基丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸油醇酯、甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸十八烯酯、二甲基丙烯酸多缩乙二醇酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸丁二醇酯、二甲基丙烯酸己二醇酯中的一种或二种以上任意比的混合物。
5.根据权利要求1所述的金属铸件用磁性纳米改性甲基丙烯酸酯磁性浸渗剂的方法，其特征在于：引发剂过氧化苯甲酰，异丙苯过氧化氢，过氧化甲苯酸叔丁基，过氧化二异丙苯，偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈中的一种或二种以上任意比的混合物。
6.根据权利要求1所述的磁性纳米改性甲基丙烯酸酯磁性浸渗剂的方法，其特征在于：阻聚剂为苯二酚、苯醌、蒽醌、萘醌、苦味酸中的一种或几种。
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2016
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