CN108624235A - 一种抗氧化的水基磁流变抛光液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗氧化的水基磁流变抛光液新配方，由下述体积组分组成：水基复合载液40％‑60％，微粉添加组分35％‑65％，抗氧化添加组分2％‑10％。其中，水基复合载液为去离子水、电解液、表面活性剂和润滑剂组成。微粉添加组分由羰基铁粉和抛光粉组成。抗氧化添加组分由微米锌粉和多孔活性碳粉组成。其配置方法为将去离子水、电解液和润滑剂超声分散混合均匀，接着加入表面活性剂和消泡剂充分溶解，得水基复合载液；再加入PH调节剂调节PH至9～11；将微粉添加组分和抗氧化添加组分与水基复合载液混合，在室温下置于超声搅拌器中搅拌1～2h，得抗氧化水基磁流变抛光液。本发明的抛光液稳定性好、流变性高、抗氧化性能强且制备工艺简单环保，成本低廉。

Description

一种抗氧化的水基磁流变抛光液及其制备方法

技术领域

本发明属于玻璃、蓝宝石基片等光学材料抛光加工领域，具体涉及一种抗氧化性强水基磁流变抛光液及其制备方法。

背景技术

手机、平板电脑及数码相机等产品的普及，促进了光学玻璃、蓝宝石基片在民用领域的广泛应用，市场对平面高精度的镜片需求越来越大。传统的抛光方法能对平面玻璃材料进行抛光，但其加工效率和精度难以满足市场的需求。因此迫切需要发展新型高效率、高精度的抛光技术。磁流变抛光技术(MRF)是近二十年发展起的一种新型光整加工技术，在光学加工中具有传统加工方法无法比拟的优点。它能够加工出超光滑表面，同时不会产生亚表面层损伤，是一种柔性可控的抛光方式。在高强度梯度磁场中，磁流变抛光液会变硬，形成具有粘塑性的Bingham介质，并形成缎带凸起，当介质从工件与运动盘形成的微小间隙流过时，磁流变硬化区与加工工件相互作用的区域会产生很强的剪切力，从而实现材料去除。

当前，磁流变抛光技术主要应用于科研、军事、光学制造领域，对磁流变抛光液追求的主要性能为长期稳定性，在一定时间内保持去除函数稳定。要实现磁流变抛光技术向民用领域过渡，其关键是要增加磁流变抛光的加工效率和降低磁流变抛光技术的使用成本。传统磁流变抛光采用轮式抛光法，抛光接触为点接触，具有可控性好、易于补偿、可达到极高的面型精度等优势，但加工效率低，使用成本高。目前，一种基于盘式抛光开发的磁流变大面积研抛方式，大大提高了磁流变抛光的去除效率，解决了传统轮式抛光点对点抛光效率低的问题。

盘式磁流变大面积研抛装置原理图如附图1所示，受盘式磁流变抛光方式结构布置的影响，抛光盘表面积大，加上水基磁流变液中的羰基铁粉为微米级的粒子，其表面积很大，使得磁流变液与空气接触面积更大，并且由于工件对磁流变液的搅动，极大加剧了磁流变抛光液中羰基铁粉与水、空气中的氧气之间的接触，极易发生氧化反应和电化学腐蚀，使得水基磁流变液的抗氧化性差。羰基铁粉氧化导致磁流变抛光液的剪切应力降低，流变性变差，磁流变抛光液的去除效率降低。当去除率降低到一定程度，磁流变抛光液将不能继续使用，需要配置新的液体。这就导致了盘式磁流变液的使用寿命比传统轮式磁流变抛光更短。因此，降低磁流变抛光技术的使用成本关键在于如何延长磁流变液的使用寿命，提高磁流变液的抗氧化性能，使其在有限的成本内创造更多的效益。

美国QED公司申请的水基磁流变抛光液专利(US 5804095),其采用的抗氧化剂是添加一定量的Na₂CO₃，使磁流变抛光液PH呈弱碱性，从而延缓羰基铁粉的氧化速率，但对于盘式水基磁流变抛光方式磁流变液抗氧化效果小。中国专利(CN 101250380A)采用的抗氧化剂是亚硝酸钠和苯甲酸钠。亚硝酸钠和苯甲酸钠是常用的防腐剂和防锈剂，但其只有在高比例添加下才有效果；其次，上述两种添加剂单配，或者复配都不能够提供碱性环境，对液体的防氧化性作用小。

发明内容

为解决上述盘式磁流变抛光液抗氧化性弱的缺陷，本发明提供了一种抗氧化性强，成本低廉，制备工艺简单环保的用于玻璃、蓝宝石基片磁流变抛光的水基磁流变抛光液。该配方通过添加抗氧化组分及电解液，其中抗氧化组分包含有高纯锌粉和多孔活性碳粉，多孔活性碳粉起催化作用，并且吸附抛光液中的氧气作为活性物质。在碱性电解液的环境下，在磁流变液中形成大量微小的碱性锌空气电池，将会发生以下氧化还原反应：阳极—锌粉在电解液中失去电子；阴极—起催化作用的活性碳粉吸收磁流变液体中以及与空气界面处的氧气，在电解液中得到电子。其反应方程式如下：

阳极：Zn+2OH–→ZnO+H₂O+2e–

阴极：O₂+2H₂O+4e–→4OH–

综合：2Zn+O₂→2ZnO

经过上述所形成大量的碱性锌空气电池，发生的氧化还原反应，将极大的消耗磁流变液中以及其与空气界面处的氧气，尽可能阻碍磁流变液中的羰基铁粉被氧化，从而达到增强磁流变液抗氧化性的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种抗氧化的磁流变抛光液新配方，其特征在于它由下列组成成分按照体积比构成：水基复合载液40％-60％，微粉添加组分35％-65％，抗氧化添加组分2％-10％。其中，上述水基复合载液成分包括去离子水，电解液，表面活性剂，润滑剂，按下述体积百分比组成：去离子水80％-90％，电解液10％-20％，表面活性剂4％-8％，润滑剂2％-10％。微粉添加组分包含羰基铁粉，抛光粉，按下述体积百分比组成：羰基铁粉80％-95％，抛光粉5％-20％。抗氧化添加组分为高纯锌粉，多孔活性碳粉，按下述体积百分比组成：微米锌粉30％-70％，多孔活性碳粉30％-70％。

所述电解液为饱和了ZnO的KOH的水溶液或NaOH溶液，溶液中含有减缓锌腐蚀的无机缓蚀剂或有机缓蚀剂；所述表面活性剂为高分子聚合物聚乙烯吡咯烷酮；所述润滑剂为聚乙二醇。

所述水基复合载液还包括体积百分比计0.5％-2％的PH调节剂和0.5％-2％的防泡沫剂，所述PH调节剂为40％-60％浓度KOH溶液或40％-60％浓度NaOH溶液；防泡剂为丙二醇和甘油，按下述体积百分比组成：丙二醇20％-30％，甘油70％-80％；或所述防泡剂为植物油。

所述羰基铁粉粒径4μm，其粒度分布为为D50；所述抛光粉为氧化铈、氧化铝、碳化硅或金刚石微粉。其中，氧化铈平均粒径为0.5μm，1μm，2μm，3μm，5μm；氧化铝的平均粒径为0.05μm，0.5μm，1μm，3μm，10μm；碳化硅的平均粒径为0.5μm，1μm，2μm，3μm，5μm；金刚石的平均粒径为0.05μm，0.1μm，0.5μm，1μm，2μm。所述高纯锌粉的平均粒径为5μm，多孔活性碳粉的平均粒径为10μm。

本发明所述用于平面研抛的抗氧化磁流变抛光液制备方法，其制备步骤：

步骤一、按去离子水80％-90％，电解液10％-20％，和润滑剂2％-10％的体积比例，将去离子水、电解液和润滑剂混合均匀，在超声波清洗机中设定40℃，超声分散30～60分钟，得复合液。

步骤二、将表面活性剂按照水基复合载液体积比例的4％-8％，加入步骤一所得的复合液，在室温下搅拌10～15分钟，溶解后在超声清洗机中设定40℃，超声分散30～60分钟，得水基复合基载液。

步骤三、按照水基复合载液体积比例的0.5％-2％，添加防泡剂，在超声清洗机中设定40℃，超声分散10～20分钟。

步骤四、按照水基复合载液体积比例的0.5％-2％，添加PH调节剂，在室温下搅拌5分钟，调节PH值至9～11。

步骤五、按照体积比例水基复合载液40％-60％，微粉添加组分35％-65％，抗氧化添加组分2％-10％，将微粉添加组分和抗氧化组分与步骤一、二所得水基复合载液混合，在室温下置于超声搅拌器中搅拌1～2h，得抗氧化水基磁流变抛光液。其中，微粉添加组分的体积比为：羰基铁粉80％-95％，抛光粉5％-20％；抗氧化添加组分的体积比为：微米锌粉30％-70％，多孔活性碳粉30％-70％。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的水基磁流变抛光液，抗氧化能力强，能长时间重复利用，适用于盘式磁流变抛光加工平面玻璃、蓝宝石基片，降低其使用成本。

2、本发明的水基磁流变抛光液，在磁场下形成的硬化区屈服极限强，能提高盘式磁流变抛光方式的材料去除能力。

3、本发明的水基磁流变抛光液，所用锌粉来源丰富、价格便宜，而且反应主要产物为氧化锌，环保无污染。

4、本发明的水基磁流变抛光液，配置方法简单、环保，成本低。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1为本发明所用的盘式磁流变抛光装置原理图；

图2为本发明各实施例的所用羰基铁粉粒径分布SEM图像；

图3为本发明实施例1中不含抗氧化添加组分磁流变抛光液试验3天后的变化图；

图4为本发明实施例1中含抗氧化添加组分磁流变抛光液试验3天后的变化图

图5为本发明实施例2中不含抗氧化添加组分磁流变抛光液试验3天后的变化图；

图6为本发明实施例2中含抗氧化添加组分磁流变抛光液试验3天后的变化图；

其中

1-夹具，2-工件，3-抗氧化磁流变抛光液，4-抛光盘，5-抛光垫，6-励磁装置，7-MR硬化研抛工具。

具体实施方式

为更详细的阐述此发明，下面结合平面K9玻璃和蓝宝石基片对磁流变抛光液的要求，配制两种典型的实例，对本发明作进一步的描述。

实施例1：

配制一种用于K9玻璃抛光水基磁流变抛光液1000mL，以氧化铈为抛光粉，其步骤如下：

步骤一、按去离子水85％即510ml，饱和了ZnO的NaOH电解液10％即60ml，和润滑剂5％即30ml的体积比例，将去离子水、电解液和润滑剂混合均匀，在超声波清洗机中设定40℃，频率60KHz，超声分散45分钟，得复合液600mL。

步骤二、将24mL聚乙烯吡络烷酮加入步骤一所得的复合液，在室温下搅拌10～15分钟，溶解后在超声清洗机中设定40℃，频率40KHz，超声分散30分钟，得水基复合基载液。

步骤三、往水基复合载液添加12mL甘油和6mL丙二醇作为防泡剂，在超声清洗机中设定40℃，频率28KHz，超声分散15分钟。

步骤四、用滴管添加PH调节剂，在室温下搅拌10分钟后用PH检测计实时测量，直至调节溶液PH值至10。

步骤五、按照体积比例水基复合载液60％即600ml，微粉添加组分35％即350ml，抗氧化添加组分5％即50ml，将微粉添加组分和抗氧化组分与步骤一、二所得水基复合载液混合，在室温下置于超声搅拌器中搅拌1～2h，得抗氧化水基磁流变抛光液。其中，微粉添加组分的体积为：羰基铁粉300ml，其平均粒径为3.2μm，抛光粉氧化铈50ml，其平均粒径为1μm；抗氧化添加组分的体积比为：微米锌粉20ml，多孔活性碳粉30ml。

步骤六、经上述步骤得本发明磁流变抛光液，放置于密封塑胶瓶中储藏备用。若经长时间沉淀抛光液分层，则将悬浊液置于超声搅拌器中搅拌1h后，方可使用。

为了验证抗氧化添加组分的添加效果，首先配置两种水基磁流变液试样#a和#b，分别进行K9玻璃磁流变抛光试验，比较两种水基磁流变液在空气中的抗氧化性。其中试样#a为含抗氧化添加组分的水基磁流变液，试样#b为不含抗氧化添加组分的水基磁流变液。试样#a和#b每天分别进行抛光试验8小时，持续3天试验，观察试样#a和#b两种抛光液的变化。不同的是：试样#b的颜色由浅灰色转变为褐色的氧化铁红，如图3所示，表明粒子被空气氧化；试样#a仍保留磁流变液的原有浅灰色，如图4所示，直观的表明本发明抗氧化添加组分提高了水基磁流变液的抗氧化性能。

实施例2：

配制一种用于蓝宝石基片抛光水基磁流变抛光液1000mL，以α-Al2O3为抛光粉，其步骤如下：

步骤一、按去离子水85％即425ml，饱和了ZnO的NaOH电解液10％即50ml，和润滑剂5％即25ml的体积比例，将去离子水、电解液和润滑剂混合均匀，在超声波清洗机中设定40℃，频率60KHz，超声分散45分钟，得复合液500mL。

步骤二、将24mL聚乙烯吡络烷酮加入步骤一所得的复合液，在室温下搅拌10～15分钟，溶解后在超声清洗机中设定40℃，频率40KHz，超声分散30分钟，得水基复合基载液。

步骤三、往水基复合载液添加12mL甘油和6mL丙二醇作为防泡剂，在超声清洗机中设定40℃，频率28KHz，超声分散15分钟。

步骤四、用滴管添加PH调节剂，在室温下搅拌10分钟后用PH检测计实时测量，直至调节溶液PH值至10。

步骤五、按照体积比例水基复合载液50％即500ml，微粉添加组分45％即450ml，抗氧化添加组分5％即50ml，将微粉添加组分和抗氧化组分与步骤一、二所得水基复合载液混合，在室温下置于超声搅拌器中搅拌1～2h，得抗氧化水基磁流变抛光液。其中，微粉添加组分的体积为：羰基铁粉300ml，其平均粒径为3.2μm，抛光粉α-Al2O375ml，其平均粒径为1μm,纳米二氧化硅微粉75ml，其平均粒径为50nm；抗氧化添加组分的体积比为：微米锌粉20ml，多孔活性碳粉30ml。

步骤六、经上述步骤得本发明磁流变抛光液，放置于密封塑胶瓶中储藏备用。若经长时间沉淀抛光液分层，则将悬浊液置于超声搅拌器中搅拌1h后，方可使用。

为了验证抗氧化添加组分的添加效果，首先配置两种水基磁流变液试样#c和#d，分别进行蓝宝石基片磁流变抛光试验，比较两种水基磁流变液在空气中的抗氧化性。其中试样#c为含抗氧化添加组分的水基磁流变液，试样#d为不含抗氧化添加组分的水基磁流变液。试样#c和#d每天分别进行抛光试验8小时，持续3天试验，观察试样#c和#d两种抛光液的变化。不同的是：试样#d的颜色由浅灰色转变为褐色的氧化铁红，如图5所示，表明粒子被空气氧化；试样#c仍保留磁流变液的原有浅灰色，如图6所示，直观的表明本发明抗氧化添加组分提高了水基磁流变液的抗氧化性能。

Claims (12)

1.本发明公开了一种抗氧化的水基磁流变抛光液新配方，其特征在于它由下列组成成分按照体积比构成：水基复合载液40％-60％，微粉添加组分35％-65％，抗氧化添加组分2％-10％。其中，上述水基复合载液成分包括去离子水，电解液，表面活性剂，润滑剂，按下述体积百分比组成：去离子水80％-90％，电解液10％-20％，表面活性剂4％-8％，润滑剂2％-10％。微粉添加组分包含羰基铁粉，抛光粉，按下述体积百分比组成：羰基铁粉80％-95％，抛光粉5％-20％。抗氧化添加组分为高纯锌粉，多孔活性碳粉，按下述体积百分比组成：微米锌粉30％-70％，多孔活性碳粉30％-70％。

2.根据权利要求1所述的抗氧化的磁流变抛光液新配方，其特征在于所述水基复合载液还包括体积百分比0.5％-2％的PH调节剂和0.5％-2％的防泡沫剂。

3.根据权利要求1和2所述的抗氧化磁流变抛光液新配方，其特征在于所述PH调节剂为40％-60％浓度KOH溶液或40％-60％浓度NaOH溶液。

4.根据权利要求1和2所述的抗氧化磁流变抛光液新配方，其特征在于所述防泡剂为丙二醇和甘油，按下述体积百分比组成：丙二醇20％-30％，甘油70％-80％；或所述防泡剂为植物油。

5.根据权利要求1所述的抗氧化的磁流变抛光液新配方，其特征在于所述电解液为饱和了ZnO的KOH的水溶液或NaOH溶液，溶液中含有减缓锌腐蚀的无机缓蚀剂或有机缓蚀剂。

6.根据权利要求1所述的抗氧化的磁流变抛光液新配方，其特征在于所述表面活性剂为高分子聚合物聚乙烯吡咯烷酮。

7.根据权利要求1所述的抗氧化的磁流变抛光液新配方，其特征在于所述润滑剂为聚乙二醇。

8.根据权利要求1所述的抗氧化的磁流变抛光液新配方，其特征在于所述羰基铁粉粒径为1-20μm，粒度分布为D50-D70。

9.根据权利要求1所述的抗氧化的磁流变抛光液新配方，其特征在于所述抛光粉为氧化铈、氧化铝、碳化硅或金刚石微粉。其中，氧化铈平均粒径为0.5μm，1μm，2μm，3μm，5μm；氧化铝的平均粒径为0.05μm，0.5μm，1μm，3μm，10μm；碳化硅的平均粒径为0.5μm，1μm，2μm，3μm，5μm；金刚石的平均粒径为0.05μm，0.1μm，0.5μm，1μm，2μm。

10.根据权利要求1所述的抗氧化的磁流变抛光液新配方，其特征在于高纯锌粉的平均粒径为1-5μm。

11.根据权利要求1所述的抗氧化的磁流变抛光液新配方，其特征在于多孔活性碳粉的平均粒径为5-10μm。

12.一种如权利要求1所述用于平面研抛的抗氧化磁流变抛光液制备方法，其特征在于制备步骤：

步骤一、按去离子水80％-90％，电解液10％-20％，和润滑剂2％-10％的体积比例，将去离子水、电解液和润滑剂混合均匀，在超声波清洗机中设定40℃，超声分散30～60分钟，得复合液。

步骤二、将表面活性剂按照水基复合载液体积比例的4％-8％，加入步骤一所得的复合液，在室温下搅拌10～15分钟，溶解后在超声清洗机中设定40℃，超声分散30～60分钟。

步骤三、按照水基复合载液体积比例的0.5％-2％，添加防泡剂，在超声清洗机中设定40℃，超声分散10～20分钟，得水基复合基载液。

步骤四、按照水基复合载液体积比例的0.5％-2％，添加PH调节剂，在室温下搅拌10分钟，调节PH值至9～11。

步骤五、按照体积比例水基复合载液40％-60％，微粉添加组分35％-65％，抗氧化添加组分2％-10％，将微粉添加组分和抗氧化组分与步骤一、二所得水基复合载液混合，在室温下置于超声搅拌器中搅拌1～2h，得抗氧化水基磁流变抛光液。其中，微粉添加组分的体积比为：羰基铁粉80％-95％，抛光粉5％-20％；抗氧化添加组分的体积比为：微米锌粉30％-70％，多孔活性碳粉30％-70％。