CN111040845A - 一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液及其制备方法，属于功能性材料技术领域，可以实现基于纳米级SiO2的特性，表面羟基值高，粒子易于团聚分散体系粘度极高，气相SiO2和亚微米SiO2易于通过级配的形式团聚更为紧密，可以与PEG200以氢键形成空间网络结构，得到稳定的SiO2/PEG分散体系，同时辅以功能纤维通过特殊的磁导尾撒装置在设定方向上添加至分散体系中，不仅强度高、抗剪性能强，同时还能提高纳米级SiO2的团聚性，形成的空间网络结构稳定性更高，在阻尼时的流动阻力更大，剪切增稠性更好，与传统的阻尼液相比阻尼效果得到显著提升，另外通过添加剂来提高性能和使用寿命，实现在各种环境下的优异阻尼效果。

Description

一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能性材料技术领域，更具体地说，涉及一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液及其制备方法。
背景技术
阻尼器，是以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置。利用阻尼来吸能减震不是什么新技术，在航天、航空、军工、枪炮、汽车等行业中早已应用各种各样的阻尼器（或减震器）来减振消能。从二十世纪七十年代后，人们开始逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中，其发展十分迅速。特别是有五十多年历史的液压粘滞阻尼器，在美国被结构工程界接受以前，经历了大量实验，严格审查，反复论证，特别是地震考验的漫长过程。
能够使仪表可动部分迅速停止在稳定偏转位置上的装置。地震仪器中，阻尼器用于吸收振动系统固有振动能量，其阻尼力一般与振动系统运动的速度成比例。主要有液体阻尼器、气体阻尼器和电磁阻尼器三类。阻尼器对于补偿拾振器摆系统中很小的摩擦和空气阻力，改善频率响应等具有重要作用。
目前的风机阻尼器大多为液体阻尼器，理想的液体阻尼器有油阻尼器，常用油类有硅油、篦麻油、机械油、柴油、机油、变压器油，其形式可做成板式、活塞式、方锥体、圆锥体等，但是无论什么形式对阻尼效果起到决定性作用的是液体介质，油因其自身的黏稠性而被应用在阻尼器上，但是阻尼效果有效，远远无法适用于大功率风机的阻尼要求，流体有层流和湍流两种流动状态，层流主要在低速流动时出现，湍流则主要在流速较高或流体受到较大外力作用时出现。流体流速较低时，每一层流体的速度不一致，这种速度梯度(dv/dx)便被称为也称剪切速率r，以上便是流体流动的基本性质。因为流体各层速度不一致，较慢的流体层会阻碍较快流体层的流动，流动阻力由此而产生，因此增大液体介质的流动阻力是提高其阻尼效果的关键。
发明内容
1．要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液及其制备方法，它可以实现基于纳米级SiO2的特性，表面羟基值高，粒子易于团聚分散体系粘度极高，气相SiO2和亚微米SiO2易于通过级配的形式团聚更为紧密，可以与PEG200以氢键形成空间网络结构，得到稳定的SiO2/PEG分散体系，同时辅以功能纤维通过特殊的磁导尾撒装置在设定方向上添加至分散体系中，不仅强度高、抗剪性能强，同时还能提高纳米级SiO2的团聚性，形成的空间网络结构稳定性更高，在阻尼时的流动阻力更大，剪切增稠性更好，与传统的阻尼液相比阻尼效果得到显著提升，另外通过添加剂来提高性能和使用寿命，实现在各种环境下的优异阻尼效果。
2．技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液，包括以下重量份数计的组分：聚乙二醇80-100份、二氧化硅粉末50-80份、功能纤维15-20份、硅烷偶联剂0.5-5份、阻燃剂1-3份、抗冻剂2-5份、防锈剂0.5-2份和消泡剂5-8份。
进一步的，所述聚乙二醇采用PEG200，常温下为液态的聚乙二醇只有PEG200、PEG400和PEG600，其中PEG200熔点为零下49℃，在大多数使用环境下可以保持液态，相对其他PEG，PEG200的分子量小，粘度适中，羟基值高，易与纳米SiO2以氢键形成空间网络结构，得到稳定的SiO2/PEG分散体系，故PEG200是分散介质的最佳选择。
进一步的，所述二氧化硅粉末包括气相SiO2和亚微米SiO2，气相SiO2的粒径为7-40nm，亚微米SiO2的粒径为100-500nm，且气相SiO2和亚微米SiO2的混合比例为1:2-3，表面羟基值高，粒子易于团聚分散体系粘度极高，气相SiO2和亚微米SiO2易于通过级配的形式团聚更为紧密，分散体系网络结构的稳定性显著提高，当二氧化硅粉末被分散于极性分散介质中时，通过表面硅羟基的氢键作用，SiO2粒子与液体分子被连接起来，形成了三维网络结构，体系的粘度因此增加，增稠性能得到提高；但是当体系受到外力作用时，氢键被破坏，空间网络结构也被破坏，分散体系的粘度下降；当外力撤销时，网络结构再次自主生成，体系的粘度亦恢复，这体现了SiO2分散体系的触变性。
进一步的，所述功能纤维为纳米纤维，直径为5-10nm，长度为50-100nm，纳米纤维强度高，表面能增大极不稳定，易于与纳米级SiO2结合加入至网状结构中起到增强作用，同时也起到增大流动阻力的作用。
进一步的，所述功能纤维的制备过程为通过电纺丝溶液静电纺丝得到，随后浸渍在纳米铁磁溶液中1-2h，于40℃下干燥后喷涂上彩色颜料得到，功能纤维具有响应磁场的特性，同时具有颜色，在HDPE材质的容器内容易观察到液面位置。
一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取亚微米SiO2并与磨球进行干磨，使其中较大的团聚体破碎，时间为30-45min，然后加入对应量的PEG200，球磨2-4h后，将分散后的液体倒入烧瓶中；
S2、保持油浴温度70-80℃，称取气相SiO2加入到烧瓶中，以300-400r/min的速度机械搅拌30-60min；
S3、依次称取硅烷偶联剂、阻燃剂、抗冻剂、防锈剂和消泡剂添加至烧瓶中，超声分散15-30min，在30-40℃的温度下保温30min；
S4、待烧瓶中液体自然冷却后静置1-2h，通过磁导尾撒装置将功能纤维与液体混合，随后在25℃下真空干燥12-24h至肉眼无法观察到气泡，密封保存，得到专用液。
进一步的，所述磁导尾撒装置包括储液箱，所述储液箱上侧设有升降板，所述升降板左右两端均固定连接有耳板，所述储液箱左右两端均安装有电动推杆，且电动推杆的输出端与耳板下端固定连接，所述升降板上开凿有若干均匀分布的安装孔，所述安装孔内固定连接有添加管，且添加管下端贯穿安装孔并延伸至储液箱内，所述添加管内开凿有环形分散孔，所述添加管下端固定连接有相匹配的环形磁铁。
进一步的，所述步骤S1中PEG200应提前预热至50-60℃。
进一步的，所述步骤S2中气相SiO2应缓慢且间隔加入，每次隔5min，添加次数不少于3次，且添加完成后的机械搅拌时间应超过10min。
进一步的，所述步骤S3中超声分散分为三阶段，持续时间为1:2:1，第一阶段功率和第三阶段的功率为90w，第二阶段的功率为120w。
3．有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本方案可以实现基于纳米级SiO2的特性，表面羟基值高，粒子易于团聚分散体系粘度极高，气相SiO2和亚微米SiO2易于通过级配的形式团聚更为紧密，可以与PEG200以氢键形成空间网络结构，得到稳定的SiO2/PEG分散体系，同时辅以功能纤维通过特殊的磁导尾撒装置在设定方向上添加至分散体系中，不仅强度高、抗剪性能强，同时还能提高纳米级SiO2的团聚性，形成的空间网络结构稳定性更高，在阻尼时的流动阻力更大，剪切增稠性更好，与传统的阻尼液相比阻尼效果得到显著提升，另外通过添加剂来提高性能和使用寿命，实现在各种环境下的优异阻尼效果。
附图说明
图1为本发明主要的组分表。
图2为本发明主要的流程示意图。
图3为本发明磁导尾撒装置部分的结构示意图。
图4为本发明功能纤维导向状态下的结构示意图。
图5为本发明SiO2/PEG分散体系形成的流程示意图。
图中标号说明：
1储液箱、2升降板、3电动推杆、4耳板、5添加管、6环形分散孔、7环形磁铁。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1，一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液，包括以下重量份数计的组分：聚乙二醇80份、二氧化硅粉末50份、功能纤维15份、硅烷偶联剂0.5份、阻燃剂1份、抗冻剂2份、防锈剂0.5份和消泡剂5份。
聚乙二醇采用PEG200，常温下为液态的聚乙二醇只有PEG200、PEG400和PEG600，其中PEG200熔点为零下49℃，在大多数使用环境下可以保持液态，相对其他PEG，PEG200的分子量小，粘度适中，羟基值高，易与纳米SiO2以氢键形成空间网络结构，得到稳定的SiO2/PEG分散体系，故PEG200是分散介质的最佳选择。
请参阅图5，二氧化硅粉末包括气相SiO2和亚微米SiO2，气相SiO2的粒径为7-40nm，亚微米SiO2的粒径为100-500nm，且气相SiO2和亚微米SiO2的混合比例为1:2，表面羟基值高，粒子易于团聚分散体系粘度极高，气相SiO2和亚微米SiO2易于通过级配的形式团聚更为紧密，分散体系网络结构的稳定性显著提高，当二氧化硅粉末被分散于极性分散介质中时，通过表面硅羟基的氢键作用，SiO2粒子与液体分子被连接起来，形成了三维网络结构，体系的粘度因此增加，增稠性能得到提高；但是当体系受到外力作用时，氢键被破坏，空间网络结构也被破坏，分散体系的粘度下降；当外力撤销时，网络结构再次自主生成，体系的粘度亦恢复，这体现了SiO2分散体系的触变性。
功能纤维为纳米纤维，直径为5-10nm，长度为50-100nm，纳米纤维强度高，表面能增大极不稳定，易于与纳米级SiO2结合加入至网状结构中起到增强作用，同时也起到增大流动阻力的作用功能纤维的制备过程为通过电纺丝溶液静电纺丝得到，随后浸渍在纳米铁磁溶液中1h，于40℃下干燥后喷涂上彩色颜料得到，功能纤维具有响应磁场的特性，同时具有颜色，在HDPE材质的容器内容易观察到液面位置，另外在阻尼过程中产生的气泡也可以快速被高强度的功能纤维“戳破”，保障设备的安全运行。
请参阅图2，一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取亚微米SiO2并与磨球进行干磨，使其中较大的团聚体破碎，时间为30min，然后加入对应量的PEG200，球磨2h后，将分散后的液体倒入烧瓶中；
S2、保持油浴温度70℃，称取气相SiO2加入到烧瓶中，以300r/min的速度机械搅拌30min；
S3、依次称取硅烷偶联剂、阻燃剂、抗冻剂、防锈剂和消泡剂添加至烧瓶中，超声分散15min，在30℃的温度下保温30min；
S4、待烧瓶中液体自然冷却后静置1h，通过磁导尾撒装置将功能纤维与液体混合，随后在25℃下真空干燥12h至肉眼无法观察到气泡，密封保存，得到专用液。
请参阅图3-4，磁导尾撒装置包括储液箱1，储液箱1上侧设有升降板2，升降板2左右两端均固定连接有耳板4，储液箱1左右两端均安装有电动推杆3，且电动推杆3的输出端与耳板4下端固定连接，电动推杆3通过耳板4间接推动升降板2上升，完成功能纤维的逐层添加，升降板2上开凿有若干均匀分布的安装孔，安装孔内固定连接有添加管5，且添加管5下端贯穿安装孔并延伸至储液箱1内，添加管5内开凿有环形分散孔6，环形分散孔6的形状促使功能纤维沿环状分布落下，易于与环形磁铁7配合实现导向添加的作用，添加管5下端固定连接有相匹配的环形磁铁7，根据环形磁铁7的磁场分布特性可知，环形磁铁7内环壁处的磁场为均匀且近似竖直分布的，因此环形分散孔6中落下的功能纤维在经过环形磁铁7时，响应磁场导向后竖直落入液体中，在阻尼器中更加易于对剪切力作出反应。
步骤S1中PEG200应提前预热至60℃。
步骤S2中气相SiO2应缓慢且间隔加入，每次隔5min，添加次数不少于3次，且添加完成后的机械搅拌时间应超过10min。
步骤S3中超声分散分为三阶段，持续时间为1:2:1，第一阶段功率和第三阶段的功率为90w，第二阶段的功率为120w。
实施例2：
请参阅图1，一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液，包括以下重量份数计的组分：聚乙二醇90份、二氧化硅粉末70份、功能纤维18份、硅烷偶联剂2份、阻燃剂2份、抗冻剂4份、防锈剂1份和消泡剂6份。
二氧化硅粉末包括气相SiO2和亚微米SiO2，气相SiO2的粒径为7-40nm，亚微米SiO2的粒径为100-500nm，且气相SiO2和亚微米SiO2的混合比例为1:2.5。
请参阅图2，一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取亚微米SiO2并与磨球进行干磨，使其中较大的团聚体破碎，时间为40min，然后加入对应量的PEG200，球磨3h后，将分散后的液体倒入烧瓶中；
S2、保持油浴温度75℃，称取气相SiO2加入到烧瓶中，以350r/min的速度机械搅拌45min；
S3、依次称取硅烷偶联剂、阻燃剂、抗冻剂、防锈剂和消泡剂添加至烧瓶中，超声分散20min，在35℃的温度下保温30min；
S4、待烧瓶中液体自然冷却后静置1.5h，通过磁导尾撒装置将功能纤维与液体混合，随后在25℃下真空干燥18h至肉眼无法观察到气泡，密封保存，得到专用液。
其余部分与实施例1保持一致。
实施例3：
请参阅图1，一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液，包括以下重量份数计的组分：聚乙二醇100份、二氧化硅粉末80份、功能纤维20份、硅烷偶联剂5份、阻燃剂3份、抗冻剂5份、防锈剂2份和消泡剂8份。
二氧化硅粉末包括气相SiO2和亚微米SiO2，气相SiO2的粒径为7-40nm，亚微米SiO2的粒径为100-500nm，且气相SiO2和亚微米SiO2的混合比例为1:3。
请参阅图2，一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取亚微米SiO2并与磨球进行干磨，使其中较大的团聚体破碎，时间为45min，然后加入对应量的PEG200，球磨4h后，将分散后的液体倒入烧瓶中；
S2、保持油浴温度80℃，称取气相SiO2加入到烧瓶中，以400r/min的速度机械搅拌60min；
S3、依次称取硅烷偶联剂、阻燃剂、抗冻剂、防锈剂和消泡剂添加至烧瓶中，超声分散15-30min，在30-40℃的温度下保温30min；
S4、待烧瓶中液体自然冷却后静置2h，通过磁导尾撒装置将功能纤维与液体混合，随后在25℃下真空干燥24h至肉眼无法观察到气泡，密封保存，得到专用液。
其余部分与实施例1保持一致。
本发明抗剪安定的具体原理为：体系粘度的变化是其微观结构及其内部基团间相互作用的宏观表现，气相SiO2粒径小，比表面积大，且表面有大量的硅羟基Si-OH，而PEG200为极性分子，含有醚氧基和羟基，故当二者混合到-起时，SiO2表面的Si-OH与PEG200分子中的羟基立即形成了大量氢键,进而形成了一个固液网络结构，使分散体系也稳定了下来，分散体系内部同时存在着流体作用力和粒子间作用力，在流体作用力下，部分氢键被破坏，但由于粒子间作用力的存在，氢键可以再次生成，这就形成了一个动态平衡，当分散体系受到外加作用力时，氢键更容易发生断裂，当作用力较小时，破坏的氢键可以在粒子间作用力的帮助下恢复，保持住体系的网络结构，因此体系的粘度变化较小外加应力较大时，氢键断裂的速度远远超过了其恢复速度，固液之间的氢键减少,网络结构被逐步破坏，体系粘度出现较大幅度的下降，外加应力进一步增强，达到分散体系临界点时，流体作用力破坏了网络结构，并促使分散的SiO2团聚体产聚集到一起，发生二次团聚形成了“粒子簇”，“粒子簇”被很薄的一层液体隔开，流体的流动阻力因此大大增加，体系的粘度急剧上升，而在此过程中功能纤维全程起到增强网络体系结构和增大流体的流动阻力的作用，从而实现阻尼液的抗剪安定作用，提高阻尼器的阻尼效果。
本发明还具有以下性能特点:
1、优异的抗燃性：无燃点、无闪点、热歧管抗燃试验(704℃)不燃烧，所以在靠近高温或明火设备可以完全避免火灾事故的发生。
2、优异的耐寒性：含有抗冻剂，因而凝固点(-45℃)极低。在一般的寒冷环境下(>-20℃)可以照常启动设备而无需加热。
3、优良的防锈性：不仅对设备的油箱和管路中被浸泡的材料(HDPE和SUS304)不会生锈，没被浸泡的部分也不会生锈。
4、优良的抗泡性：含有优质消泡剂，可以抑制泡沫的产生并使已产生的泡沫迅速消失。因此使用过程中泡沫很少，保证了设备运行的稳定和正常。
5、极长的使用寿命：抗剪切安定性，抗氧化性和防腐性均很好，长期使用或存放均不会分层、沉淀和腐败变质。
6、能满足高标准的环保要求：对人体无毒副作用，对大气，环境和水源等均无污染。
7、易观察性：添加染料，在HIDPE材质的容器内易观察液面位置。
本发明可以实现基于纳米级SiO2的特性，表面羟基值高，粒子易于团聚分散体系粘度极高，气相SiO2和亚微米SiO2易于通过级配的形式团聚更为紧密，可以与PEG200以氢键形成空间网络结构，得到稳定的SiO2/PEG分散体系，同时辅以功能纤维通过特殊的磁导尾撒装置在设定方向上添加至分散体系中，不仅强度高、抗剪性能强，同时还能提高纳米级SiO2的团聚性，形成的空间网络结构稳定性更高，在阻尼时的流动阻力更大，剪切增稠性更好，与传统的阻尼液相比阻尼效果得到显著提升，另外通过添加剂来提高性能和使用寿命，实现在各种环境下的优异阻尼效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液，其特征在于：包括以下重量份数计的组分：聚乙二醇80-100份、二氧化硅粉末50-80份、功能纤维15-20份、硅烷偶联剂0.5-5份、阻燃剂1-3份、抗冻剂2-5份、防锈剂0.5-2份和消泡剂5-8份。
2.根据权利要求1所述的一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液，其特征在于：所述聚乙二醇采用PEG200。
3.根据权利要求1所述的一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液，其特征在于：所述二氧化硅粉末包括气相SiO2和亚微米SiO2，气相SiO2的粒径为7-40nm，亚微米SiO2的粒径为100-500nm，且气相SiO2和亚微米SiO2的混合比例为1:2-3。
4.根据权利要求1所述的一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液，其特征在于：所述功能纤维为纳米纤维，直径为5-10nm，长度为50-100nm。
5.根据权利要求4所述的一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液，其特征在于：所述功能纤维的制备过程为通过电纺丝溶液静电纺丝得到，随后浸渍在纳米铁磁溶液中1-2h，于40℃下干燥后喷涂上彩色颜料得到。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、称取亚微米SiO2并与磨球进行干磨，使其中较大的团聚体破碎，时间为30-45min，然后加入对应量的PEG200，球磨2-4h后，将分散后的液体倒入烧瓶中；
S2、保持油浴温度70-80℃，称取气相SiO2加入到烧瓶中，以300-400r/min的速度机械搅拌30-60min；
S3、依次称取硅烷偶联剂、阻燃剂、抗冻剂、防锈剂和消泡剂添加至烧瓶中，超声分散15-30min，在30-40℃的温度下保温30min；
S4、待烧瓶中液体自然冷却后静置1-2h，通过磁导尾撒装置将功能纤维与液体混合，随后在25℃下真空干燥12-24h至肉眼无法观察到气泡，密封保存，得到专用液。
7.根据权利要求6所述的一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液的制备方法，其特征在于：所述磁导尾撒装置包括储液箱（1），所述储液箱（1）上侧设有升降板（2），所述升降板（2）左右两端均固定连接有耳板（4），所述储液箱（1）左右两端均安装有电动推杆（3），且电动推杆（3）的输出端与耳板（4）下端固定连接，所述升降板（2）上开凿有若干均匀分布的安装孔，所述安装孔内固定连接有添加管（5），且添加管（5）下端贯穿安装孔并延伸至储液箱（1）内，所述添加管（5）内开凿有环形分散孔（6），所述添加管（5）下端固定连接有相匹配的环形磁铁（7）。
8.根据权利要求6所述的一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中PEG200应提前预热至50-60℃。
9.根据权利要求6所述的一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中气相SiO2应缓慢且间隔加入，每次隔5min，添加次数不少于3次，且添加完成后的机械搅拌时间应超过10min。
10.根据权利要求1所述的一种风机阻尼器用抗剪切安定专用液的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中超声分散分为三阶段，持续时间为1:2:1，第一阶段功率和第三阶段的功率为90w，第二阶段的功率为120w。
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