磁流变润滑脂组合物的制作方法

专利名称：磁流变润滑脂组合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁流变润滑脂组合物，其具有增加的抗沉降、耐磨损、耐腐蚀和抗氧化性能。更具体地说，本发明涉及使用高浓度增稠剂的磁流变润滑脂组合物。
磁流变组合物响应于磁场，因此显示出可控制的行为。但是，许多的磁流变材料由于粒子的非均一分布过分的重力引起粒子沉降，影响材料的磁流变活性。在磁流变材料中重力引起粒子沉降的一种原因是磁粒子的比重与载流体比重之间的差别很大，引起了磁流变材料中迅速的粒子沉降。
美国专利No.5645752公开了磁流变材料，其包括触变添加剂以提供抗粒子沉降稳定性。任选的胶态添加剂可与触变剂结合使用以促进触变网络的形成。
美国专利No.5382373涉及磁流变材料，其使用具有独立增加总磁流变材料屈服应力能力的粒子组分。可以任选使用分散粒子组分的表面活性剂。如果使用表面活性剂，优选疏水性的气相法白碳黑，“干燥的”沉淀硅胶、磷酸酯、氟代脂族聚酯或偶合剂，其量为相对于粒子组分重量的约0.1～20wt％。
美国专利No 4992190公开了响应磁场的磁流体组合物。流体组合物包括介质、悬浮于介质中的固体磁粒子和硅胶分散剂。可使用另外的表面活性剂以提供触变性能。
美国专利No 2661825描述了通过利用磁场或电场能够控制移动部件之间滑动的设备。可移动部件之间的空间填充有磁响应介质。通过该介质形成磁场或电场通量从而控制因而发生的滑动。描述的响应应用磁场的流体包括羰基铁粉及低分子量矿物油。
美国专利No 3385793涉及包括导电材料的电粘滞流体。流体包括作为介质的硅胶和硅油。流体也可包括公开的铁粒子作为导电剂。没有描述组合物作为响应磁场的组合物。
美国专利No 3006656涉及震动吸收器的磁性材料，其包括羰基铁粉末及添加剂例如油、煤油、苯、石墨、白垩、云母、皂石、聚硅氧烷及甘油。
美国专利No 2751352公开了用于离合器或类似设备的磁流体，其包括铁粉、有机润滑剂作为基础载体及疏油-亲铁的流体分散剂。
磁流变技术已广泛用于设备或系统中控制震动和/或噪音的。但是磁流变流体通常具有这样低的粘度使得O-形环或其它形状的流体密封机械需要将该磁流变流体密封于设备中。磁流变设备需要精确容许间隙的部件、昂贵的密封、昂贵的轴承及相对大量的磁流变可控制流体。与这样设备相关连的成本限制了其在特定场合中的使用。
而且，在混合磁流变流体期间使用低粘度的磁流变流体需要高效进行以避免由高比重的金属磁粒子引起的沉降问题。
因此在本领域中需要一种具有足够高稠度的磁流变润滑脂组合物以不需要借助密封机械就能保留在设备中。进一步，在本领域中需要一种具有抗磁粒子沉降性能的磁流变润滑脂组合物。在本领域中也需要一种耐磨损、耐氧化的磁流变组合物。本发明提供了这样的组合物。
在本发明的一个方面，本发明的磁流变润滑脂组合物包括磁响应粒子、载流体和至少一种增稠剂，其中润滑脂组合物的NLGI稠度值为约00～约4。
在本发明的另一个方面，本发明的磁流变润滑脂组合物包括磁响应粒子、载流体和至少一种增稠剂，其中增稠剂给组合物提供有效的稠度从而使组合物保持在磁流变设备中应有的位置。
因为在磁流变润滑脂组合物中增稠剂的浓度大幅增加，所以本发明的磁流变润滑脂组合物显示了优异的抗沉降和耐磨损性能。发明详述“力的输出”在本发明是指阻尼力、扭力、制动力或类似的依据设备的力。“屈服强度”是指需要超过屈服应力的力。“屈服应力”是指当磁流变组合物置于磁场中或在“接通”时，以诱导磁流变组合物开始流动必须被超过的应力。不存在磁场本发明是指处于“断开”。本发明使用的“接通时的力”是由于施加磁场设备因此受到的力。“断开时的力”是指当没有施加磁场时由设备产生的力。
本发明涉及磁流变润滑脂组合物，其包括磁响应粒子、载流体及至少一种增稠剂。提供有效量的增稠剂以产生凝胶状结构的润滑脂组合物。凝胶结构提供了足够的稠度以使润滑脂组合物在这样的磁流变设备中使用期间可保持在其中的应有的位置。本发明的术语“润滑脂”是指在载流体中增稠剂分散体的半流体到固体的产品。术语“增稠剂”是指分散在载流体中以形成产品结构的物质。“稠度”是指在应力下抵抗移动的程度，可根据ASTMD217的方法测定，所述的ASTMD提供了润滑润滑脂锥形穿透的标准实验方法。ASTMD217描述了根据处理穿透测定的稠度确定的国家润滑润滑脂协会的润滑脂分类，在该标准中描述了该试验。
本发明的润滑脂组合物具有足够的稠度可被利用而不需要密封机械以将磁流变组合物限制在磁流变设备中适当的空间中。这意味着以前在磁流变设备结构中所需要的特定的装置不再需要，例如轴承、体积胀缩件或精确机械裕度的部件。一般地说，润滑脂组合物的NLGI稠度值为约0～4。在本发明的一个方面，NLGI的稠度值为0～约2。本发明润滑脂组合物的粘度在25℃时通常大于约1000厘泊。
增稠剂可以在本发明的组合物中使用，包括大量不同的有机增稠剂和无机增稠剂。本发明的有机增稠剂包括各种金属皂、金属皂络合物及有机金属盐及非金属有机增稠剂例如聚脲类。其它的增稠剂包括有机粘土、缔合聚合物或聚丙烯酸酯缔合增稠剂，例如Rohm and Hass的Acrysol，Alco Chemicals的Alcogum，聚合(高分子)电解质、多醣、磷脂和聚羧酸酯。适合本发明的无机增稠剂包括无机固体例如金属氧化物、氧化硅、沉淀二氧化硅、气相法白碳黑、氧化铝、碳黑、滑石、石墨及纤维。
在本发明一个方面的增稠剂包括羧酸皂、络合物例如硬脂酸锂络合物或钙络合物、膨润土、锂蒙脱石有机粘土、疏水改性的碱金属可溶的丙烯酸共聚物、疏水改性的环氧乙烷基氨基甲酸乙酯嵌段失聚物、疏水改性的乙氧基氨基甲酸乙酯碱性可溶涨/溶解乳化液、金属氧化物、沉淀二氧化硅、气相法白碳黑、氧化铝、碳黑、滑石、石墨、纤维、聚脲、苯乙烯-二乙烯苯共聚物基质、甲基丙烯酸二乙烯苯、羟乙基纤维素、磷脂、聚羧酸酯及其混合物。特别优选的增稠剂是沉淀二氧化硅和气相法白碳黑。
本发明优选羧酸皂的实例包括硬脂酸钠、硬脂酸钙、硬脂酸锂、硬脂酸钾、硬脂酸锌、硬脂酸锶、硬脂酸铝、硬脂酸钡、硬脂酸镁及其混合物。
本发明适合的增稠剂可以从Rheox公司以商品名Baragel、Bentone、Nykon、Nalzin得到，可以从Union Carbide公司以商品名UCAR Polyphobe得到，及从Rohm and Hass公司以商品名Acrysol得到。
增稠剂通常以有效量使用以得到具有润滑脂状稠度的组合物。通常增稠剂的用量要足够以将组合物保持在磁流变设备中所希望的位置。增稠剂以有效量使用以得到具有希望NLGI稠度的组合物。所需增稠剂的浓度取决于所使用的具体试剂及需要的量，以得到得到希望的NLGI稠度值。增稠剂通常的使用量为磁流变润滑脂组合物总体积的约30％～约90％。在本发明的一个方面，增稠剂的使用量为磁流变润滑脂组合物总体积的约50％～约85％。
本发明使用的磁响应粒子可以是任何的熟知的显示磁流变活性的固体。本发明使用的典型的粒子组分由例如顺磁、超顺磁或铁磁化合物组成。可以使用的磁响应粒子的具体例子包括那些由材料例如铁、铁合金、氧化铁、氮化铁、碳化铁、羰基铁、二氧化铬、低碳钢、硅钢、镍、钴及其混合物组成的粒子。氧化铁包括所有熟知的纯氧化铁，例如Fe2O3和Fe3O4及含有少量其它元素例如锰、锌或钡的那些。氧化铁的具体实例包括铁酸盐和磁铁矿。另外，磁响应粒子组分可由任何熟知的铁合金例如含有铝、硅、钴、镍、钒、钼、铬、钨、锰和/或铜的合金组成。
可以作为本发明磁响应粒子的铁合金包括铁-钴和铁-镍合金。优选用于磁流变组合物中的铁钴合金的铁/钴比为约30/70～95/5，优选为约50/50～85/15，而铁镍合金中铁/镍比为约90/10～99/1，优选为约94/6～97/3。铁合金含有少量的其他元素例如钒、铬等，以改进合金的展延性和机械性能。这些其他元素通常的存在量为小于约3.0wt％。
本发明的磁响应粒子通常是金属粉的形式，其可用本领域普通技术人员熟知的方法制备。制备金属粉典型的方法包括水雾化法、金属氧化物还原法、研磨或磨擦、电解质沉积、金属羰基分解、迅速固化或熔炼法。粒子可以是球形或球形的变化例如不规则成型的粒子或椭圆体粒子。
在本发明的一个方面，磁响应粒子是具有高铁含量通常为大于或至少约95％铁的粒子。优选，使用的磁响应粒子含有小于约0.01％的碳。在特别优选的实施方式中，磁响应粒子含有约98％～约99％的铁，小于约1％的氧和氮。这样的粒子可以通过例如水雾化或气雾化熔融铁得到。具有这些特征的铁粒子可以商业获得。水雾化有助于减少本发明的磁流变润滑脂组合物的总成本。水雾化方法描述在PowderMetallurgy Science by Randall M.German，2ndEd.，Chap.3，“PowderFabrication，”pp.107～110(1984，1999)中，作为最通用的技术从在低于约1600℃熔融的金属生产元素和合金粉。该方法包括将高压水喷射到熔融物流上，强行解体并迅速固化。
本发明使用的磁响应粒子实例包括Hoeaganes FPI、100lHP和ATW230，及羰基粒子粒子例如ISP、R2430和1640。其它有用的粒子包括不锈钢粉例如430L和410L。
应选择磁响应粒子的粒子大小这样当置于磁场中时其显示多畴特征。如本发明教导使用增稠剂，可以在磁流变组合物中使用比通常使用的粒子更大的粒子。磁响应粒子的平均粒径分布通常为约0.1～约500微米，优选为约1～约100微米。在最优选的实施方式中，磁响应粉平均粒径分布通常为约3～约50微米。粒子组分含有大小不同的磁响应粒子，只要平均粒径分布在上所述范围即可。磁响应粒子的尺寸由扫描电子显微镜、激光散射技术进行测定，或使用各种提供特定筛目大小的筛子进行测量。
磁流变润滑脂组合物中存在的磁响应粒子量，由体积测量，为约5％～约50％，优选为约20％～约45％。
载体组分是可形成磁流变润滑脂组合物连续相的流体。本发明用于形成磁流变组合物的载流体可以是任何熟知的用于磁流变材料使用的介质或载流体。在一优选的实施方式中，载流体是有机流体或油基流体。可以使用的合适载流体包括天然脂肪油、矿物油、聚苯醚、二元酸酯、新戊基多羟基酯、磷酸酯、合成环烷烃、合成链烷烃、不饱和烃油、一元酸酯、乙二醇酯和醚、硅酸酯、硅油、聚硅氧烷共聚物、合成烃、全氟代聚醚和酯、卤代烃及其混合物或掺合物。烃例如矿物油、链烷烃、环烷烃(也称为萘油)和合成烃为优选的载流体类型。合成烃油包括那些由烯烃低聚反应例如聚丁烯得到的油，及通过酸催化二聚和使用三烷基铝作为催化剂低聚由8～20个碳原子的高α烯烃得到的油。这些聚烯烃油特别优选为载流体。本发明适合的载流体可以通过本领域众所周知的方法制备，及通过许多商业渠道获得例如Durasyn PAO和Chevron Synfluid PAO。
载流体组分可以是这些流体类型的任意混合物。优选的载流体组分是非挥发性非极性的，而且不含任何大量的水。本发明的载流体通常的使用量基于总的磁流变润滑脂组合物的体积为约5％～约65％，优选为约15％～45％。
任选的磁流变润滑脂组合物包括其它的组分尤其是例如抗氧化剂、润滑剂及粘度改进剂。这样的任选组分是本领域普通技术人员熟知的。抗氧化剂的实例包括尤其是金属和非金属二硫代磷酸盐、受阻酚、芳族胺和硫化酚等。润滑剂的实例包括有机脂肪酸和胺、猪脂、高分子量有机磷和磷酸酯，粘度改进剂的实例包括烯烃的聚合物和共聚物、甲基丙烯酸酯、二烯(烃)或烷基化的苯乙烯。在特定应用中使用这些组分的那一个将根据磁流变润滑脂组合物的应用来确定。如果有，这些任选组分的量通常为基于磁流变组合物总体积的约0.25～约10％。优选任选组分的存在量基于磁流变润滑脂组合物总体积为约0.5～约7.5％。
在本发明中也可以使用其它另外的添加剂以使磁流变润滑脂(组合物)具有希望的性能。这些添加剂包括腐蚀抑制剂、抗磨添加剂、磨擦改性剂、粘度指数改进剂、金属钝化剂、分散剂、耐特压添加剂、表面活性剂或其混合物等。抗磨添加剂的实例包括金属或非金属的二烷基二硫代氨基甲酸盐例如二丙基二硫代氨基甲酸锌或亚甲基双二丁基二硫代氨基甲酸盐。摩擦改性剂可以是二硫化钼或有机钼。粘度指数改进剂，用于减少磁流变组合物的粘度随温度的变化，尤其是低分子量聚合物。在特定的润滑脂组合物中使用的添加剂取决于润滑脂组合物拟使用的用途。
本发明的磁流变润滑脂组合物可以在许多设备包括制动器、活塞、离合器、缓冲器、运动设备、玩具、可控制的复合结构及结构组件中使用。本发明的组合物大多数应用于需要具有高屈服应力和无沉降的低成本磁流变组合物的场合。例如，本发明的磁流变润滑脂组合物可应用于需要长期稳定性的地震减震器中。
在一个方面，本发明的磁流变润滑脂组合物应用于海绵工艺设备中，例如海绵减震器。如本发明所使用，“海绵设备”是指通过称为海绵的二级支承基质将磁流变流体或润滑脂保持在应有的位置。选择磁流变组合物以使其在设备中使用时，提供最大的滴点而又提供剪切变稀的行为。当置于磁场中时，在海绵应用中使用的磁流变材料需要最小的沉降和最大的屈服应力。这样的设备描述于例如Carlson的“Low-Cost MR Fluid Devices”，Actuator 98.6th，International Conferenceon New Actuators，June 17～19，1989，Bremen，Germany，pp.417～421；J.D.Carlson，“Low-Cost MR Fluid Sponge Devices”，Proceedings of the 7thInternational Conference on ER Fluids and MR Suspensions，Honolulu，July 19～23，1999，R.Tao，editor，World Scientific，Singapore(2000)pp.621-628；及J.David，“New Cost Effective Braking，Damping andVibration Control Devices Made with Magnetorheological Fluid”，Materials Technology，13/3(1998)96-99。
在本发明的一个方面，在海绵磁流变设备中可以使用水雾化的铁。使用该类型的铁由于更大的粒径可提供更稠的磁流变润滑脂组合物，从而得到更低成本的配制物。例如从Hoeganaes Corporation以商品名Anchorsteel FPI提供的水雾化铁粒子，已发现可用于本发明。该粉末设计为粒径分布小于44微米的具有最大的粒子敛集率。该粉末的碳含量很低有助于设备磨损。已经优化了水雾化工艺以提供通常为规则形状的粒子以改进敛集。也可以使用磁响应的粒子。
在本发明的一个方面，提供磁流变海绵设备，其中水雾化的铁粒子与载流体及增稠剂结合使用，所述的增稠剂是基于合成烃的油和金属硬脂酸。用于该应用可以使用的一种增稠剂是由Exxon Corporation提供的Nebula EP润滑脂，其为基于合成烃油的硬脂酸钙络合物。
在该用途的熟知设备中通过任何许多常规的混合方法制备本发明的润滑脂组合物。例如将磁响应粒子以逐渐增加的方式加入到增稠剂中，在所有的磁响应粒子被加入到增稠剂期间或之后加入载流体。得到的混合物应该是基本上平滑和均匀的。
本发明磁流变润滑脂组合物的实例制备如下。提供实施例以说明本发明而不应该解释为对本发明范围的限制。
尽管参考具体的实施方式对本发明进行了详细描述，但对本领域的普通技术人员，显而易见在不背离本发明精神和范围的前提下本发明可有各种变化和修饰。
权利要求
1.一种磁流变润滑脂组合物，包括磁响应粒子；载流体；和至少一种增稠剂，其中增稠剂的总量相对于磁流变润滑脂组合物的总体积为约30％～约90％。
2.如权利要求1的组合物，其中增稠剂选自金属皂、金属皂络合物、有机金属盐、聚脲、有机粘土、聚合电解质、多醣、磷脂、聚羧酸酯、金属氧化物、沉淀二氧化硅、气相法白碳黑、氧化铝、碳黑、滑石、石墨、纤维及其组合物。
3.如权利要求2的组合物，其中增稠剂包括聚脲、有机粘土、金属皂、金属皂络合物或其组合物。
4.如权利要求2的组合物，其中增稠剂是羧酸皂，选自硬脂酸钠、硬脂酸钙、硬脂酸锂、硬脂酸钾、硬脂酸锌、硬脂酸锶、硬脂酸铝、硬脂酸钡、硬脂酸镁及其混合物。
5.如权利要求2的组合物，其中增稠剂是沉淀二氧化硅或气相法白碳黑。
6.如权利要求1的组合物，其中磁响应粒子的平均粒径分布为约0.1～约500微米。
7.如权利要求1的组合物，其中载流体包括选自如下的至少一种天然脂肪油、矿物油、聚苯醚、二元酸酯、新戊基多羟基酯、磷酸酯、合成环烷烃、合成链烷烃、不饱和烃油、一元酸酯、乙二醇酯、乙二醇醚、硅酸酯、聚硅氧烷油、聚硅氧烷共聚物、合成烃、全氟代聚醚和酯、卤代烃及其混合物或掺合物。
8.如权利要求7的组合物，其中载流体是矿物油、链烷烃油、环烷烃油、合成烃油或其混合物。
9.如权利要求8的组合物，其中载流体包括由聚合烯烃得到的合成烃油。
10.如权利要求1的组合物，其中还包括抗氧化剂、润滑剂、粘度改进剂或其组合物。
11.一种磁流变润滑脂组合物，包括磁响应粒子，其量为总磁流变组合物重量的约5％～约50％；载流体，其量为总磁流变润滑脂组合物体积的约5％～约65％；和至少一种增稠剂，其量为总磁流变润滑脂组合物体积的约30％～约90％。
12.如权利要求11的组合物，其中载流体是矿物油、链烷烃油、环烷烃油或合成烃油；及增稠剂是沉淀二氧化硅、气相法白碳黑、聚脲、有机粘土、金属皂或金属皂络合物。
13.一种磁流变润滑脂组合物，包括磁响应粒子；载流体；和至少一种增稠剂，其中润滑脂组合物的NLGI稠度值为约00～约4。
14.如权利要求13的组合物，其中增稠剂选自金属皂、金属皂络合物、有机金属盐、聚脲、有机粘土、聚合电解质、多醣、磷脂、聚羧酸酯、金属氧化物、沉淀二氧化硅、气相法白碳黑、氧化铝、碳黑、滑石、石墨、纤维及其组合物。
15.如权利要求13的组合物，其中通过水雾化得到磁响应粒子。
16.如权利要求13的组合物，其中磁响应粒子是羰基铁。
17.如权利要求16的组合物，其中载流体是合成烃油。
18.如权利要求13的组合物，其中还包括抗氧化剂、润滑剂、粘度改进剂或其组合物。
19.如权利要求14的组合物，其中增稠剂包括沉淀二氧化硅、气相法白碳黑、聚脲、有机粘土、金属皂或金属皂络合物。
20.一种磁流变润滑脂组合物，包括磁响应粒子、载流体和至少一种增稠剂，其中增稠剂提供组合物有效的稠度以使组合物保持在磁流变设备中应有的位置。
21.如权利要求20的组合物，其中组合物的NLGI稠度值为约00～约4。
22.如权利要求20的组合物，其中增稠剂选自金属皂、金属皂络合物、有机金属盐、聚脲、有机粘土、聚合电解质、多醣、磷脂、聚羧酸酯、金属氧化物、沉淀二氧化硅、气相法白碳黑、氧化铝、碳黑、滑石、石墨、纤维及其组合物。
23.如权利要求22的组合物，其中增稠剂包括沉淀二氧化硅、气相法白碳黑、聚脲、有机粘土、金属皂或金属皂络合物。
24.如权利要求20的组合物，其中载流体是矿物油、链烷烃油、环烷烃油或合成烃油；及增稠剂是沉淀二氧化硅、气相法白碳黑、聚脲、有机粘土、金属皂或金属皂络合物。
25.如权利要求24的组合物，其中磁响应粒子的平均粒径分布为约1～约100微米，而且通过水雾化得到。
26.如权利要求20的组合物，其中组合物的NLGI稠度值为约0～约2。
全文摘要
本发明提供了磁流变润滑脂组合物，包括磁响应粒子、载流体和增稠剂。本发明的组合物含有有效量的增稠剂从而提供适当稠度的组合物，该组合物显示了良好的性能，几乎没有磁响应粒子的沉降。
文档编号C10N10/16GK1459115SQ01815719
公开日2003年11月26日 申请日期2001年9月19日 优先权日2000年9月21日
发明者K·安德鲁·金茨, J·戴维·卡尔森, 贝思·C·穆尼奥斯, 朱丽亚·D·塞索姆斯 申请人:洛德公司