具有改良的化学稳定性的磁性流体及其制备方法

专利名称：具有改良的化学稳定性的磁性流体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及磁性流体及其制备方法。具体地，本发明涉及具有改良的化学稳定性的磁性流体合成物及其制备方法。
2.现有技术磁性流体，有时称为“铁磁流体”或“磁性胶体”，其是精细分开的磁性或可磁化粒子的分散或悬浮，粒子大小在30到150埃之间并分散在载液中。磁性流体的一个重要的特性是它们可被放置并保持在磁场空间中而不需要容器的能力。磁性流体的这种独特的特性使它们可用于多种应用。一种应用为它们用作具有较低拖曳转矩的液封，其中在象传统密封那样进行操作期间，该种密封不会产生粒子。这些液封被广泛应用在计算机磁盘驱动器中，其作为隔绝密封以阻止空中粒子或气体从密封一侧到另一侧的通道。在环境区域中，环境密封用于阻止短时排放，及固体、液体或气体排放进大气中，这种排放是有害的或潜在有害的。
磁性流体的其它应用如音频扬声器的音圈和磁体之间的传热液体，阻尼应用中的阻尼液，及水力轴承应用中的轴承润滑剂。另外的应用如具有多个液封或平台的装置中的压力密封如真空旋转穿通密封。通常，这种类型的密封是想要保持从密封一侧到另一侧的压力差异，同时允许转轴投入存在压力差异的环境中。
磁性粒子通常是通过粉碎、沉淀、汽相淀积或其它类似手段制备的铁素体的细粒。从纯度、粒子大小控制和生产力的角度，沉淀通常是制备铁素体粒子的首选手段。使用磁性流体的大部分工业应用包括氧化铁作为磁性粒子。最适于磁性流体应用的氧化铁为铁素体如磁铁矿及γ-三氧化二铁，其被称为磁赤铁矿。铁素体和三氧化二铁向磁性流体提供了多种物理和化学特性，这些特性中最重要的是饱和磁化、粘性、磁稳定性、及整个系统的化学稳定性。为保持悬浮，铁素体粒子要求表面活性剂涂层，即本领域技术人员所知的分散剂，以阻止粒子凝结或附聚。脂肪酸如油酸已被用作分散剂以使磁性粒子稳定悬浮在某些低分子量非极性烃液中。这些低分子量非极性烃液是相当挥发性的溶剂如煤油、甲苯及类似物质。由于它们的相当的挥发性，这些挥发性烃液的蒸发是其重大缺陷，因为其使磁性流体本身的功能变坏。因此，要有用，磁性流体必须由低蒸汽压力载液制成，而不是用低沸点烃液制成。
表面活性剂/分散剂具有两个主要的功能。第一是确保磁性粒子之间永久的间距以克服由范德瓦尔斯(Van der Waal)引力和磁引力导致的吸引力，即阻止凝结或附聚。第二是在磁性粒子的外表面上提供化学合成物，其与载液相容。
磁性流体的饱和磁化是磁性流体中磁性材料的分散相体积的函数。在磁性流体中，实际的分散相体积等于磁性粒子的相体积加上所附的分散剂的相体积。磁性粒子含量越高，饱和磁化越高。流体中的磁性粒子的类型还确定流体的饱和磁化。流体中设定体积百分比的金属粒子如钴和铁产生较同样体积百分比的铁素体要高的饱和磁化。磁性流体的理想的饱和磁化由应用确定。例如，在硬盘驱动器中使用的隔绝密封的饱和磁化值通常低于半导体工业中使用的真空密封的饱和磁化值。
磁性流体的粘性是要优先控制的特性，因为其影响磁性流体对特殊应用的适用性。磁性流体的粘性可由用于描述理想胶体的特征的原理进行预测。根据爱因斯坦关系式，理想胶体的粘性为(N/N0)＝1+αΦ其中N＝胶体粘性N0＝载液粘性α＝常数；及
Φ＝分散相体积胶凝时间是磁性流体的预期寿命的函数。磁性流体的胶凝时间取决于多个因素，包括温度、粘性、载液及分散剂中的挥发性成分、及饱和磁化。当磁性流体被加热时，则出现载液的蒸发及分散剂的氧化降解。分散剂的氧化降解增加了胶体内粒子对粒子的吸引，从而导致磁性胶体以比没有氧化降解情况更快的速率胶凝。
目前采用的大多数磁性流体具有1到3种类型的表面活性剂，其以在磁性粒子周围布置1、2、3层的方式进行。用于磁性流体的表面活性剂是长链分子，其具有至少16个原子的链长如碳、或碳和氧的链、及一端的官能团。链还可包含芳烃。官能团可以是阳离子、阴离子或非离子。官能团被附加到磁性粒子的外层，其或通过化学键接或物理力或二者结合实现。表面活性剂的链或链端在粒子之间提供了永久的间距并与液体载体相容。
在过去已发明了多种磁性流体及制备磁性流体的方法。基于油的载液通常是多种化学成分的有机分子，或极性或非极性，这些化学成分如烃(聚α烯烃、芳香链结构分子)、酯(多元醇酯)、硅树脂、氟化及其它具有高于8-9千分子量的外来分子。大多数方法使用低沸点烃溶剂来胶溶铁素体粒子。在这些方法中，为从合成的基于油的磁性流体蒸发烃溶剂，所有这些方法均要求在约70℃及更高温度对磁性流体进行加热处理或在降低的压力下在较低的温度进行加热处理。由于有大量因素影响磁性流体的物理和化学特性，及一特性的改良可能反向影响另一特性，因而很难预测改变成分或方法在磁性流体的全部有效性上的效果。本领域所公知的是其中分散剂之一是脂肪酸的磁性流体易受分散剂系统的氧化降解的影响，脂肪酸如油酸、亚油酸、硬脂酸或异硬脂酸。这导致磁性流体的胶凝。
美国专利5,676,877(1997年授予Borduz等人)公开了一种用于产生化学上稳定的磁性流体的成分和方法，所述磁性流体具有精细分开的磁性粒子，磁性粒子使用表面活性剂覆盖。其还采用表面改性剂，改性剂被添加以完全覆盖粒子的外层的自由可氧化外表面，从而确保更好的胶态物系化学稳定性。表面改性剂是烷基醇化硅烷(alkylalkoxide silane)。
美国专利5,013,471(1991年授予Ogawa)公开了一种磁性流体、生产磁性流体的方法及使用磁性流体的磁密封装置。磁性流体具有覆盖以单分子吸附膜的铁磁粒子，单分子吸附膜由氯硅烷型的表面活性剂组成，其具有10-25碳原子的链。氟原子取代该方法中使用的氯硅烷表面活性剂的烃链的氢原子。根据该发明，氯硅烷表面活性剂不得不足够大以分散粒子并通过在粒子之间提供足够的间距来确保磁性流体的胶态稳定性。
美国专利5,143,637(1992年授予Yokouchi等人)公开了一种由分散在有机溶剂中的铁磁粒子、低分子量分散剂、及具有25-1500之间的碳量的添加剂。低分子量分散剂用于将粒子分散在有机载体中。在该发明的摘要中，讨论了使用偶合剂如硅烷作为分散剂。然而，偶合剂不得不具有足够大的分子量以实施为分散剂。应该提及的是，在美国专利5,143,637中，没有特别公开的权利要求使用硅烷作为添加剂甚至作为分散剂。流体的热稳定性通过添加如高达20000的高分子量添加剂而得以增加，这样的添加剂如聚苯乙烯、聚丙烯、聚丁烯、或聚丁二烯聚合物。
美国专利4,554,088(1985年授予Whitehead等人)公开了使用聚合硅烷作为偶合剂。偶合剂是特殊类型的表面活性化学制品，其在长链分子的两端均具有官能团。分子的一端附着到磁性粒子的外氧化层，而分子的另一端附着到对那些应用有兴趣的特殊化合物，如药、抗体、酶等。
美国专利5,064,550(1991年授予Wyman)公开了超顺磁性流体，其具有非极性烃油载液及涂覆的磁性粒子。磁性粒子被涂覆以至少一酸，酸选自由下述酸组成的组在连接到羧基团的链中仅包含碳和氢原子的有机酸。链包含至少19个碳原子及用脂肪酸酰化的氨基酸。其还公开了制备超顺磁性流体的方法，包括提供涂覆以至少一酸的磁性粒子的水悬浮液，其中酸选自由下述酸组成的组在连接到羧基团的链中包含至少19个碳原子及用脂肪酸酰化的氨基酸。
美国专利4,976,883(1990年授予Kanno等人)公开了制备磁性流体的方法。磁性流体包含涂覆表面活性剂的铁素体的细粒，其稳定分散在载液中。将被吸附在铁素体的细粒上的表面活性剂或第一分散剂为那些通常用于将细粒分散在烃溶剂中的表面活性剂中的一种，最好是更高的脂肪酸盐及山梨糖醇酯。所使用的分散剂选自N-聚(亚烷基)多胺取代的烯基琥珀酰亚胺(N-polyalkylenepolyamine-substituted alkenylsuccinimide)、氧化烯取代的磷酸酯(oxyalkylene-substituted phosphoric acidester)、及非离子表面活性剂。
美国专利4,956,113(1990年授予Kanno等人)公开在制备磁性流体的方法。磁性流体包含稳定分散在低蒸汽压力基油中的铁素体的细粒。磁性流体通过将N-聚(亚烷基)多胺取代的烯基琥珀酰亚胺添加到分散在低沸点烃溶剂中的吸附有表面活性剂的铁素体的细粒的悬浮液中进行制备。吸附在铁素体的细粒上的表面活性剂是那些通常用于将细粒分散在烃溶剂中的表面活性剂中的一种，最好是更高的脂肪酸盐及山梨糖醇酯。混合物被加热以在添加低蒸汽压力基油和特殊的分散剂之后除去烃溶剂。所得的混合物经受分散处理。
美国专利4,938,886(1990年授予Lindsten等人)公开了一种超顺磁性流体，其具有在稳定胶态悬浮液、分散剂和载液中的磁性粒子。分散剂具有A-X-B结构，A源自非离子表面活性剂，B为羧酸官能团，X为A和B之间的连接官能团。载液为对A热力学良好的溶剂，但其不会与仅涂覆以油酸的磁性粒子形成稳定的超顺磁性流体。
美国专利3,843,540(1974年授予Reimers等人)公开了使用胶溶技术制造磁性流体。磁性流体通过使铁盐的水溶液与碱反应以产生胶状大小的、铁磁氧化铁粒子的沉淀物而进行制造。粒子被涂覆以水可溶且可分解的分散剂的吸附层。涂覆后的粒子接着被分解为非水可溶形式并分散在非水载液中。
没有现有技术提出或建议使用金属、金属混合物、合金、或非金属元素作为磁性流体中的磁性流体改性剂以增加磁性流体的稳定性。
因此，所需要的是这样一种磁性流体，其具有基于金属、金属混合物、合金、或非金属的磁性流体改性剂添加到磁性流体中以增加磁性流体的稳定性。进一步需要的是一种基于烃的或基于酯的磁性流体，其具有基于金属、金属混合物、合金、或非金属的磁性流体改性剂添加到磁性流体中以增加磁性流体的稳定性。最后需要的是具有增加的稳定性的、基于烃的、基于酯的或基于硅树脂的磁性流体的制备方法。

发明内容
本发明的目的在于提供磁性流体，其具有添加到磁性流体的基于金属、金属混合物、合金、或非金属的磁性流体改性剂，从而给予磁性流体增强的稳定性。本发明的目的还在于提供基于烃的、基于酯的、或基于硅树脂的磁性流体，其具有添加到磁性流体的基于金属、金属混合物、合金、或非金属的磁性流体改性剂，从而给予磁性流体增强的稳定性。本发明的目的还在于提供制备具有增强的稳定性的、基于烃的、基于酯的或基于硅树脂的磁性流体。
本发明通过提供磁性流体及制备磁性流体的方法而实现这些及其它目的，其中磁性流体对氧化侵蚀的抵抗得以增强。
为了使用于目前的工业应用中，磁性流体不得不在两个方面展现稳定性。第一个是在非常高的磁场梯度下具有胶态稳定性。磁性粒子在高磁场梯度下倾向于凝集和附聚并与其余的胶体间隔开。第二个是具有相对于表面活性剂和有机油载体的氧化的化学稳定性。所有的有机油均经受慢或快速的氧化过程。这导致油的粘性增加从而在某一点油变成凝胶或固体。
根据现有技术制备的磁性流体当曝露给氧化降解时均只具有相当短的胶凝时间。然而，本发明的磁性流体在曝露给氧化降解时具有长得多的有效寿命。令人意想不到和惊奇的发现，相对于没有使用基于金属、金属混合物、合金、或非金属的改性剂的磁性流体，本发明的胶凝时间(磁性流体的有效寿命)被大大增加，约10％或更高，其取决于应用。
本发明提供的磁性流体由涂覆以表面活性剂的磁性粒子组成，其中还添加有金属、金属混合物、合金、或非金属作为磁性流体改性剂。本发明的磁性流体由四种成分制成，即油性载液、一种或多种有机表面活性剂/分散剂、基于金属、金属混合物、合金、或非金属的改性剂、及细的磁性粒子。
不知道怎样添加金属、金属混合物、合金、或非金属来增加磁性流体的有效寿命。一种理论是基于金属、金属混合物、合金、或非金属的改性剂的小粒子覆盖未被制备磁性流体时使用的表面活性剂覆盖的区域。表面活性剂具有相当长的链端，其允许涂覆表面活性剂的磁性粒子分散在有机溶剂和/或油基载液中。还认为，磁性流体元素改性剂通过已经连接到表面的表面活性剂的链端渗透到磁性粒子的未被覆盖的可氧化表面。其可覆盖表面并保护表面免遭氧化侵蚀，但这是不确定的。
同样似是而非的是，元素改性剂存在于油基载体中并以类似于“缓冲剂”的改性剂的方式发生作用。换言之，元素改性剂较磁性流体更容易遭受氧化降解。这可能是因为，不像磁性粒子，元素改性剂不具有任何分散剂涂层保护其表面。因而，元素改性剂用作氧吸收体。然而，这是关于元素改性剂如何改善铁磁流体的有效寿命的纯粹的猜测。
一定数量(重量)的元素改性剂被添加到基于烃的、基于酯的或基于硅树脂的铁磁流体。具有元素改性剂的铁磁流体遭受一定时间的“老化”过程即处理。在处理之后，多余的元素改性剂与处理后的铁磁流体分离。“老化”过程开在室温及室相对湿度下进行，也可在更高的温度及相对湿度下进行。
处理后的磁性流体接着遭受氧化环境。一定量的处理后的磁性流体被加到几个玻璃器皿/小瓶中。器皿/小瓶被放置在更高的温度环境以缩短测试周期。
通常，没有元素改性剂、但已在室温及室相对湿度下老化的磁性流体，当在胶凝开始出现之前连续在150℃下工作时，其将在合理的时间段(取决于铁磁流体的类型)内继续起作用。相对于未处理的等价物，根据本发明的磁性流体则能够在150℃下工作更长的时间。
令人意想不到和惊奇的发现，相对于未处理的磁性流体，本发明的胶凝时间(磁性流体的有效寿命)被大大增加，约8-10％或更高，其取决于磁性流体的类型。处理过的磁性流体较未处理的磁性流体更能抵抗氧化降解。通常，处理过的磁性流体较未处理的磁性流体具有1.1-5倍的对氧化降解的抵抗力。
本发明的其它优点及实施例将部分在下面的详细描述中提出，部分可从这些描述中明显推出，或可从本发明的实施获悉。应该理解的是，前面的总体上的描述及下面的详细描述均是示例性的和解释性的，所附权利要求会对本发明提供进一步的说明。
具体实施例方式
重复的实验表明，油在与固体表面特别是氧化物接触时经历更快的氧化。将油与非常小的磁性粒子混合将大大降低油的寿命。简单的计算表明，一立方厘米的、200高斯(200G)(20 millitesla)饱和磁化的磁性流体具有大约1016个100埃直径的磁性粒子。这些磁性粒子的总外表面面积估计约为30平方米。这表明，在一立方厘米磁性流体中，只有接近表面区域的磁性粒子易受氧化的影响。考虑到外区域的表面不均匀、可能具有“山脉和山谷”样的外形，前述区域可能非常大。由于空间推斥和几何学，表面活性剂在理论上将覆盖至多80-90％的粒子外区域。从而有3-6平方米的未覆盖外区域与非常小量的油接触。该简单的计算表明，油及表面活性剂的大部分氧化效果是由于来自粒子的未覆盖表面区域的氧化物的广大表面。
本发明使用元素改性剂添加到磁性流体中。造成磁性流体寿命改善的机制是未知的。然而，其可理论化为，元素改性剂的元素粒子通过现有的表面活性剂的链端穿透到磁性粒子的未覆盖表面。元素可被吸附到粒子的表面或其可提供一防御线，该防御线在磁性粒子之前经受氧化降解。由于表面活性剂被吸附到磁性粒子的表面，表面活性剂/磁性粒子相互作用的完整性则不会被危及，从而延长了磁性流体的寿命。元素改性剂可充作牺牲元素，其在变成“氧饱和”并允许氧化侵蚀穿透到磁性粒子之前承受一定时间的氧化侵蚀。另一方面，元素改性剂更像海绵，吸附氧化侵蚀并阻止氧化侵蚀降解表面活性剂/磁性粒子界面。这些作用方法仅是部分发明人的纯粹推测。不管潜在的机制如何，将基于金属、金属混合物、合金、非金属的改性剂添加到基于烃的、基于酯的或基于硅树脂的磁性流体中增加了磁性流体的有效寿命。
本发明使用的元素改性剂包括金属、金属混合物、合金、或非金属。
本发明的磁性流体由四种成分制成，即油性载液、一种或多种有机表面活性剂/分散剂、元素改性剂、及细的磁性粒子。通常，具有一种或多种表面活性剂的磁性流体被使用元素改性剂处理，其通过直接将元素改性剂添加到包含磁性粒子的铁磁流体进行。
在下面的过程和例子中，通常假定反应温度越高，反应越快。尽管有很多反应温度尚未被测试，但假定反应时间与反应温度呈反向变化。
一般过程一定量的铁磁流体使用多种元素改性剂进行处理。处理，也被称为“老化”，是在各种温度和相对湿度条件下执行一段时间。在老化/改善处理之后，处理过的铁磁流体在干燥条件及更高的温度下经受降解测试。下面的例子和表表明用于老化和测试所指出的铁磁流体的处理和降解参数。在所有测试中，普通样本即除了在室温和室相对湿度下老化并没有经历处理/老化过程的铁磁流体的样本也被测试以比较处理过的铁磁流体相对未处理的铁磁流体的有效寿命的改善。
在大多数处理中使用下面的过程。
处理铁磁流体的过程多种类型的铁磁流体的样本被灌注并称重在玻璃器皿中，玻璃器皿具有约12.9mm的内径、约15mm的外径、及约10m的长度。足够的铁磁流体被灌注到玻璃器皿中，使得流体厚度为约3mm。大约0.04克(约占铁磁流体的重量的10％)的每一测试的金属、金属混合物、合金、或非金属(统称为“元素改性剂”)被添加到每一器皿中并混合，但用作控制的包含铁磁流体的器皿(即比较样本)除外。包含元素改性剂/铁磁流体混合物的器皿接着经受一定的温度和相对湿度条件一段时间(老化过程)。
用于特定类型的铁磁流体的条件在例子和表中说明。在老化之后，铁磁流体样本接着经受氧化降解测试即胶凝测试。
胶凝测试过程处理过的铁磁流体样本被分别放置在玻璃器皿中，玻璃器皿具有约12.9m的内径、约15.0m的外径、及约10.0m的长度。足够量的磁性流体被添加到每一器皿中使得在玻璃器皿中的磁性流体的厚度为约3m。玻璃器皿被放置在钻孔的铝盘(260mm×290m×7.7mm)中，孔的大小正好适于玻璃器皿放入。铝盘接着放置在温度控制在约130±3℃、约150±3℃或约170±3℃的炉中，其取决于所执行的特定测试的温度。玻璃器皿被定期从炉中拿出并冷却到室温1-2个小时并检查凝胶形成的征候。一小磁体放置在器皿中的流体的弯液面处。当材料不再被吸引到保持在弯液面上面的磁体部分时，磁性流体被视为已胶凝。
例1两种镍粉被用于处理过程中以看其队四种不同铁磁流体的有效寿命的影响。镍粉可从日本东京2-3-11 Shinkawa Chuo-ku的Yamaishi Metals Corp.获得，其目录号为200(P1)和255(P2)。P1具有44微米(μm)的平均金属粒子大小及99％的纯度。P2具有2.2-2.8微米(μm)的平均金属粒子大小及99％的纯度。对每一类型的镍粉，每一铁磁流体的样本均被处理和老化。当用5％重量比的镍和10％重量比的镍处理时，测试其对每一样本类型的有效性。四种铁磁流体相互在用作载液的材料或用于涂覆铁磁流体的磁性粒子的分散剂方面不同。载液是或极性或非极性液体，如聚α烯烃、二元酸酯和烷基萘的混合物、或二元酸酯和偏苯三酸酯(trimellitateester)的混合物。铁磁流体可从日本东京的Ferrotec Corporation获得，其目录号为CSG26(聚α烯烃)、CSG24A(聚α烯烃)、CSG33(二元酸酯+烷基萘)、及CFF100A(二元酸酯+偏苯三酸酯)。铁磁流体被使用先前提及的处理过程进行处理并使用上述测试过程测试氧化降解，但下面的特征除外。在例1中使用的玻璃器皿具有27mm的内径，而不是上面过程中列出的12.9mm内径。一立方厘米铁磁流体被灌注到玻璃器皿中以形成约1.7mm的铁磁流体高度。处理后的铁磁流体样本经受表1-1中指明的条件，但不在更高的温度执行单独的老化过程或胶凝测试过程。
表1-1示出了四种铁磁流体中的每一种所经受的条件。所有处理过的具有相同基础铁磁流体的样本均被曝露在相同的指定条件下。
表1-1

表1-2示出了用不同镍粉处理的、在铁磁流体中添加不同数量的元素改性剂、及曝露在表1-1中列出的条件下的多个铁磁流体样本的胶凝时间数据。
表1-2

数据表明，当镍用作元素改性剂处理铁磁流体时，元素改性剂延长了每一所处理铁磁流体在胶凝出现前的时间。
例2在该例子中，一种镍粉被用于测试其对八种不同铁磁流体的有效寿命的影响。所使用的镍粉为先前标记为P1的镍粉。每一样本类型均是在用10％重量比的镍处理时测试有效性。八种类型的铁磁流体相互在用作油基载液的材料或用于涂覆铁磁流体的磁性粒子的分散剂方面不同。油基载体是极性或非极性液体，如聚α烯烃、二元酸酯和烷基萘的混合物、偏苯三酸酯、二元酸酯和偏苯三酸酯的混合物、受阻多元醇酯(hindered polyol ester)。铁磁流体可从日本东京的Ferrotec Corporation获得，其目录号为CSG26(聚α烯烃)、CSG24A(聚α烯烃)、CSG33(二元酸酯+烷基萘)、CFF100A(二元酸酯+偏苯三酸酯)、CFF200A(偏苯三酸酯)、C103(偏苯三酸酯)、M200(受阻多元醇酯)、及H200(受阻多元醇酯)。铁磁流体被使用先前提及的处理过程处理并使用上述测试过程测试氧化降解。处理后的铁磁流体样本经受各种老化时间并使用多种氧化降解温度进行测试。
产生足够量的样本以在持续2、5、10、20和50天的老化过程的基础上测试老化的效果。同样，氧化降解测试也在两种不同的更高的温度下进行，或150℃和130℃或170℃和150℃，取决于铁磁流体的类型。
表2-1示出了八种不同铁磁流体中的每一种的老化条件。
表2-1

表2-2A和2-2C示出了用镍粉处理、且在进行胶凝时间测试之前老化了2、5和10天的多个铁磁流体样本的胶凝时间数据。所列出的在“0”天老化情况下的胶凝时间代表未经受处理和老化过程的控制样本的胶凝时间。
表2-2A(给定温度下的胶凝时间(小时))

表2-2B(给定温度下的胶凝时间(小时))

表2-2C(给定温度下的胶凝时间(小时))

表2-2D示出了用镍粉处理且在胶凝时间测试之前老化了20天的多个铁磁流体样本的胶凝时间数据与使用所示类型的标准铁磁流体的比较样本的对比。
表2-2D(给定温度下的胶凝时间(小时))

表2-2E示出了用镍粉处理且在胶凝时间测试之前老化了50天的多个铁磁流体样本的胶凝时间数据与使用所示类型的标准铁磁流体的比较样本的对比。
表2-2E(给定温度下的胶凝时间(小时))


例3几种其它元素粉末在处理过程被测试以测试其对四种不同铁磁流体的有效寿命的影响。铁磁流体可从Ferrotec Corporation获得，其目录号为H200、CFF200A、REN2050和071599YH2。REN 2050是基于聚α烯烃的铁磁流体，071599YH2是基于硅树脂的铁磁流体。所测试的元素改性剂可从日本东京1-20-6 Ginza Chuo-ku的NilacoCorporation获得，这些元素改性剂连同其平均粒子大小和纯度被列在表3-1中。每一样本胶凝测试过程之前在90℃和90％RH(相对湿度)条件下老化20天。胶凝测试结果如表3-2A到3-2D所示。
表3-1

表3-2A(H200铁磁流体在150℃的胶凝时间)


表3-2B(CFF200A铁磁流体在170℃的胶凝时间)

表3-2C(REN2050铁磁流体在170℃的胶凝时间)

表3-2D(071599YH2铁磁流体在150℃的胶凝时间)

在另一组样本中，多余的元素改性剂在老化之后胶凝测试之前与三种铁磁流体(H200、CFF200A和REN2050)分离。这些测试样本在具有27mm内径的玻璃器皿中以约3mm厚度进行测试。大约0.2克(约铁磁流体重量的10％)被添加到器皿中。在老化后，元素改性剂通过使用Whatman #1滤纸从铁磁流体进行分离。用于胶凝测试的样本被制备在先前描述的具有12.9mm内径的玻璃器皿中。如表3-2E所示，可以发现即使在流体中看不见明显的元素改性剂存在的情况下，部分元素改性剂持续具有改善三种铁磁流体的寿命的作用。
表3-2E除去多余元素改性剂(胶凝时间，小时)

除了测试单个元素对铁磁流体的寿命的影响以外，还测试多个元素的混合物对延长铁磁流体的有效寿命的影响。每一金属对50/50的混合物被用作所测试的铁磁流体的添加剂。处理后的铁磁流体在先前给出的温度和相对湿度下老化20天。表3-3示出了用于处理CFF200A铁磁流体的混合物。表3-4示出了用于处理REN2050铁磁流体的混合物。
表3-3(CFF200A在170℃的胶凝时间)


表3-4(REN2050在170℃的胶凝时间)

例4用50/50混合物元素改性剂进行处理对所测试的铁磁流体的有效寿命提供了相当的改善。测试被扩展到包括元素改性剂的多种混合比及在具有大致相同的混合比的元素混合物和合金之间比较。表4-1A列出了金属合金，表4-1B列出了所使用的金属混合物及其相应的名称，这些也在例4的其余表中使用。所测试的铁磁流体由目录号CSG24A、CFF100A和CSG26确定，其可从日本的Ferrotec Corporation获得。合金号H和I可从日本东京2-10-12 Kanda Chiyoda-ku的Soekawa Chemical Co.，Ltd.获得。在这些表中使用的镍粉为来自Yamaishi Metals Corp.的目录号为200的镍粉。如先前指出的。大部分元素改性剂均可从Nilaco Corporation获得。
表4-1A(合金)

Note 1Cr∶Ni∶Mn∶Si∶Fe＝18-20∶8-11∶＜2∶＜1∶剩余Note 2Cr∶Ni∶Mn∶Si∶Mo∶Fe＝16-18∶10-14∶＜2∶＜1∶2-3∶剩余表4-1B(金属混合物)


Note 3Cr∶Ni∶Mn∶Si∶FeNote 418-20∶8-11∶＜2∶＜1∶剩余Note 5Cr∶Ni∶Mn∶Si∶Mo∶FeNote 616-18∶10-14∶＜2∶＜1∶2-3∶剩余上面列出的元素改性剂被用于处理铁磁流体CSG24A的样本，其在80℃/90％RH条件下老化20天及在室温和室相对湿度条件下老化20天，部分在80℃/90％RH条件下老化50和80天。表4-2提供了通过两个老化过程老化的金属改性的铁磁流体的胶凝时间与在室温和室相对湿度下老化的未改性的铁磁流体的胶凝时间的比。任何大于1(1.0)的比表明改善了的铁磁流体。应注意，相对于未处理的/未改性的铁磁流体，两个老化过程均改善了处理后的/改性的铁磁流体的有效寿命。然而，在更高温度和更高相对湿度下进行的老化过程则显示出更大的改善。
表4-2(CSG24A)


Note 1铁磁流体在室温下与元素接触。
Note 2铁磁流体被移动到器皿壁上且由于移动流体丢失。
元素改性剂被用于处理铁磁流体CFF100A的样本，其在80℃/90％RH条件下老化20天及在室温和室相对湿度条件下老化20天，部分在80℃/90％RH条件下老化50和80天。与表4-2类似，表4-3提供了通过两个老化过程老化的金属改性的铁磁流体的胶凝时间与在室温和室相对湿度下老化的未改性的铁磁流体的胶凝时间的比。任何大于1(1.0)的比表明改善了的铁磁流体。
表4-3(CFF100A)


Note 1铁磁流体在室温下与元素接触。
Note 2铁磁流体被移动到器皿壁上且由于移动流体丢失。
在另一测试中，元素改性剂被用于处理铁磁流体CSG26的样本，其在80℃/90％RH条件下老化20天及在室温和室相对湿度条件下老化20天，部分在80℃/90％RH条件下老化50和80天。表4-4提供了通过两个老化过程老化的元素改性的铁磁流体的胶凝时间与在室温和室相对湿度下老化的未改性的铁磁流体的胶凝时间的比。任何大于1(1.0)的比表明改善了的铁磁流体。
表4-4(CSG26)


Note 1铁磁流体在室温下与元素接触。
Note 2铁磁流体被移动到器皿壁上且由于移动流体丢失。
混合物和合金的大组合也被选择来看是否产生了协合效应，对处理的铁磁流体，其较使用混合物中的一种或另一种处理提供更长的有效寿命。令人惊奇的看到，某些元素的组合提供了协合效应。这样的协合效应的原因尚不清楚，然而，胶凝测试数据的比较表明某些元素以某些比组合而用于处理铁磁流体确实产生的协合效应。表4-5示出了一些元素改性剂组合的协合效应。数字代表金属改性的铁磁流体的胶凝时间与在室温和相对湿度下老化的未改性铁磁流体的胶凝时间的比。
表4-5A(基于Co的对的协合效应，老化20天)

表4-5B(基于Cu的对的协合效应，老化20天)

表4-5c(基于Ni的对的协合效应，老化20天)

应注意的是，到此为止，在80℃和90％相对湿度下老化元素改性的铁磁流体看来是增加了铁磁流体的胶凝时间。老化周期取决于铁磁流体的类型和元素改性剂的选择。
例5在该例子中，使用所描述的老化和测试过程对28种其它金属和非金属改性剂进行了测试。表5-1包含金属和非金属改性剂的列表、它们的目录号、生产厂商(Nilaco Corporation或Soekawa ChemicalCo.，Ltd.)、平均粒子大小、及纯度百分比。所测试的铁磁流体与例4中使用在80℃/90％RH下老化测试的铁磁流体一样，但控制样本除外，其是在室温和室相对湿度下老化。
表5-1(元素改性剂)


28种元素改性剂被用于处理铁磁流体CSG24A的足够量的样本以在样本经受胶凝测试之前老化20、50和80天。样本被分为两组，一组在80℃/90％RH条件下老化，第二组在室温和室相对湿度下老化。表5-2A示出了在更高的温度和更高的相对湿度下老化的处理后的铁磁流体的测试数据及在室温和室湿度下老化的处理后的铁磁流体的测试数据。
表5-2A(CSG24A在150℃的胶凝时间，小时)


Note 1)样本在老化期间已胶凝。
在室温下老化20天的样本的胶凝时间被当作标准胶凝时间即1.0。胶凝时间延长10％以上的样本均被确定并示出在表5-2B中。
表5-2B示出10％改善的元素改性剂

同样的元素改性剂被用于处理铁磁流体CFF100A的足够量的样本以在样本经受胶凝测试之前老化20、50和80天。样本被分为两组，一组在80℃/90％RH条件下老化，第二组在室温和室相对湿度下老化。表5-3示出了在更高的温度和更高的相对湿度下老化的处理后的铁磁流体的测试数据及在室温和室湿度下老化的处理后的铁磁流体的测试数据。
表5-3A(CFF100A在150℃的胶凝时间(小时))


Note 1)样本在老化期间即已胶凝。
如上所提及的，在室温下老化20天的样本的胶凝时间被当作标准胶凝时间即1.0。胶凝时间延长10％以上的样本均被确定并示出在表5-3B中。
表5-3B示出10％改善的元素改性剂


同样的元素改性剂被用于处理铁磁流体CSG26的足够量的样本以在样本经受胶凝测试之前老化20、50和80天。样本被分为两组，一组在80℃/90％RH条件下老化，第二组在室温和室相对湿度下老化。表5-4A示出了在更高的温度和更高的相对湿度下老化的处理后的铁磁流体的测试数据及在室温和室湿度下老化的处理后的铁磁流体的测试数据。
表5-4A(CSG26在150℃的胶凝时间(小时))


Note 2)铁磁流体被移动到玻璃器皿的壁上且铁磁流体的量减少了一些。这可能是较短胶凝时间的原因。
如上所提及的，在室温下老化20天的样本的胶凝时间被当作标准胶凝时间即1.0。胶凝时间延长10％以上的样本均被确定并示出在表5-4B中。
表5-4B示出10％改善的元素改性剂


表6总结了相比在室温和室湿度下老化20天的铁磁流体的胶凝时间(作为控制或比较样本)，改善铁磁流体的胶凝时间的有效元素和条件。
表6-有效元素改性剂的总结


Note 1将铁磁流体曝露给80℃和90％RH但没有用任何元素处理也可改善铁磁流体的胶凝时间。对于CFF100A和CSG26，其分别有1.3倍和1.2倍的改善。因此，在圆括号中的元素对各个铁磁流体的寿命的影响是可疑的，加设这样的改善应大于没有处理的改善。
同样的元素改性剂被用于处理铁磁流体的足够量的样本，其使用铁素体而不是氧化铁作为磁性粒子。具有锰-锌(Mn-Zn)铁素体粒子的铁磁流体可从日本5244-1 Ohba，Fujisawa-shi，Kanagawa-ken，251-0861的Sigma Hi-Chemical，Inc.获得(目录号A-300)。足够的铁磁流体A-300的样本被用于在样本经受胶凝测试之前老化20、50和80天。样本被分为两组，一组在80℃/90％RH条件下老化，第二组在室温和室相对湿度下老化。表7A示出了在更高的温度和更高的相对湿度下老化的处理后的铁磁流体的测试数据及在室温和室湿度下老化的处理后的铁磁流体的测试数据。
表7A(A-300在150℃的胶凝时间(小时))


如上所提及的，在室温下老化20天的样本的胶凝时间被当作标准胶凝时间即1.0。胶凝时间延长10％以上的样本均被确定并示出在表7B中。
表7B示出10％改善的元素改性剂

尽管已在此描述本发明的优选实施例，但上面的描述仅是说明性的。本领域技术人员可对在此公开的本发明做进一步修改且所有这样的修改均被视为在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种磁性流体合成物，包括载液；涂覆以至少一表面活性剂的多个磁性粒子，所述多个磁性粒子分散在所述载液中；及至少一布置在所述载液内的元素改性剂。
2.根据权利要求1所述的合成物，其中所述元素改性剂为金属、金属混合物、金属合金及非金属之一。
3.根据权利要求2所述的合成物，其中所述元素改性剂为下述元素中的至少一种镍、铝、硅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌、银、铂、金、硼、镝、铒、钆、锗、钬、铟、铱、钯、铅、钼、钕、铌、锇、铑、钐、钽、锡、钨、钇、锆、镱、碳、铥、铽、镨。
4.根据权利要求3所述的合成物，其中所述元素改性剂为下述元素中的至少一种镍、铝、硅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌、银、铂、金、镝、铒、钆、钐、钇、镱、铥、钬、镨、铽。
5.根据权利要求4所述的合成物，其中所述金属为下述元素中的至少一种镍、铝、硅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌、银、铂、金。
6.根据权利要求2所述的合成物，其中所述元素改性剂是下述之一青铜，铜镍合金，镍铬合金，镍银合金，钯银合金，锆镍合金，钛镍合金，黄铜，铬、镍、锰、硅和铁的混合物，及铬、镍、锰、硅、钼和铁的混合物。
7.根据权利要求1所述的合成物，其中所述元素改性剂具有约99％的纯度。
8.根据权利要求1所述的合成物，其中所述元素改性剂具有多个元素改性剂粒子，所述元素改性剂粒子具有约1-170微米的大小。
9.根据权利要求2所述的合成物，其中所述金属混合物具有至少第一金属成分和第二金属成分，所述第一金属成分和所述第二金属成分中的每一成分组成所述金属混合物的约10％到约90％。
10.根据权利要求9所述的合成物，其中所述金属混合物具有至少第一金属成分和第二金属成分，所述第一金属成分和所述第二金属成分中的每一成分组成所述金属混合物的约50％。
11.一种磁性流体合成物，包括载液；涂覆以至少一表面活性剂的多个磁性粒子，所述多个磁性粒子分散在所述载液中；及至少一布置在所述载液内的元素改性剂，其中所述元素改性剂是金属、金属混合物、金属合金及非金属中的至少一种。
12.根据权利要求11所述的合成物，其中所述载液为极性或非极性液体。
13.根据权利要求12所述的合成物，其中所述载液选自下面的组具有低挥发性和低粘性的基于烃的油、基于酯的油、及基于硅树脂的油。
14.根据权利要求11所述的合成物，其中所述元素改性剂为下述元素中的至少一种镍、铝、硅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌、银、铂、金、硼、镝、铒、钆、锗、钬、铟、铱、钯、铅、钼、钕、铌、锇、铑、钐、钽、锡、钨、钇、锆、镱、碳、铥、铽、镨。
15.根据权利要求14所述的合成物，其中所述元素改性剂为下述元素中的至少一种镍、铝、硅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌、银、铂、金、镝、铒、钆、钐、钇、镱、铥、钬、镨、铽。
16.根据权利要求15所述的合成物，其中所述元素改性剂为下述元素中的至少一种镍、铝、硅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌、银、铂、金。
17.根据权利要求11所述的合成物，其中所述元素改性剂是下述之一青铜，铜镍合金，镍铬合金，镍银合金，钯银合金，锆镍合金，钛镍合金，黄铜，铬、镍、锰、硅和铁的混合物，及铬、镍、锰、硅、钼和铁的混合物。
18.通过过程获得的磁性流体，包括将元素改性剂添加到磁性流体中以形成混合物；及将所述混合物老化预定的时间。
19.根据权利要求18所述的磁性流体，其中所述老化步骤包括在提高的温度和提高的相对湿度条件下老化。
20.根据权利要求19所述的磁性流体，其中所述老化步骤包括在至少80℃的温度下老化。
21.根据权利要求19所述的磁性流体，其中所述老化步骤包括在约90％的相对湿度条件下老化。
22.根据权利要求18所述的磁性流体，其中所述老化步骤包括在约80℃的温度和约90％的相对湿度下老化。
23.根据权利要求18所述的磁性流体，其中所述老化步骤包括在约90℃的温度和约90％的相对湿度下老化。
24.根据权利要求18所述的磁性流体，其中所述老化步骤包括在室温和室相对湿度条件下老化。
25.根据权利要求18所述的磁性流体，其中所述老化步骤包括老化约2-80天。
26.根据权利要求18所述的磁性流体，其中所述过程还包括将多余的所述元素改性剂从所述磁性流体中除去。
27.制备改良的磁性流体的方法，所述方法包括获得一定量的磁性流体；将预定量的元素改性剂添加到所述数量的磁性流体中；将所述元素改性剂与所述数量的磁性流体混合以形成混合物；及将所述混合物老化预定的时间。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述添加步骤包括添加具有多个粒子的元素改性剂，粒子大小在约1-170微米之间。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述添加步骤包括选择所述元素改性剂，其中所述元素改性剂是金属、金属混合物、金属合金及非金属中的一种。
30.根据权利要求27所述的方法，其中所述添加步骤包括选择所述元素改性剂，其中所述元素改性剂包括下述元素中的至少一种镍、铝、硅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌、银、铂、金、硼、镝、铒、钆、锗、钬、铟、铱、钯、铅、钼、钕、铌、锇、铑、钐、钽、锡、钨、钇、锆、镱、碳、铥、铽、镨。
31.根据权利要求27所述的方法，其中所述添加步骤包括选择所述元素改性剂，其中所述元素改性剂包括下述元素中的至少一种镍、铝、硅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌、银、铂、金、镝、铒、钆、钐、钇、镱、铥、钬、镨、铽。
32.根据权利要求27所述的方法，其中所述添加步骤包括选择所述元素改性剂，其中所述元素改性剂包括下述元素中的至少一种镍、铝、硅、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌、银、铂、金。
33.根据权利要求27所述的方法，其中所述老化步骤包括在提高的温度和提高的相对湿度条件下老化。
34.根据权利要求27所述的方法，其中所述老化步骤包括在约80℃的温度下老化。
35.根据权利要求27所述的方法，其中所述老化步骤包括在约90％的相对湿度条件下老化。
36.根据权利要求27所述的方法，其中所述老化步骤包括在约80℃的温度和约90％的相对湿度下老化。
37.根据权利要求27所述的方法，其中所述老化步骤包括在室温和室相对湿度条件下老化。
38.根据权利要求27所述的方法，其中所述老化步骤包括老化约2-80天。
39.根据权利要求27所述的方法，还包括从所述混合物中除去多余的元素改性剂。
全文摘要
元素改性的铁磁流体包括基油、覆盖以至少一表面活性剂的多个磁性粒子、及元素改性剂。元素改性剂为金属、金属混合物、合金或非金属。
文档编号H01F1/44GK1774774SQ200480008081
公开日2006年5月17日 申请日期2004年2月18日 优先权日2003年3月28日
发明者津田思郎, 根本小二, 饭岛延治, 栗原延明 申请人:磁性流体技术株式会社