CN113757296A - 一种刚度可调节的磁流变弹性体减震器及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及软体驱动技术领域，特别涉及一种刚度可调节的磁流变弹性体减震器。该减震器先通过纺织技术得到磁流变弹性体，然后将磁流变弹性体通过编织技术得到织物，最后将织物卷绕后制得，其中，所述磁流变弹性体是利用微流控纺丝技术制备的以热塑性弹性体溶液为皮层，磁流变液及热塑性弹性体溶液为芯层的皮芯结构的磁流变弹性纤维，其中，磁流变液采用间歇填充的方式填充至芯层中。本发明还提供一种刚度可调节的磁流变弹性体减震器的制备工艺，该制备工艺不仅制备方法简单，且通过本发明的制备工艺得到的磁流变弹性体减震器，具有电磁屏蔽功能，可有效防止磁流体中磁性颗粒的沉降、磁致效应高、减震效果佳，刚度可调，同时可保证有较高的磁致效应，可用于减震、隔振等装置中，值得被广泛推广应用。

Description

一种刚度可调节的磁流变弹性体减震器及其制备工艺
技术领域
本发明涉及软体驱动技术领域，特别涉及一种刚度可调节的磁流变弹性体减震器及其制备工艺。
背景技术
众所周知，减震技术按照是否由外部能源输入可分为主动减震、被动减震和混合减震，在被动减震技术领域有缸体减震(油缸、气缸等)、刚性弹体减震(螺旋结构弹簧、簧片等)和柔性弹性体减震(硅橡胶等)，在减震控制上被动减震技术不易被控制且控制精度差。研究发现通过磁场对材料的刚度进行主动调控，可以实现实现阻尼的精确控制。此类材料被称为磁流变材料。
磁流变材料是通过将微纳米级的软磁性粒子分散在不同的载体中制备而成的一种智能软材料，其流变性能可以随外加磁场进行连续、快速、可逆地变化，在主动和半主动振动控制领域具有广阔的应用前景。磁流变液是最早发展起来的一类磁敏智能软材料，一般是由微米级的铁磁性粒子掺入到非磁性液体中制备而成的颗粒悬浮体系，施加磁场后，磁流变液会迅速地从类似于牛顿流体的液态转变成类固态，表观黏度在磁场的调控下可以发生几个数量级的变化，表现出显著的磁致效应。但是由于铁磁性粒子与基体之间存在较大的密度差，磁流变液在使用过程中存在颗粒沉降的问题。为了彻底解决颗粒沉降问题，人们用弹性体材料替代非磁性液体连续相，制备了磁流变弹性体。
磁流变弹性体是一种将微米级磁性颗粒分散到聚合物弹性体中制备而成的磁控智能材料，具有优异的磁控力学特性。磁致形变和磁致模量是磁流变弹性体一项重要的磁控力学特性，在磁场下磁流变弹性体的力学性能能够发生连续、迅速、可逆的磁致形变,在柔性传感、软体机器人、柔性驱动等方面具有优异的应用前景。磁流变弹性体的力学性能的变化主要源自于磁性颗粒，颗粒在磁场下形成的磁相互作用力能够在磁流变弹性体内部形成不均匀的磁力矩，从而驱使磁流变弹性体发生一定的形变和模量的变化。虽然，磁流变弹性体相较于传统的磁流变液在减震器中的应用中，可解决磁性颗粒沉降，维护成本高的技术问题。但是，现有的磁流变弹性体由于受弹性体的影响，相较于磁流变液来说，其磁致效应较低，同时由于磁流变弹性体通常的形态为块状或者薄膜状，很难满足很多实际应用的要求。
在舰船、军用汽车等装备上使用的电子设备一般要求具有高的电磁兼容性，尤其是在存在信号发射和接收等通讯应用的场合。由于某些电子设备内部器件耐震性能差，需要采取减震措施，实现电子设备器件的保护。目前，大部分屏蔽机箱均不具备减震功能，难以满足舰船、军用汽车等装备上的使用。
如专利CN 112943838 A公开了一种刚度和强度可调节的磁流变弹性体减震器，包括上下对称设置且相互连接的磁流变弹性体，两个磁流变弹性体内部均缠绕设，置有线圈，两个线圈均与外部可调直流电源连接，通过调整外部可调直流电源输出电流大小，使得两个线圈得电后产生的磁场发生变化，在磁场作用下磁流变弹性体内部铁磁颗粒被磁化，根据磁化程度不同，磁流变弹性体刚度强度也随之改变，从而调节减震器的刚度和强度。与现有技术相比，该专利能够在不改变减震器形状的前提下，方便地对减震器刚度和强度进行调节，从而适应更多应用场合、产生更好的减震效果。
再如专利CN 105485241 B，公开了本发明公开了一种磁流变弹性体减振器，包括固定外筒、磁流变弹性体、中间筒、线圈、顶筒、活塞总成、底筒和线圈固定环，所述底筒与中间筒一端相连接，中间筒的另一端与顶筒相连接，所述底筒与中间筒-端之间还安装有固定隔板，中间筒的另一端与顶筒还安装有固定隔板；固定隔板之间形成小圆柱腔，小圆柱腔内安装有磁流变弹性体和活塞片，底筒、中间筒、顶筒、磁流变弹性体和活塞总成构成主体；主体外侧安装有固定外筒，线圈安装于固定外筒的圆环柱上的线圈安装孔内，固定外筒安装在安装板上；活塞杆一端还安装有缓冲件安装板，缓冲件安装板下侧安装有加速度传感器。
上述专利，虽然都采用了磁流变弹性体来解决磁流变液会发生沉降的技术问题，但是上述两专利中的磁流变弹性体都是将微米级软磁性颗粒是散布在粘塑性态的硅橡胶中的，硅橡胶中的磁性颗粒相对磁流变液体来说，其流变性较弱，所以导致该磁流变弹性体的磁致效应相对较低，还会导致减震器的整体减震效果不佳。同时由于磁流变弹性体通常的形态为块状或者薄膜状，很难满足很多实际应用的要求。另外，现有的减震器都不具有电磁屏蔽的功能，亟待开发一种具有电磁屏蔽功能，可有效防止磁流体中磁性颗粒的沉降、磁致效应高、减震效果佳，刚度可调的减震器。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有电磁屏蔽功能，可有效防止磁流体中磁性颗粒的沉降、磁致效应高、减震效果佳，刚度可调，且制备工艺简单的刚度可调节的磁流变弹性体减震器及其制备工艺。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种刚度可调节的磁流变弹性体减震器，所述减震器先通过纺丝技术得到磁流变弹性体，然后将磁流变弹性体通过编织技术得到织物，最后将织物卷绕后制得，其中，所述磁流变弹性体是利用微流控纺丝技术制备的以热塑性弹性体溶液为皮层，磁流变液及热塑性弹性体溶液为芯层的皮芯结构的磁流变弹性纤维，其中，磁流变液采用间歇填充的方式填充至芯层中。
上述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器，所述磁流变液中铁含量为30-80wt％，所述热塑性弹性体溶液的质量分数为10-60％。
上述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器，所述热塑性弹性体包括所述热塑性弹性体包括苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)，热塑性聚氨酯(TPU)，苯乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)，硅橡胶(SR)、天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)中的一种或几种。
上述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器，所述纤维芯层中的磁流变材料间隔长度可根据实际需要任意调节。
上述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器，所述减震器的形状包括圆柱形，圆锥形。
一种制备刚度可调节的磁流变弹性体减震器的工艺，其特征是，包括如下步骤：
(1)配制热塑性弹性体溶液、磁流变液，机械搅拌至混合均匀，备用；
(2)采用微流控纺丝技术，以热塑性弹性体溶液为皮层纺丝液，磁流变液及热塑性弹性体溶液为芯层，并将芯层的热塑性弹性体溶液与磁流变液进行间歇填充，制备得到皮芯结构的纤维，并在凝固浴中进行凝固；
(3)将在步骤(2)中纺制好的纤维在80℃条件下进行干燥，直至皮层结构完全凝固，即制得磁流变弹性纤维；
(4)将步骤(3)制得的磁流变弹性纤维利用编织成型技术编织得到织物，然后根据所需将织物制备减震器。
上述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器的制备工艺，所述热塑性弹性体溶液包括SEBS溶液，TPU溶液，SBS溶液，SR溶液，NR溶液，SBR溶液中的一种或几种。
上述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器的制备工艺，在步骤(2)中凝固浴采用质量分数为95％的乙醇。
上述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器的制备工艺，所述芯层的热塑性弹性体溶液与磁流变液进行间歇填充时，间歇填充时间可根据实际需要任意调节设置。
上述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器的制备工艺，在步骤(2)中，在所述芯层热塑性弹性体溶液中添加有功能性材料，所述功能性材料包括可实现电磁屏蔽的导电颗粒。
上述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器的制备工艺，所述热塑性弹性体溶液的质量分数为10-60％，所述磁流变液中铁含量为30-80wt％。
本发明刚度可调节的磁流变弹性体减震器的有益效果是：本发明通过使用微流控纺丝技术皮芯结构的间歇填充纤维，实现磁流变液在弹性基体的间歇填充，实现了磁流变液在极小空间内的封装，不仅避免发生沉积后的性能变化，同时保持较高的磁致效应，克服了磁流变液易沉降、稳定性差的问题。并通过编程式的填充可实现弹性体在不同位置表现出不同的力学性能。然后将制备得到的纤维通过编织技术得到织物，最后将织物进行多次卷绕后制得不同形态的减震器，编织结构实现了结构刚度的可调节，可应用于减震、隔振等装置中。然后通过在外层的热塑性弹性体溶液中添加导电粒子，可实现电磁屏蔽的功能，从而可应用在舰船、军用汽车等装备上使用。
本发明刚度可调节的磁流变弹性体减震器的制备工艺，不仅制备方法简单，且通过本发明的制备工艺得到的磁流变弹性体，可用于减震、隔振等装置中，可以同时克服磁流变液易沉降和和传统磁流变弹性体磁致效应差的技术问题，值得被广泛推广应用。
附图说明
图1为本发明皮芯结构磁流变纤维纺丝装置透视结构示意图；
图2为A部放大结构示意图；
图3为本发明减震器的制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；
实施例1
一种刚度可调节的磁流变弹性体减震器，其中，减震器先通过纺丝技术得到磁流变弹性体，然后将磁流变弹性体通过编织技术得到织物，最后将织物进行层层卷绕后制得，其中，该磁流变弹性体是利用微流控纺丝技术制备的以热塑性弹性体溶液为皮层，磁流变液及热塑性弹性体溶液为芯层的皮芯结构的磁流变弹性纤维，其中，磁流变液采用间歇填充的方式填充至芯层中。
在本实施例中，磁流变液中铁含量为30wt％，热塑性弹性体为SEBS，SEBS溶液的质量分数为45％，纤维芯层中的磁流变材料间隔长度可根据实际需要任意调节，具体可通过编程式的填充方式来实现磁流变液填充量大小可调，从而实现弹性体在不同位置表现出不同的力学性能。
为了实现减震器的电磁屏蔽的功能，可通过在外层的热塑性弹性体溶液中添加导电粒子来实现，从而可应用在对电磁屏蔽要求高的舰船、军用汽车等装备上。
本发明的磁流变弹性体为皮芯结构的纤维，通过将磁流变液间隔封装在纤维芯层，采用微积分数学概念，将整段纤维的磁流变液分解成每一小段纤维的磁流变液，从整体上解决了磁流变液沉降的技术问题，且通过采用磁流变液来代替传统的即将微米级磁性颗粒分散到聚合物弹性体中的磁流变弹性体，可大大提高磁致效应。如图3所示，本发明采用特殊的编织结构，与磁流变液在弹性基体的间歇填充相结合，进一步减弱了磁流变液的沉降，还实现了结构刚度的可调节。
一种制备刚度可调节的磁流变弹性体减震器的工艺，包括如下步骤：
(1)配制热塑性弹性体溶液、磁流变液，机械搅拌至混合均匀，备用；其中，热塑性弹性体溶液采用SEBS溶液，SEBS溶液的质量分数为45％，磁流变液中铁含量为30wt％；
(2)采用微流控纺丝技术，以热塑性弹性体溶液为皮层纺丝液，磁流变液及热塑性弹性体溶液为芯层，并将芯层的热塑性弹性体溶液与磁流变液进行间歇填充，制备得到皮芯结构的纤维，并在凝固浴中进行凝固；其中，在步骤(2)中凝固浴采用所述质量分数为95％的乙醇进行凝固处理；芯层的热塑性弹性体溶液与磁流变液进行间歇填充时，间歇填充时间可根据实际需要任意调节设置；
(3)将在步骤(2)中纺制好的纤维在80℃条件下进行干燥，直至皮层结构完全凝固，即制得磁流变弹性纤维；
(4)将步骤(3)制得的磁流变弹性纤维利用编织成型技术编织得到织物，然后根据所需将织物制备减震器；在本实施例中采用现有技术将磁流变弹性纤维制备织物。
其中，在制备本发明基于微流控纺丝技术的磁流变弹性体时采用了如图1所示的纤维纺丝装置，具体的，包括用于盛装凝固浴浴液1的容器2，支撑辊3，以及用于将制备得到的磁流变弹性纤维缠绕收卷的卷绕辊4，在支撑辊3上设置有同轴针头5，同轴针头5通过软管与注射器6连接，注射器6设置为三个，一个用于将皮层纺丝液7注射至凝固浴浴液1中，一个用于注射芯层磁流变液纺丝液10，最后一个注射芯层热塑性弹性体溶液纺丝液11；在注射芯层磁流变液纺丝液10和芯层热塑性弹性体溶液纺丝液11时，通过控制阀12控制上两种芯层注射液的间隙注入，从而实现上述两种芯层注射液的间歇式填充目的，最后制备得到皮芯结构的磁流变弹性纤维13，如图2所示，并将其收卷至卷绕辊4上。
即本发明中选用SEBS为弹性基体，30wt％羰基铁含量的磁流变液为原料，通过微流控纺丝技术制备皮芯结构的间歇填充纤维。可将本发明制备得到的间歇填充方式得到皮芯结构的磁流变纤维采用传统的编织技术制备得到管状织物，然后将管状织物来制备得到各种形状的减震器。
实施例2
一种刚度可调节的磁流变弹性体减震器，其中，减震器先通过纺丝技术得到磁流变弹性体，然后将磁流变弹性体通过编织技术得到织物，最后将织物进行层层卷绕后制得，其中，该磁流变弹性体是利用微流控纺丝技术制备的以热塑性弹性体溶液为皮层，磁流变液及热塑性弹性体溶液为芯层的皮芯结构的磁流变弹性纤维，其中，磁流变液采用间歇填充的方式填充至芯层中。
在本实施例中，磁流变液中铁含量为70wt％，热塑性弹性体为SEBS，SEBS溶液的质量分数为20％，纤维芯层中的磁流变材料间隔长度可根据实际需要任意调节。具体可通过编程式的填充方式来实现磁流变液填充量大小可调，从而实现弹性体在不同位置表现出不同的力学性能。
为了实现减震器的电磁屏蔽的功能，可通过在外层的热塑性弹性体溶液中添加导电粒子来实现，从而可应用在对电磁屏蔽要求高的舰船、军用汽车等装备上。
一种制备刚度可调节的磁流变弹性体减震器的工艺，包括如下步骤：
(1)配制热塑性弹性体溶液、磁流变液，机械搅拌至混合均匀，备用；其中，热塑性弹性体溶液采用SEBS溶液，SEBS溶液的质量分数为20％，磁流变液中铁含量为70wt％；
(2)采用微流控纺丝技术，以热塑性弹性体溶液为皮层纺丝液，磁流变液及热塑性弹性体溶液为芯层，并将芯层的热塑性弹性体溶液与磁流变液进行间歇填充，制备得到皮芯结构的纤维，并在凝固浴中进行凝固；其中，在步骤(2)中凝固浴采用所述质量分数为95％的乙醇进行凝固处理；芯层的热塑性弹性体溶液与磁流变液进行间歇填充时，间歇填充时间可根据实际需要任意调节设置；
(3)将在步骤(2)中纺制好的纤维在80℃条件下进行干燥，直至皮层结构完全凝固，即制得磁流变弹性纤维；
(4)将步骤(3)制得的磁流变弹性纤维利用编织成型技术编织得到织物，然后根据所需将织物制备减震器。
本发明针对目前磁流变材料磁致效应低、磁性粒子易沉降等问题，本发明使用微流控纺丝技术，实现磁流变液在弹性基体内的间歇封装，将磁性粒子控制在极小的空间内，避免发生沉积后的性能变化，同时保持较高的磁致效应。
实施例3
一种刚度可调节的磁流变弹性体减震器，其中，减震器先通过纺丝技术得到磁流变弹性体，然后将磁流变弹性体通过编织技术得到织物，最后将织物进行层层卷绕后制得，其中，磁流变弹性体是利用微流控纺丝技术制备的以热塑性弹性体溶液为皮层，磁流变液及热塑性弹性体溶液为芯层的皮芯结构的磁流变弹性纤维，其中，磁流变液采用间歇填充的方式填充至芯层中。
在本实施例中，磁流变液中铁含量为70wt％，热塑性弹性体为SEBS，纤维芯层中的磁流变材料间隔长度可根据实际需要任意调节。具体可通过编程式的填充方式来实现磁流变液填充量大小可调，从而实现弹性体在不同位置表现出不同的力学性能。
为了实现减震器的电磁屏蔽的功能，可通过在外层的热塑性弹性体溶液中添加导电粒子来实现，从而可应用在对电磁屏蔽要求高的舰船、军用汽车等装备上。
一种制备刚度可调节的磁流变弹性体减震器的工艺，包括如下步骤：
(1)配制热塑性弹性体溶液、磁流变液，机械搅拌至混合均匀，备用；其中，热塑性弹性体溶液采用SEBS溶液，SEBS溶液的质量分数为45％，磁流变液中铁含量为70wt％；
(2)采用微流控纺丝技术，以热塑性弹性体溶液为皮层纺丝液，磁流变液及热塑性弹性体溶液为芯层，并将芯层的热塑性弹性体溶液与磁流变液进行间歇填充，制备得到皮芯结构的纤维，并在凝固浴中进行凝固；其中，在步骤(2)中凝固浴采用所述质量分数为95％的乙醇进行凝固处理；芯层的热塑性弹性体溶液与磁流变液进行间歇填充时，间歇填充时间可根据实际需要任意调节设置；
(3)将在步骤(2)中纺制好的纤维在80℃条件下进行干燥，直至皮层结构完全凝固，即制得磁流变弹性纤维；
(4)将步骤(3)制得的磁流变弹性纤维利用编织成型技术编织得到织物，然后根据所需将织物制备减震器。
针对现有的使用磁流变材料的研究，面临着磁致效应低、磁性粒子易沉降等问题，本发明通过使用磁流变液的间歇填充实现了磁流变液在极小空间内的封装，克服了磁流变液易沉降、稳定性差的问题，并通过编程式的填充可实现弹性体在不同位置表现出不同的力学性能。
实施例4
与实施例1、2、3相同之处不再赘述，不同之处在于，在本实施例中，皮层的热塑性弹性体溶液为混合有微米级磁性颗粒的磁流变弹性体溶液。
实施例5
与实施例4相同之处不再赘述，不同之处在于，在本实施例中，芯层的热塑性弹性体溶液为混合有微米级磁性颗粒的磁流变弹性体溶液。
本发明中选用SEBS为弹性基体，70wt％羰基铁含量的磁流变液为原料，首先通过微流控纺丝技术制备皮芯结构的间歇填充纤维，然后采用编织技术制备管状织物。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修改，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种刚度可调节的磁流变弹性体减震器，其特征在于：所述减震器先通过纺丝技术得到磁流变弹性体，然后将磁流变弹性体通过编织技术得到织物，最后将织物卷绕后制得，其中，所述磁流变弹性体是利用微流控纺丝技术制备的以热塑性弹性体溶液为皮层，磁流变液及热塑性弹性体溶液为芯层的皮芯结构的磁流变弹性纤维，其中，磁流变液采用间歇填充的方式填充至芯层中。
2.根据权利要求1所述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器，其特征是：所述磁流变液中铁含量为30-80wt％，所述热塑性弹性体溶液的质量分数为10-60％。
3.根据权利要求1所述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器，其特征是：所述热塑性弹性体包括苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)，热塑性聚氨酯(TPU)，苯乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)，硅橡胶(SR)、天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器，其特征是：所述纤维芯层中的磁流变材料间隔长度可根据实际需要任意调节。
5.根据权利要求1所述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器，其特征是：所述减震器的形状包括圆柱形，圆锥形。
6.一种制备刚度可调节的磁流变弹性体减震器的工艺，其特征是，包括如下步骤：
(1)配制热塑性弹性体溶液、磁流变液，机械搅拌至混合均匀，备用；
(2)采用微流控纺丝技术，以热塑性弹性体溶液为皮层纺丝液，磁流变液及热塑性弹性体溶液为芯层，并将芯层的热塑性弹性体溶液与磁流变液进行间歇填充，制备得到皮芯结构的纤维，并在凝固浴中进行凝固；
(3)将在步骤(2)中纺制好的纤维在80℃条件下进行干燥，直至皮层结构完全凝固，即制得磁流变弹性纤维；
(4)将步骤(3)制得的磁流变弹性纤维利用编织成型技术编织得到织物，然后根据所需将织物制备减震器。
7.根据权利要求6所述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器的制备工艺，其特征是：所述热塑性弹性体溶液包括SEBS溶液，TPU溶液，SBS溶液，SR溶液，NR溶液，SBR溶液中的一种或几种。
8.根据权利要求6所述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器的制备方法，其特征是：在步骤(2)中凝固浴采用质量分数为95％的乙醇。
9.根据权利要求6所述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器的制备工艺，其特征是：所述芯层的热塑性弹性体溶液与磁流变液进行间歇填充时，间歇填充时间可根据实际需要任意调节设置。
10.根据权利要求6所述的刚度可调节的磁流变弹性体减震器的制备工艺，其特征是：在步骤(2)中，在所述芯层热塑性弹性体溶液中添加有功能性材料，所述功能性材料包括可实现电磁屏蔽功能的导电颗粒。
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