CN1230501C

CN1230501C - 稳定型磁流变液及制备方法

Info

Publication number: CN1230501C
Application number: CN 02133821
Authority: CN
Inventors: 张平; 刘奇; 王东亚
Original assignee: CHONGQING METER MATERIALS INST
Current assignee: CHONGQING METER MATERIALS INST
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: CN1414075A

Abstract

一种稳定型磁流变液及制备方法，磁流变液由磁性悬浮相、载液、无机触变剂和表面活性剂组成，其中磁性悬浮相选用羰基铁粉，包括还原羰基铁粉和磷化羰基铁粉，无机触变剂采用粒度为纳米级的无机膨润土或氧化硅类触变剂。四种组分为：磁性悬浮相10～50%vol，载液50～90%vol，无机触变剂0.1～1.5%wt，表面活性剂0.1～2.0%vol。磁流变液采用基液置换方法制备，包括悬浮相粒子表面净化与活化处理和磁流变液的合成两大步。本发明的优点是磁流变液具有良好抗沉降、团聚稳定性，良好的抗磨损性能和低的零场粘度，在外磁场作用下具有理想的流变学特性。

Description

稳定型磁流变液及制备方法

技术领域

本发明属于磁性流体技术领域，具体涉及一种稳定型磁流变液及制备方法。

背景技术

磁流变液是一种在外磁场作用下表观粘度发生明显变化的分散体材料，主要被用于各种可控阻尼系统的开发，如阻尼器、减振(减震)器、弹性器件等。同时也被用于刹车器、离合器、阀类件中的压力或扭矩控制。在众多的应用领域中，磁流变液与电流变液相比具有明显的优越性，它具有很高的屈服强度从而可创造更大的阻尼力。磁流变液不同于胶体磁性液体，后者的悬浮相直径一般为5～10nm，在外磁场作用下不易形成链状结构，而是易于流向磁场方向，前者的粒径通常大于1.0μm。为了克服悬浮粒子与介质间的较大比重差造成的沉降问题及团聚问题，人们采用众多的表面活性剂或悬浮剂对悬浮粒子表面进行两亲性处理，通常为金属皂类、硬脂酸类活性剂等，但这些有机活性剂的加入往往会影响磁流变液的温度稳定性。除了沉降板结等问题外的另一限制磁流变液应用的问题是在高速运动部件间磨损问题，这种磨损造成后果是磁流变液本身的明显稠化导致零场粘度急剧上升，另外引起运动零件的损坏。

因此，一种理想的磁流变液除应具有良好的磁流变特性和较低的零场粘度外，还应具有良好的抗沉降性能或磁性粒子沉降后容易在较弱的切应力下或弱磁场下再分散，工作时对接触的零件表面不造成明显的磨损且本身也不产生使用绸化。

发明内容

本发明的目的就在于提供这样一种磁流变液，它具有良好抗沉降、团聚稳定性，良好的抗磨损性能和低的零场粘度。在外磁场作用下具有理想的流变学特性。

本发明所涉及的磁流变液的组成包括：磁性悬浮相、载液、无机触变剂和表面活性剂。

A.磁性悬浮粒子：

任何具有磁流变性能的固体颗粒都可用来做磁流变液的悬浮粒子，特别是具有顺磁性和超顺磁性、铁磁性的元素和化合物。本发明优先选用羰基铁粉，包括还原羰基铁粉和磷化羰基铁粉，与其它粉体相比，该类铁粉的纯度和结构使其具有高的饱和磁化强度，因此制备的磁流变体具有很高的磁流变特性。经表面磷化处理的羰基铁粉具有耐蚀、耐磨、润滑、绝缘的多孔状表面，可提高对活性剂基团或介质的吸附能力和磁流变液的抗磨损性能。粉体的理想平均粒度为0.1～100μm，取0.1～50μm。悬浮相的体积浓度为10～50％vol.。

B.载液

理想载液应为有机液体，如Si油、矿物油、烃类油、液压油、二脂类有机液体等，也可为这些有机液体的混合物。对载液的要求为无极性、无挥发和不含明显的水分。本发明选用硅油、矿物油和聚-α烯烃为磁流变体的载液。优先选用硅油和矿物油作为载液，该类载液与所选用的悬浮相和添加剂具有良好的相容性。所选载液的室温粘度为10～500mPa·s。在磁流变液配比中的体积分数为50～90％vol.。

C.无机触变剂

本发明选用粒度为纳米(nm)级的无机膨润土和氧化硅类触变剂，在磁流变液中通过氢键作用形成空间网格结构，克服磁性悬浮粒子沉降或形成软沉降。触变剂的比表面为200～300m²/g，与以往常规触变剂相比，具有更大的反应活性，使磁流变液的抗沉降稳定性明显提高。配入量为0.1～1.5％wt.。

D.表面活性剂

本发明选用离子型及非离子型表面活性剂，将其分子的极性基团与悬浮相表面结合，非极性基团与载液结合(两亲性处理)，以便提高磁流变液抗团聚和板结的稳定性。主要有油酸、壬基酚聚氧乙烯醚、Span-85、聚乙二醇、硅烷偶联剂、CTAB、PD-85、T204、T154、DA-50、羧酸有机胺盐、钛酸丁脂、二烷基二硫代磷酸盐、石油磺酸。优选硅烷偶联剂、烷基磷酸盐(酯)和羧酸有机胺盐类添加剂。配比为0.1～2.0％vol.。

本发明所涉及的磁流变液的制备方法：

本发明磁流变液采用基液置换方法制备，工艺步骤如下：

A、悬浮相粒子表面净化与活化处理：将悬浮相粉体称量后与无水乙醇或异丙醇及所选用的表面活性剂混合后置入500～1000ml不锈钢容器内进行球磨处理和超声分散处理，磨球为ZrO₂或玛瑙球，直径分布为6～15mm。球磨罐转动线速度不小于125m/min.。将预处理后的混合液体在70～100℃真空干燥箱内或红外干燥箱干燥。此过程的作用使悬浮相颗粒表面净化或活化，并在其上引入活性剂极性基团，达到两亲性处理和提高磁流变性能的目的。

B、磁流变液的合成：将预处理干燥后的悬浮相粉体与称量好的载液(矿物油或硅油)在不锈钢球磨罐中混合，经机械搅拌、超声分散后进行高速研磨分散，配球及转速同上。分散后的磁性液体与磨球分离后贮存于密闭聚氯乙烯瓶内。

本发明的优点为：(1)采用经表面改性的还原或磷化羰基铁粉作为悬浮相并对其进行预处理，从而提高磁流变液的磁流变性能、耐磨性能及抗团聚稳定性；(2)采用纳米级膨润土和氧化硅类无机触变剂有效的提高了磁流变液的抗沉降的稳定性和温度稳定性，所形成的软沉降极易在磁场下重新分散；(3)采用高速机械球磨分散方法有效的降低了磁流变液的零场粘度。本发明的磁流变液的室温零场粘度0.6～2.0Pa·s(D＝7/s)，0.4～1.0Pa·s(D＝80/s)，在5000Gs磁场下剪切应力为30～80kPa，静置两个月后无明显沉降和板结发生，经减振器中振动实验后无稠化现象发生。该磁流变液具有良好的综合性能。

实施例

例1

取还原或磷化羰基铁粉(粒度范围1～30μm)228g，异丙醇70ml，硅烷偶联剂5ml置入300ml容积不锈钢磨罐内，经机械搅拌和超声分散后，进行6～8h球磨，球罐转动线速度不小于125m/min.。后在70～80℃真空烘箱内烘烤5～6h，待预处理载液挥发至尽，称量100#硅油75ml，纳米级氧化硅触变剂1.5g，混入球罐内，经机械搅拌、超声分散后进行二次球磨分散，磨罐线速度不小于125m/min.，球磨时间不小于12h。将磁流变液与磨球分离，贮存于密闭、遮光聚氯乙烯瓶内。按上述工艺制备的磁流变液的室温零场粘度为0.43Pa·s(D＝10/s)，在5000Gs磁场下的剪切应力为60kPa，沉降后易于分散。

例2

悬浮相粉料、配比及预处理同例1，预处理干燥后，称量75ml矿物油、1.5g纳米级氧化硅触变剂，混入球磨罐中，经机械搅拌、超声分散后进行二次球磨分散，工艺同例1中二次球磨分散工艺。样品的室温零场粘度为0.6Pa·s(D＝10/s)，在5000Gs磁场下的剪切应力为60kPa，经60天静置后，无明显沉降和板结发生，易于在较弱的磁场下或剪切作用下均匀分散。

例3.

悬浮相粉料、配比同例2，预处理过程采用羧酸有机胺盐表面活性剂(配比为0.8％vol)。二次分散中采用纳米级膨润土触变剂0.1g，配比及工艺同例2。样品的零场粘度0.6Pa·s(D＝10/s)，在5000Gs磁场下的剪切应力为58kPa，形成的软沉降易于再分散。

例4.

悬浮相粉料为还原型羰基铁粉320g(配比为35％vol)，制备工艺同例3，样品的零场粘度1.0Pa·s(D＝80/s)，在5000Gs磁场下的剪应力为70kPa。

例5.

悬浮相粉料为还原型羰基铁粉410g(配比为45％vol)，表面活性剂采用烷基磷酸脂1.2ml。(配比为1.2％vol)。矿物油55ml，纳米级氧化硅1.0g。制备工艺同例3，样品的零场粘度1.5Pa·s(D＝80/s)，在5000Gs磁场下的剪应力为76kPa。

例6.

悬浮相为还原型羰基铁粉136.8g(配比为15％vol)，羧酸有机胺盐表面活性剂1ml。(配比为1.0％vol)。硅油85ml(85％vol)。制备工艺同例1，样品的零场粘度0.8Pa·s(D＝10/s)，在5000Gs磁场下的剪应力为32kPa。

Claims

1、一种稳定型磁流变液，由磁性悬浮相、载液、无机触变剂和表面活性剂组成，其特征在于：磁性悬浮相选用还原羰基铁粉和磷化羰基铁粉；无机触变剂采用粒度为纳米级的无机膨润土或氧化硅类触变剂；载液采用硅油、矿物油、烃类油、液压油、二脂类有机液体或它们的混合物；表面活性剂选用离子型及非离子型表面活性剂；所述的四种组分在磁流变液中，磁性悬浮相的体积浓度比为10～50％vol，载液的体积分数为50～90％vol，无机触变剂的配入量为0.1～1.5％wt，表面活性剂的配比为0.1～2.0％vol。

2、根据权利要求1所述的稳定型磁流变液，其特征在于磁性悬浮相的粉体平均粒度为0.1～100μm。

3、根据权利要求2所述的稳定型磁流变液，其特征在于磁性悬浮相的粉体平均粒度为0.1～50μm。

4、根据权利要求3所述的稳定型磁流变液，其特征在于载液选用硅油、矿物油和/或聚-α烯烃。

5、根据权利要求4所述的稳定型磁流变液，其特征在于载液的粘度为10～500mPa·s。

6、根据权利要求1所述的稳定型磁流变液，其特征在于表面活性剂采用油酸、壬基酚聚氧乙烯醚、Span-g5、聚乙二醇、硅烷偶联剂、CTAB、PD-85、T204、T154、DA-50、羧酸有机胺盐、钛酸丁脂、二烷基二硫代磷酸盐或石油磺酸。

7、根据权利要求6所述的稳定型磁流变液，其特征在于表面活性剂采用硅烷偶联剂、二烷基二硫代磷酸盐或羧基有机胺盐表面活性剂。

8、根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的稳定型磁流变液制备方法，其特征在于步骤如下：

(1)悬浮相粒子表面净化与活化处理：将悬浮相粉体称量后与无水乙醇或异丙醇及所选用的表面活性剂混合后，置入500～1000ml不锈钢容器内进行球磨处理和超声分散处理；将预处理后的混合液体在70～100℃真空干燥箱内或红外干燥箱干燥；

(2)磁流变液的合成：将预处理干燥后的悬浮相粉体与称量好的载液和无机触变剂在不锈钢球磨罐中混合，经机械搅拌、超声分散后进行高速研磨分散，分散后的磁性液体与磨球分离后贮存于密闭聚氯乙烯瓶内。

9、根据权利要求8所述的稳定型磁流变液制备方法，其特征在于球磨处理的磨球为ZrO₂或玛瑙球，直径分布为6～15mm，球磨罐转动线速度不小于125m/min。