CN110591366B - 一种控制磁性粒子径向分布的磁流变弹性体制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制磁性粒子径向分布的磁流变弹性体制备方法，制备步骤为：(1)将磁性粒子与助剂混合均匀，将得到的混合物加入到流体态橡胶原料中利用高速搅拌机搅拌，使磁性粒子在橡胶基体中分布均匀；(2)混合物搅拌均匀后放入真空容器中抽真空去除混合物内部的气泡；(3)再将步骤(2)中得到的混合物倒入圆筒形的模具中，将模具密封后水平放置，使模具沿着水平轴线旋转，混合物边旋转边固化，通过调节模具转速大小及其转速变化规律，控制磁性粒子在橡胶基体中沿径向的分布规律。本发明提出的通过控制模具的旋转速度来实现磁性粒子在橡胶基体中的分布的方法相对操作简便、易于实现且大大降低成本。
Description
技术领域
本发明公开了一种控制磁性粒子径向分布的磁流变弹性体的制备方法，属于磁流变材料领域。
背景技术
磁流变弹性体，是一种新兴的智能材料，将微米尺度的磁性粒子加入到橡胶基体中混合，在磁场环境下固化，使基体中的铁磁性粒子具有链状或柱状结构。在外加磁场作用下，磁流变弹性体的性能会发生较大的变化，磁流变弹性体具有快速响应，可控可逆等特性。因而在汽车、建筑等领域有着广泛的应用前景。
以往为了使磁性粒子在橡胶基体中具有链状或柱状结构，使磁流变弹性体具有各向异性，一般在磁流变弹性体固化过程中外加磁场预结构化，来提高磁流变弹性体的磁流变效应。在之前的研究中，磁流变弹性体多用于汽车、火车、舰船的减振阻尼方面，而将磁流变弹性体作为介质来成形大型复杂曲面构件的研究还很少，对于这种大型的磁流变弹性体，制备过程中对磁场发生装置的要求很高，要求磁场发生装置在大磁场范围的情况下保持大的磁场强度，这将会大大增加磁场发生装置的制作难度和延长制作周期，甚至难以完成它的制作，极大限制了磁流变弹性体在成形方面的应用。
因此在磁流变弹性体的制备过程中，如何在不外加磁场条件下也能使磁性粒子在橡胶基体中呈现出链状或柱状排列显得尤为重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种控制磁性粒子径向分布的磁流变弹性体的制备方法，在无外加磁场的情况下实现磁性粒子的规律排布，根据橡胶基体的种类不同，可采用一步法或分多步骤实现上述制备过程。本发明提供的磁流变弹性体，具有较好的强度和磁流变效应，并且制备工艺简单，对设备要求低，易于实现产业化。
一种控制磁性粒子径向分布的磁流变弹性体制备方法，制备步骤为：
(1)将磁性粒子与助剂混合均匀，将得到的混合物加入到流体态橡胶原料中利用高速搅拌机搅拌，使磁性粒子在橡胶基体中分布均匀；
(2)混合物搅拌均匀后放入真空容器中抽真空去除混合物内部的气泡；
(3)再将步骤(2)中得到的混合物倒入圆筒形的模具中，将模具密封后水平放置，使模具沿着水平轴线旋转，混合物边旋转边固化，通过调节模具转速大小及其转速变化规律，控制磁性粒子在橡胶基体中沿径向的分布规律。
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：通过调节模具的转速及其变化规律来控制磁性粒子在橡胶基体中沿径向的分布规律，离心力F：
F＝mω2r
式中：m—粒子质量，ω—角速度，r—粒子距旋转轴线的距离
转速较低时，磁性粒子所受的离心力小于自身重力与橡胶基体对磁性粒子的阻力之和，此时橡胶基体中的磁性粒子会朝着旋转轴线移动；
转速较高时，磁性粒子所受的离心力大于自身重力与橡胶基体对磁性粒子的阻力之和，此时橡胶基体中的磁性粒子会朝着磁流变弹性体的圆周移动。
在制备过程中，通过控制模具的转速及变化，即转速-时间曲线，可根据实际需求制备出沿径向规律分布的磁流变弹性体。
所述的制备方法，所述橡胶基体包括硅橡胶和橡胶胶乳溶液，橡胶胶乳溶液包括天然橡胶和丁苯橡胶，橡胶基体所占质量比为15％-30％。
所述的制备方法，所述磁性粒子为球状微米级羰基铁粉，磁性粒子所占质量比为40％-70％。
所述的制备方法，所述助剂包括增塑剂、硫化剂，助剂所占质量比为15％-30％。
所述的制备方法，所述橡胶基体为硅橡胶时，所述助剂为增塑剂。
所述的制备方法，所述橡胶基体为橡胶胶乳溶液时，所述助剂为硫化剂。
所述的制备方法，所述橡胶基体为硅橡胶时，制备步骤为：将磁性粒子、增塑剂和橡胶基体混合均匀，将混合物倒入模具中；在固化成型的过程中使模具水平放置沿中心轴线旋，通过控制转速及其变化得到所需的磁流变弹性体。
所述的制备方法，所述橡胶基体为橡胶胶乳溶液时，制备步骤为：
将磁性粒子、橡胶基体和硫化剂混合均匀，将混合物倒入模具中；模具水平放置沿中心轴线旋转使得磁性粒子在橡胶基体中呈现规律排布；再把得到的混合物放于冰箱中冷冻，固定磁性粒子在橡胶基体中的位置；将冷冻后的圆柱棒放入烘箱中干燥；待干燥完成后再模压成型，便得到了所需的磁流变弹性体。
本发明具有以下有益效果：
(1)不需要外加磁场。与现有技术相比，本发明提出的通过控制模具的旋转速度来实现磁性粒子在橡胶基体中的规律分布的方法相对操作简便、易于实现且大大降低成本，不需要外加磁场装置便可使磁性粒子在橡胶基体中规律排布，尤其是对于那些大体积的磁流变弹性体，对所需的磁场装置要求也较高，成本极高且制作周期长，本发明提供的磁流变弹性体的制备方法则更为有效。
(2)本发明通过控制模具的转速及其变化，改善了磁性粒子在橡胶基体中沿径向的分布，有利于提高磁流变弹性体的磁流变效应，拓宽磁流变弹性体在介质压力成形领域的应用范围。
(3)通过控制转速随时间的变化，即转速-时间曲线，可以根据实际需要实现磁性粒子在橡胶基体中径向分布的任意控制，使得磁流变弹性体在介质压力成形领域拥有较大的优势。
(4)基体种类多。可以选用不同的橡胶基体比如硅橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶等，都可以满足需求。
附图说明
图1是本发明制备的大部分磁性粒子在橡胶基体中心轴线上分布的磁流变弹性体示意图。
图2是本发明制备的大部分磁性粒子在橡胶基体圆周上分布的磁流变弹性体示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
具体实施方式一
用本发明方法制备如图1所示的大部分磁性粒子在硅橡胶基体中心轴线上分布的磁流变弹性体。按照硅橡胶20％，羰基铁粉60％，增塑剂20％的比例配制原材料，并将配好的硅橡胶和羰基铁粉置于真空干燥箱中80℃干燥2小时；磁性粒子与增塑剂混合均匀；将二者的均匀混合物加入到流体态硅橡胶原料中利用高速搅拌机搅拌10～15min，使磁性粒子在橡胶基体中分布均匀；搅拌均匀后将混合物放入真空容器中抽真空30～35分钟去除混合物内部的气泡；把去除气泡后的混合物倒入模具中水平密封放置，绕水平轴线边旋转边固化成型。模具绕轴线旋转速度小于84r/min时，磁性粒子所受的离心力小于自身重力与橡胶基体对粒子的阻力之和，橡胶基体中的磁性粒子会朝着旋转轴线移动，得到了大部分磁性粒子在硅橡胶基体中心轴线上分布的磁流变弹性体。只要旋转时间足够长，所有磁性粒子都会在橡胶基体中心轴线附近分布。
具体实施方式二
本发明方法制备如图2所示的大部分磁性粒子在硅橡胶基体圆周上分布的磁流变弹性体。按照硅橡胶20％，羰基铁粉60％，增塑剂20％的比例配制原材料，并将配好的硅橡胶和羰基铁粉置于真空干燥箱中80℃干燥2小时；磁性粒子与增塑剂混合均匀；将二者的均匀混合物加入到流体态硅橡胶原料中利用高速搅拌机搅拌10～15min，使磁性粒子在橡胶基体中分布均匀；搅拌均匀后将混合物放入真空容器中抽真空30～35分钟去除混合物内部的气泡；把去除气泡后的混合物倒入模具中水平放置，边旋转边固化成型。模具绕轴线旋转速度大于200r/min时，最靠近轴线的磁性粒子所受的离心力也大于自身重力与橡胶基体对它的阻力之和，橡胶基体中的磁性粒子会朝着磁流变弹性体的圆周移动，得到了大部分磁性粒子在硅橡胶基体圆周上聚集的磁流变弹性体。只要旋转时间足够长，所有磁性粒子都会在橡胶基体圆周上分布。
具体实施方式三
用本发明方法制备磁性粒子在硅橡胶基体中沿径向任意分布的磁流变弹性体。按照硅橡胶20％，羰基铁粉60％，增塑剂20％的比例配制原材料，并将配好的硅橡胶和羰基铁粉置于真空干燥箱中80℃干燥2小时；磁性粒子与增塑剂混合均匀；将二者的均匀混合物加入到流体态硅橡胶原料中利用高速搅拌机搅拌10～15min，使磁性粒子在橡胶基体中分布均匀；搅拌均匀后将混合物放入真空容器中抽真空30～35分钟去除混合物内部的气泡；把去除气泡后的混合物倒入模具中水平放置，边旋转边固化成型。控制模具绕中心轴线的旋转速度及其变化，即转速-时间曲线(根据实际需要控制)，可得到所需的磁性粒子在硅橡胶基体中沿径向规律分布的磁流变弹性体。
具体实施方式四
用本发明方法制备磁性粒子在天然橡胶基体中沿径向任意分布的磁流变弹性体。按照天然橡胶20％，羰基铁粉60％，硫化剂20％的比例配制原材料，并将配好的原材料置于真空干燥箱中80℃干燥2小时；磁性粒子与硫化剂混合均匀；将二者的均匀混合物加入到流体态天然橡胶原料中利用高速搅拌机搅拌10～15min，使磁性粒子在橡胶基体中分布均匀；搅拌均匀后将混合物放入真空容器中抽真空30～35分钟去除混合物内部的气泡；把去除气泡后的混合物倒入模具中，并使模具水平放置绕中心轴线旋转，通过控制模具绕中心轴线的旋转速度及其变化，即转速-时间曲线(根据实际需要控制)，实现磁性粒子在天然橡胶基体中沿径向任意分布；再将上述得到的混合物放于冰箱中冷冻，固定磁性粒子在橡胶基体中的位置；将冷冻后的圆柱棒放入烘箱中干燥；最后待干燥完成后便模压成型，得到所需的磁性粒子在天然橡胶基体中沿径向规律分布的磁流变弹性体。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种控制磁性粒子径向分布的磁流变弹性体制备方法，其特征在于，制备步骤为：
（1）将磁性粒子与助剂混合均匀，将得到的混合物加入到流体态的橡胶基体中利用高速搅拌机搅拌，使磁性粒子在橡胶基体中分布均匀；
（2）混合物搅拌均匀后放入真空容器中抽真空去除混合物内部的气泡；
（3）再将步骤（2）中得到的混合物倒入圆筒形的模具中，将模具密封后水平放置，使模具沿着水平轴线旋转，混合物边旋转边固化；通过调节模具的转速及其变化规律来控制磁性粒子在橡胶基体中沿径向的分布规律，离心力F：
式中：m—粒子质量，
—角速度，r—粒子距旋转轴线的距离；
转速较高时，磁性粒子所受的离心力大于自身重力与橡胶基体对磁性粒子的阻力之和，此时橡胶基体中的磁性粒子会朝着磁流变弹性体的圆周移动；模具绕轴线旋转速度大于200r/min；
在制备过程中，通过控制模具的转速及变化，即转速-时间曲线，可根据实际需求制备出沿径向规律分布的磁流变弹性体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述橡胶基体包括硅橡胶和橡胶胶乳溶液，橡胶胶乳溶液包括天然橡胶和丁苯橡胶，橡胶基体所占质量比为15%-30%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述磁性粒子为球状微米级羰基铁粉，磁性粒子所占质量比为40%-70%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述助剂包括增塑剂、硫化剂，助剂所占质量比为15%-30%。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述橡胶基体为硅橡胶时，所述助剂为增塑剂。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述橡胶基体为橡胶胶乳溶液时，所述助剂为硫化剂。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述橡胶基体为硅橡胶时，制备步骤为：将磁性粒子、增塑剂和橡胶基体混合均匀，将混合物倒入模具中；在固化成型的过程中使模具水平放置沿中心轴线旋转，通过控制转速及其变化得到所需的磁流变弹性体。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述橡胶基体为橡胶胶乳溶液时，制备步骤为：
将磁性粒子、橡胶基体和硫化剂混合均匀，将混合物倒入模具中；模具水平放置沿中心轴线旋转使得磁性粒子在橡胶基体中呈现规律排布；再把得到的混合物放于冰箱中冷冻，固定磁性粒子在橡胶基体中的位置；将冷冻后的圆柱棒放入烘箱中干燥；待干燥完成后再模压成型，便得到了所需的磁流变弹性体。
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