CN1595558A - 一种磁流变液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁流变液及其制备方法。本发明的磁流变液为包含有微米级磁性颗粒和载液的稳定悬浮液，磁性颗粒表面交联高分子化合物，组成配比按重量百分比计为：磁性颗粒67－94％，磁性颗粒表面交联的高分子化合物1－24％，载液4－20％。在载液中可添加按重量百分比计≤5％的添加物，其制备方法是：首先制备磁性颗粒或包附有氧化硅和氧化铝磁性颗粒，然后将磁性颗粒制备成表面交联高分子的磁性颗粒，最后按合适有效配比将表面交联高分子的磁性颗粒、载液、少量添加成分混合搅拌成磁流变液。本发明的磁流变液悬浮稳定性、磁流变液的力学性能和固液相变的可逆性达到了国外进口的磁流变液的水平，适用于航空航天，机械工程，汽车工业，精密加工，建筑工程，医疗卫生等领域。

Description

一种磁流变液及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种磁流变液。

背景技术：

磁流变液(Magnetic Rheological Fluid，MRF)是由微米级(1～10μm)磁性颗粒、载液(矿物油，硅油等)和表面活性剂组成的稳定悬浮液体。在外加磁场作用下会产生明显的磁流变效应：可以在固体与液态之间进行毫秒级(10毫秒以内)快速可逆转化，变化范围宽、粘度保持连续无级可控，耗能极小。而且“固化”效果随外加磁场的大小而不同，可通过控制激磁电流改变磁场，来实现实时主动控制，磁流变液在航空航天，机械工程，汽车工业，精密加工，建筑工程，医疗卫生等领域得到广泛应用，可完成智能传动，制动，减振，降噪等功能。理论上，表面涂上一层这种液体就有可能在磁力控制下改变形状。用一个磁流变模具就能铸出变化无穷的形状。医药工程技术人员就有可能制造出跟活肢体一样能动的磁流变肢体，为医学上的机械人关节、触觉手套等开发，展示了广阔的前景。

目前国内外有关磁流变液的研究报道集中在磁流变液性能测试结果、固化机理和器件原理性设计等方面。当前商品化的磁流变液材料主要由美国LORD公司生产销售，但其售价非常昂贵。国内磁流变液的研究刚刚起步，制备磁流变液的专利不多，样品的主要来源依赖进口。

磁性颗粒的密度与载液密度的差异引起磁流变体的沉淀问题，一直是磁流变体制备的难题。在磁流变液的制备中，磁性颗粒的团聚、悬浮体系的沉降速率、磁流变液的力学性能和固液相变的可逆性是必须考虑的四个主要问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种磁流变液及其制备方法。本磁流变液具有悬浮稳定性，可以固体与液体之间快速可逆转化，制备方便，成本低适用于航空航天，机械工程，汽车工业，精密加工，建筑工程，医疗卫生等领域。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种磁流变液，为包含有微米级磁性颗粒和载液的稳定悬浮液，其特征在于磁性颗粒表面交联高分子化合物，组成配比按重量百分比计为：

磁性颗粒                                67-94％，

磁性颗粒表面交联的高分子化合物          1-24％，

栽液                                    4-20％。

上述的载液中添加按重量百分比计≤5％的添加物，添加物为纳米级颗粒、或有机分子、或增加密度的液体。

上述的磁性颗粒是粒径在1um-50um之间的赤铁矿、铁粉、羰基铁粉、氧化铁、及铁镍合金，或含钴、镍的磁性体颗粒。

上述的磁性颗粒表面有包附层，包附层为二氧化硅。

上述的磁性颗粒的二氧化硅包层表面还包附一层氧化铝。

上述的磁性颗粒表面交联的高分子化合物是硅烷，或聚苯乙烯、或聚环氧烷类，或明胶、或琼脂、或甲壳素、或葡聚糖、或聚乙烯醇及其衍生物。

上述的硅烷为氯丙基烷Cl(CH₂)₃Si(OCH₃)₃，或乙烯基硅烷CH₂＝CHSi(OC₂H₅)₃。

上述的磁性颗粒表面和高分子化合物之间氧化硅薄膜或交联剂。

上述的交联剂是硅烷偶联剂、或N，N-羰基二咪啶，或碳二酰亚胺，或草酰氯，或戊二醛，或乙二胺，或戊二胺。

上述的载液是水、或水性液体、或油类、或油酸。

上述的油类为硅油、或液体石蜡、或润滑油、或食用油。

上述的纳米颗粒是纳米氧化铁、或纳米氧化硅、或纳米氧化锌、或纳米氢氧化镁；有机分子是硅烷，或聚苯乙烯、或聚醚、或明胶、或琼脂、或甲壳素、或葡聚糖、或纤维素、或石蜡、或聚乙烯醇及其衍生物。

一种用于上述磁流变液的制备方法，其特征在于制备步骤为：

a.制备磁性颗粒或包附有氧化硅和氧化铝磁性颗粒：磁性颗粒可以直接使用磁性体颗粒；或者使用包附氧化硅的磁性颗粒；或者采用再在氧化硅的表面包附一层氧化铝的磁性颗粒；

b.制备表面交联高分子的磁性颗粒：(a).若直接使用铁粉或其他磁性颗粒，则加入缓冲液或有机溶剂、高分子、反应剂二甲基亚砜、羧基化的葡聚糖、戊二胺，搅拌混匀，加入交联剂搅拌，待反应3小时后，磁分离除去反应液，清洗洪干或冻干；(b).若使用氧化硅和氧化铝包附的铁粉或其他磁性颗粒，则使用硅烷偶联剂和高分子进行交联，或者和A方法相同。

c.按合适有效配比将表面交联高分子的磁性颗粒、载液、少量添加成分混合搅拌。

在磁性体颗粒表面包附氧化硅的方法，参见“纳米Fe_3O_4颗粒的表面包覆及其在磁性氧化铝载体制备中的应用”，张冠东等，过程工程学报，Vol2(4)

在氧化硅的表面包附一层氧化铝的磁性颗粒的方法，参见纳米Fe_3O_4颗粒的表面包覆及其在磁性氧化铝载体制备中的应用”，张冠东等，过程工程学报，Vol2(4)

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明提供的磁流变液中表面高分子交联的磁性颗粒，通过交联，可以使磁性颗粒表面的连接更多的高分子，并且不易脱落，从而增加其悬浮稳定性；磁性颗粒表面包附氧化硅可以使颗粒比较耐酸，再包附氧化铝可以使磁性颗粒耐磨耐酸，适宜用于不通的物理化学环境。本发明制备方法简单、易于操作，无需附加能源和特殊设备。本发明的磁流变液悬浮稳定性、磁流变液的力学性能和固液相变的可逆性达到了国外进口的磁流变液的水平。本发明的磁流变液可适用于航空航天，机械工程，汽车工业，精密加工，建筑工程，医疗卫生等领域。

具体实施方式

实例一：(1).制备羧甲基葡聚糖衍生物：取10克葡聚糖20000溶于100ml水中，加入12克NaOH和7.9克氯乙酸，磁力搅拌加热，温度为37℃，反应3小时。然后用透析袋透析，24小时冻干，白色粉末即为羧基化的葡聚糖。

(2).制备硅烷化表面包附氧化硅的磁性颗粒。

(3).磁性颗粒表面包附有机高分子的交联：将10克磁性颗粒和2克羧基化葡聚糖加水10ml混合，磁分离，加入2ml乙二胺缓冲液混合，然后加入40mg碳二亚胺(EDC)，反应3小时，用透析袋透析，去除多余的乙二胺和盐分，冻干即得到表面交联有高分子聚合物并且有活性基团的磁性颗粒。

(4).取表面交联高分子聚合物的磁性颗粒92％与载液硅油8％混合搅拌均匀成磁流变液。

实施例二：取铁粉80％，用于交联的高分子化合物8％，载液硅油8％和添加料纳米二氧化硅2％，混合搅拌成磁流变液。

实施例三：铁粉67％，用于交联的高分子化合物15％，载液硅油13％和添加料纳米二氧化硅5％，混合搅拌成磁流变液。

通过实施例一、实施例二和实施例三所制备出的磁流变液，磁性颗粒不团聚、固液相变可逆，悬浮颗粒的沉降速率、磁流变液的力学性能都达到或超过国外同类产品性能。

Claims (13)

1.一种磁流变液，为包含有微米级磁性颗粒和载液的稳定悬浮液，其特征在于磁性颗粒表面交联高分子化合物，组成配比按重量百分比计为：

磁性颗粒                             67-94％，

磁性颗粒表面交联的高分子化合物       1-24％，

栽液                                 4-20％。

2.根据权利要求1所述的磁流变液，其特征在于载液中添加按重量百分比计≤5％的添加物，添加物为纳米级颗粒、或有机分子、或增加密度的液体。

3.根据权利要求1所述的磁流变液，其特征在于磁性颗粒是粒径在1um-50um之间的赤铁矿、铁粉、羰基铁粉、氧化铁、及铁镍合金，或含钴、镍的磁性体颗粒。

4.根据权利要求3所述的磁流变液，其特征在于磁性颗粒表面有包附层，包附层为二氧化硅。

5.根据权利要求4所述的磁流变液，其特征在于磁性颗粒的二氧化硅包层表面还包附一层氧化铝。

6.根据权利要求1所述的磁流变液，其特征在于磁性颗粒表面交联的高分子化合物是硅烷，或聚苯乙烯、或聚环氧烷类，或明胶、或琼脂、或甲壳素、或葡聚糖、或聚乙烯醇及其衍生物。

7.根据权利要求1所述的磁流变液，其特征在于硅烷为氯丙基烷Cl(CH₂)₃Si(OCH₃)₃，或乙烯基硅烷CH₂＝CHSi(OC₂H₅)₃。

8.根据权利要求1或6所述的磁流变液，其特征在于磁性颗粒表面和高分子化合物之间氧化硅薄膜或交联剂。

9.根据权利要求1或6所述的磁流变液，其特征在于交联剂是硅烷偶联剂、或N，N-羰基二咪啶，或碳二酰亚胺，或草酰氯，或戊二醛，或乙二胺，或戊二胺。

10.根据权利要求1所述的磁流变液，其特征在于载液是水、或水性液体、或油类、或油酸。

11.根据权利要求10所述的磁流变液，其特征在于油类为硅油、或液体石蜡、或润滑油、或食用油。

12.根据权利要求2所述的磁流变液，其特征在于纳米颗粒是纳米氧化铁、或纳米氧化硅、或纳米氧化锌、或纳米氢氧化镁；有机分子是硅烷，或聚苯乙烯、或聚醚、或明胶、或琼脂、或甲壳素、或葡聚糖、或纤维素、或石蜡、或聚乙烯醇及其衍生物。

13.一种根据权利要求1所述的磁流变液的制备方法，其特征在于制备步骤为：

a.制备磁性颗粒或包附有氧化硅和氧化铝磁性颗粒：磁性颗粒可以直接使用磁性体颗粒；或者使用包附氧化硅的磁性颗粒；或者采用再在氧化硅的表面包附一层氧化铝的磁性颗粒；

b.制备表面交联高分子的磁性颗粒：(a).若直接使用铁粉或其他磁性颗粒，则加入缓冲液或有机溶剂、高分子、反应剂二甲基亚砜、羧基化的葡聚糖、戊二胺，搅拌混匀，加入交联剂搅拌，待反应3小时后，磁分离除去反应液，清洗洪干或冻干；(b).若使用氧化硅和氧化铝包附的铁粉或其他磁性颗粒，则使用硅烷偶联剂和高分子进行交联，或者和A方法相同。

c.按合适有效配比将表面交联高分子的磁性颗粒、载液、少量添加成分混合搅拌。