CN114141465A - 一种适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，所述磁流变液复合材料由磁流变液与具有不同纤维方向的空间网状结构基体材料复合而成，所述空间网状结构基体材料为至少一层的网状纤维材料；能够实现具有空间网状纤维结构磁流变液复合材料的优异综合性能，满足新型复合材料在不同工况、不同环境下的良好的宽频隔振性、沉降稳定性、温度稳定性以及结构简单的需求，克服磁流变液实际应用场景中的沉降以及密封等难题。

Description

一种适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的 磁流变液复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及智能复合材料技术领域，具体涉及一种适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料及其制备方法。
背景技术
智能材料是一种能够感知外部激励(如电、磁、热等)并对其对出迅速响应的材料，同时材料的输出特性会产生一定的改变。其中，磁流变液作为典型的智能可控材料，在外部磁场激励下，磁流变液会从液态变换成半固态，材料的刚度、阻尼等特性会产生较大的变化，在产生较大磁流变效应的基础上，磁流变液被广泛应用于汽车建筑隔振、冲击吸能等领域中。然而，磁流变液由于材料成分之间的巨大密度差，沉降稳定性、可靠性已经很难满足实际应用需求，基于此，研究人员逐渐开展了宽频隔振性能优良、抗沉降性好等综合性能优异的磁流变复合材料研制工作。磁流变弹性体的载体是固化的基体，磁性颗粒在制备完成后被固定在弹性基体中无法自由移动，因此完全克服了沉降性难题，具备一定的磁敏特性，但是磁流变效应会产生相应的衰减，实时控制灵活性降低，难以满足部分实际需求；磁流变脂兼顾了磁流变材料的稳定性与经济性，是一种介于磁流变液和磁流变弹性体之间的磁流变高分子凝胶系统，基体会形成空间网状结构增大颗粒运动阻力，在零场条件下也能表现出粘弹特性，有效抑制材料沉降，但是磁流变脂零场粘度过大导致磁流变效应减弱，且一般仅适用于剪切工作，限制了磁流变脂的进一步应用。磁流变复合材料是将磁流变液与其他材料结合而成的新型材料，磁流变泡沫兼顾了磁流变材料的流变性与稳定性，是一种将磁流变液注射到泡沫基体中的类固态磁流变材料，具有重量轻、各向异性、沉降稳定性好等优势，但流变效应仍取决于磁流变液。
目前，针对具有空间网状结构的磁流变复合材料研究较少，尤其是在军用防弹领域的实际使用中还存在单位重量的耗能较低、防护效果不明显等缺点，在隔振领域实际应用较少，制备流程、机理不清。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料及其制备方法，以解决磁流变材料在磁流变效应、稳定性以及经济性等多影响因素之间的优化难题。
本发明的一种适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，其特征在于：所述磁流变液复合材料由磁流变液与具有不同纤维方向的空间网状结构基体材料复合而成，所述空间网状结构基体材料为至少一层的网状纤维材料；
进一步，所述磁流变液与网状纤维材料通过浸润复合为一体，所述网状纤维材料为凯夫拉、石棉、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、棉织物、涤纶、丝绸和合成纤维中的至少一种；
进一步，所述网状纤维材料为经改性处理的聚丙烯纺粘非织造布，其制备方法包括以下步骤：
a.将聚丙烯树脂、粘合剂和增塑剂进行熔融共混，然后通过纺丝、过滤、冷却、气流牵伸、铺网、热轧工艺后制备得到聚丙烯纺粘非织造布；
b.对聚丙烯纺粘非织造布进行清洁处理：将非织造布完全浸没于异丙醇溶液中超声分散25-35min，使用去离子水冲洗数次，接着置于真空干燥箱中烘干得到干净的聚丙烯纺粘非织造布；
c.表面改性剂对聚丙烯纺粘非织造布进行改性处理:将聚丙烯纺粘非织造布浸入改性剂溶液中超声分散40-80min，然后放置于真空干燥箱中在温度为80-100℃下干燥1.5-2.5h，冷却至室温后取出，反复用无水乙醇进行清洗处理，干燥后得到经改性处理后的聚丙烯纺粘非织造布；
进一步，步骤a中，按重量比聚丙烯纤维：粘合剂：增塑剂＝6:2:1；
进一步，步骤a中，所述聚丙烯树脂的熔融指数600-1800g/10min，所述粘合剂为工业级丙烯酸甲酯粘合剂，所述增塑剂为硬脂酸钠；
进一步，步骤c中，所述改性剂材料为活性炭、膨润土、纳米金属氧化物、硬脂酸、秸秆中的至少一种，所述改性剂的添加量为1-10％；
进一步，所述聚丙烯纺粘非织造布每平方米的单位质量为10-350g；
进一步，所述磁流变液的制备方法包括以下步骤：1)磁性颗粒的改性处理:将清洗后的磁性颗粒与硅烷偶联剂、十六烷基三甲基硅烷、异丙醇溶液混合后经超声分散和球磨处理，球磨后的溶液放置于真空干燥箱中干燥，得到改性后的磁性颗粒；
2)将触变剂(气相二氧化硅、有机膨润土)与二甲基硅油混合搅拌并超声分散，然后加入改性后的磁性颗粒，搅拌均匀并超声分散然后置于球磨机中球磨，球液分离后即可得磁流变液；
进一步，步骤1)中，所述磁性颗粒为羟基铁粉、氧化铁中的一种，步骤2)中，所述触变剂为气相二氧化硅或有机膨润土，所述触变剂占二甲基硅油的质量比为0.2-1％。
本发明还公开一种适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料的制备方法，包括以下步骤：将网状纤维材料完全浸没于磁流变液中经超声分散后取出并用离心机去掉多余磁流变液，重复该分散过程3-5次，然后将材料样品放置于真空干燥箱中干燥。
本发明的有益效果是：本发明公开的适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，能够实现具有空间网状纤维结构磁流变液复合材料的优异综合性能，满足新型复合材料在不同工况、不同环境下的优异的磁流变效应、沉降稳定性以及结构便利性的需求，克服磁流变液实际应用场景中的沉降以及密封等难题。本发明的磁流变液复合材料，具有以下特点：
1)沉降稳定性好：磁流变液与网状纤维基体的复合材料能够有效解决磁流变液的沉降难题，通过基体材料的空间网状纤维结构实现磁性颗粒的固定，彻底解决沉降稳定性；
2)密封性好：具备空间网状纤维结构的磁流变液复合材料的基体纤维材料能够有效束缚磁流变液，相较于传统磁流变液、磁流变脂等材料，不需要多级密封装置就能实现良好的密封效果；
3)经济效益好：具备空间网状纤维结构的磁流变液复合材料相较于传统磁流变液、磁流变脂等材料，制备流程中耗费的磁流变液体积很少，一般低于同类型材料的1/3或1/4；
4)功能结构一体化：直接将具备空间网状纤维结构的磁流变液复合材料与导磁部件、线圈和套筒等零部件组合即可制成隔振装置，无需其他额外装置与智能材料，实现智能材料的功能结构一体化；
5)适用多工作模式：具备空间网状纤维结构的磁流变液复合材料能够对应剪切工作模式与挤压工作模式，在微振幅中高频激励中能够有效扩宽材料的隔振频带范围，解决高频硬化等现象。
6)磁流变效应提升：具备空间网状纤维结构的磁流变液复合材料相较于普通磁流变液，磁流变效应具有较大的提升，一般高于同类型材料30％以上。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为流变性能对比效果图(纯磁流变液vs30g无纺布2层vs50g无纺布2层)；
图2为流变性能对比效果图(纯磁流变液vs30g无纺布4层vs50g无纺布4层)。
具体实施方式
本实施例的一种适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，其特征在于：所述磁流变液复合材料由磁流变液与具有不同纤维方向的空间网状结构基体材料复合而成，所述空间网状结构基体材料为至少一层的网状纤维材料；网状纤维材料层的层数优选为2-4层，实现具有空间网状纤维结构磁流变液复合材料的优异综合性能，满足新型复合材料在不同工况、不同环境下的良好的宽频隔振性、沉降稳定性以及结构便利性的需求，克服磁流变液实际应用场景中的沉降以及密封等难题。
本实施例中，所述磁流变液与网状纤维材料通过浸润复合为一体，所述网状纤维材料为凯夫拉、石棉、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、棉织物、涤纶、丝绸和合成纤维中的至少一种；1)根据隔振装置的实际应用场景需求，选择不同纤维方向的空间网状结构基体材料。空间网状结构基体材料一般包括凯夫拉、石棉、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、棉织物、涤纶、丝绸和合成纤维等材料。当隔振装置需要较大的阻尼力时，优先选择聚乙烯网状纤维等网状纤维材料，当隔振装置需要较小范围的阻尼力，优先选择聚丙烯纺粘非织造布等材料，因此，一般在常规隔振场合选用亲油疏水的聚丙烯纺粘非织造布作为空间网状结构基体材料。
本实施例中，所述网状纤维材料为经改性处理的聚丙烯纺粘非织造布，其制备方法包括以下步骤：
a.将聚丙烯树脂、粘合剂和增塑剂进行熔融共混，然后通过纺丝、过滤、冷却、气流牵伸、铺网、热轧工艺后制备得到聚丙烯纺粘非织造布；
b.对聚丙烯纺粘非织造布进行清洁处理：将非织造布完全浸没于异丙醇溶液中超声分散25-35min，使用去离子水冲洗数次，接着置于真空干燥箱中80-100℃烘干得到干净的聚丙烯纺粘非织造布；首先对制备的非织造布进行表面清洁处理，将非织造布完全浸没于异丙醇溶液中，超声分散25-35min，使用去离子水冲洗数次，接着置于真空干燥箱中20-30℃烘干得到干净的非织造布；然后，选择表面改性材料对非织造布进行改性处理，改性材料一般包括无机材料(活性炭、膨润土和纳米金属氧化物等)和有机材料(硬脂酸、秸秆等)，为了增强聚丙烯纺粘非织造布的吸油性能，选择硬脂酸进行表面改性处理，硬脂酸的质量比一般为1％-10％之间，优选质量比为5％的硬脂酸溶液进行处理，将非织造布浸入硬脂酸溶液中超声分散1h，然后放置于真空干燥箱中于90℃下加热2h，冷却至室温后取出，反复用无水乙醇进行清洗处理，干燥得到改性处理后的聚丙烯纺粘非织造布；
c.表面改性剂对聚丙烯纺粘非织造布进行改性处理:将聚丙烯纺粘非织造布浸入改性剂溶液中超声分散40-80min，然后放置于真空干燥箱中在温度为80-100℃下干燥1.5-2.5h，冷却至室温后取出，反复用无水乙醇进行清洗处理，干燥后得到经改性处理后的聚丙烯纺粘非织造布；步骤a中，按重量比聚丙烯纤维：粘合剂：增塑剂＝6:2:1；步骤a中，所述聚丙烯树脂的熔融指数600-1800g/10min，所述粘合剂为工业级丙烯酸甲酯粘合剂，所述增塑剂为硬脂酸钠；步骤c中，所述改性剂材料为活性炭、膨润土、纳米金属氧化物、硬脂酸、秸秆中的至少一种，所述改性剂的添加量为1-10％。
本实施例中，所述聚丙烯纺粘非织造布每平方米的单位质量为10-350g；根据隔振装置结构参数限制，设计空间网状磁流变液复合材料与导磁部件之间的有效工作间隙，并确定复合材料的布置安装方式以及层数，其中聚丙烯纺粘非织造布每平方米的单位质量的范围在10g-350g内，优先选择单位质量为30g-50g的非织造布进行新型复合材料制备。
本实施例中，所述磁流变液的制备方法包括以下步骤：1)磁性颗粒的改性处理:将清洗后的磁性颗粒与硅烷偶联剂、十六烷基三甲基硅烷、异丙醇溶液混合后经超声分散和球磨处理，球磨后的溶液放置于真空干燥箱中干燥，得到改性后的磁性颗粒；2)将触变剂(气相二氧化硅、有机膨润土)与二甲基硅油混合搅拌并超声分散，然后加入改性后的磁性颗粒，搅拌均匀并超声分散然后置于球磨机中球磨，球液分离后即可得磁流变液，所述磁性颗粒为羟基铁粉、氧化铁中的一种，所述触变剂为气相二氧化硅或有机膨润土，所述触变剂占二甲基硅油的质量比为0.2-1％。磁流变液选择主要包括外购商用磁流变液和自制磁流变液，在一定应用场合可根据工况需求选择特定关键参数的商用磁流变液；一般根据应用需求自制磁流变液，磁性颗粒的常用材料为羟基铁粉、氧化铁等，优先选择羟基铁粉进行制备，首先对羟基铁粉进行表面清洁处理，将羟基铁粉加入到异丙醇溶液中，搅拌30min，超声分散30min，接着真空干燥箱中70℃下烘干，重复该流程3次，得到清洗后的磁性颗粒；然后将质量占比1％的硅烷偶联剂、十六烷基三甲基硅烷加入到异丙醇溶液中，搅拌均匀后加入清洗后的羟基铁粉颗粒，超声分散20min，然后将溶液置于球磨机中球磨12h，球磨后的溶液放置于真空干燥箱中70℃下干燥6h，得到改性后的磁性颗粒；将触变剂(气相二氧化硅、有机膨润土)按照质量的0.2％-1％加入到二甲基硅油中，搅拌并超声分散30min，加入改性后的羟基铁粉，搅拌均匀并超声分散30min，然后置于球磨机中球磨24h，球液分离后即可得自制的磁流变液。根据空间限制剪裁合适面积及长度的磁流变液复合空间网状材料，与导磁部件、线圈共同形成隔振装置，实现复合隔振材料功能结构一体化。
实施例一：
以下实施例中所用网状纤维材料为改性聚丙烯纺粘非织造布，层数选择为2层，选用的磁流变液为自制磁流变液，新型复合材料具体制备步骤如下：
第一步，将聚丙烯树脂原料、丙烯酸甲酯粘合剂和硬脂酸钠按照比例6:2:1进行熔融纺丝处理，经过铺网、热轧等工艺得到聚丙烯纺粘非织造布；
第二步，对聚丙烯纺粘非织造布进行表面改性处理，首先浸没于异丙醇溶液中通过超声分散进行清洗，然后将清洗后的非织造布放置于质量比为5％的硬脂酸溶液中超声分散1h，取出后再次清洗干燥得到改性聚丙烯纺粘非织造布；
第三步，网状纤维基体材料-改性聚丙烯纺粘非织造布分别选择每平方米单位质量为30g和50g对比测试，层数为2层；
第四步，制备磁流变液，首先对羟基铁粉进行表面清洗处理，加入到异丙醇溶液中超声分散并干燥，重复数次清洗流程，然后在表面活性剂的混合溶液中加入清洗后的羟基铁粉，进行超声分散与球磨处理，得到改性的羟基铁粉颗粒；将质量比为0.2％-1％的触变剂、硅油和改性磁性颗粒混合并球磨得到制备的磁流变液；
第五步，将改性聚丙烯纺粘非织造布浸泡于制备的磁流变液并充分混合，超声分散40min并离心去掉改性非织造布上多余的磁流变液，然后重复该流程3-5次，真空干燥后可得饱和的基于改性聚丙烯纺粘非织造布的磁流变液新型复合材料；
第六步，根据空间限制剪裁合适面积及长度的基于改性聚丙烯纺粘非织造布的磁流变液复合材料，与导磁部件、线圈共同形成隔振装置，实现复合隔振材料功能结构一体化。
第七步，将制备好的2层磁流变液饱和的复合聚丙烯纺粘非织造布重叠放置于流变仪(安东帕，MCR301)进行流变学性能测试，得到复合材料的基本流变特性，测试结果如图1所示。
实施例二：
以下实施例中所用网状纤维材料为改性聚丙烯纺粘非织造布，层数选择为4层，选用的磁流变液为自制磁流变液，新型复合材料具体制备步骤如下：
第一步，将聚丙烯树脂原料、丙烯酸甲酯粘合剂和硬脂酸钠按照比例6:2:1进行熔融纺丝处理，经过铺网、热轧等工艺得到聚丙烯纺粘非织造布；
第二步，对聚丙烯纺粘非织造布进行表面改性处理，首先浸没于异丙醇溶液中通过超声分散进行清洗，然后将清洗后的非织造布放置于质量比为5％的硬脂酸溶液中超声分散1h，取出后再次清洗干燥得到改性聚丙烯纺粘非织造布；
第三步，网状纤维基体材料-改性聚丙烯纺粘非织造布分别选择每平方米单位质量为30g和50g对比测试，层数为4层；
第四步，制备磁流变液，首先对羟基铁粉进行表面清洗处理，加入到异丙醇溶液中超声分散并干燥，重复数次清洗流程，然后在表面活性剂的混合溶液中加入清洗后的羟基铁粉，进行超声分散与球磨处理，得到改性的羟基铁粉颗粒；将质量比为0.2％-1％的触变剂、硅油和改性磁性颗粒混合并球磨得到制备的磁流变液；
第五步，将改性聚丙烯纺粘非织造布浸泡于制备的磁流变液并充分混合，超声分散40min并离心去掉改性非织造布上多余的磁流变液，然后重复该流程3-5次，真空干燥后可得饱和的基于改性聚丙烯纺粘非织造布的磁流变液新型复合材料；
第六步，根据空间限制剪裁合适面积及长度的基于改性聚丙烯纺粘非织造布的磁流变液复合材料，与导磁部件、线圈共同形成隔振装置，实现复合隔振材料功能结构一体化。
第七步，将制备好的4层磁流变液饱和的复合聚丙烯纺粘非织造布重叠放置于流变仪(安东帕，MCR301)进行流变学性能测试，得到复合材料的基本流变特性，测试结果如图2所示。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，其特征在于：所述磁流变液复合材料由磁流变液与具有不同纤维方向的空间网状结构基体材料复合而成，所述空间网状结构基体材料为至少一层的网状纤维材料。
2.根据权利要求1所述的适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，其特征在于：所述磁流变液与网状纤维材料通过浸润复合为一体，所述网状纤维材料为凯夫拉、石棉、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、棉织物、涤纶、丝绸和合成纤维中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，其特征在于：所述网状纤维材料为经改性处理的聚丙烯纺粘非织造布，其制备方法包括以下步骤：
a.将聚丙烯树脂、粘合剂和增塑剂进行熔融共混，然后通过纺丝、过滤、冷却、气流牵伸、铺网、热轧工艺后制备得到聚丙烯纺粘非织造布；
b.对聚丙烯纺粘非织造布进行清洁处理：将非织造布完全浸没于异丙醇溶液中超声分散25-35min，使用去离子水冲洗数次，接着置于真空干燥箱中烘干得到干净的聚丙烯纺粘非织造布；
c.表面改性剂对聚丙烯纺粘非织造布进行改性处理:将聚丙烯纺粘非织造布浸入改性剂溶液中超声分散40-80min，然后放置于真空干燥箱中在温度为80-100℃下干燥1.5-2.5h，冷却至室温后取出，反复用无水乙醇进行清洗处理，干燥后得到经改性处理后的聚丙烯纺粘非织造布。
4.根据权利要求3所述的适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，其特征在于：步骤a中，按重量比聚丙烯纤维：粘合剂：增塑剂＝6:2:1。
5.根据权利要求4所述的适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，其特征在于：步骤a中，所述聚丙烯树脂的熔融指数600-1800g/10min，所述粘合剂为工业级丙烯酸甲酯粘合剂，所述增塑剂为硬脂酸钠。
6.根据权利要求5所述的适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，其特征在于：步骤c中，所述改性剂材料为活性炭、膨润土、纳米金属氧化物、硬脂酸、秸秆中的至少一种，所述改性剂的添加量为1-10％。
7.根据权利要求6所述的适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，其特征在于：所述聚丙烯纺粘非织造布每平方米的单位质量为10-350g。
8.根据权利要求1所述的适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，其特征在于：所述磁流变液的制备方法包括以下步骤：1)磁性颗粒的改性处理:将清洗后的磁性颗粒与硅烷偶联剂、十六烷基三甲基硅烷、异丙醇溶液混合后经超声分散和球磨处理，球磨后的溶液放置于真空干燥箱中干燥，得到改性后的磁性颗粒；
2)将触变剂与二甲基硅油混合搅拌并超声分散，然后加入改性后的磁性颗粒，搅拌均匀并超声分散然后置于球磨机中球磨，球液分离后即可得磁流变液。
9.根据权利要求8所述的适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料，其特征在于：步骤1)中，所述磁性颗粒为羟基铁粉、氧化铁中的一种，步骤2)中，所述触变剂为气相二氧化硅或有机膨润土，所述触变剂占二甲基硅油的质量比为0.2-1％。
10.根据权利要求1所述的适用于多领域、多工作模式的具有空间网状纤维基体的磁流变液复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将网状纤维材料完全浸没于磁流变液中经超声分散后取出并用离心机去掉多余磁流变液，重复该分散过程3-5次，然后将材料样品放置于真空干燥箱中干燥。
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