一种高性能磁流变液

1.本发明涉及一种“智能材料”，具体涉及一种抗沉降性好、剪切屈服应力强、零场粘度高的高性能磁流变液。


背景技术：

2.磁流变液是一种新型的智能材料，由基载液、磁性颗粒和添加剂组成。在没有外部磁场的情况下，磁流变液呈现出液体状态，当施加了外部磁场之后，磁流变液中的颗粒会在毫秒级内沿磁场方向排列成链，由牛顿流体转换为宾汉塑性流体，而撤去外部磁场之后，材料又会恢复到原来的液体状态。磁流变液这种智能可控、响应迅速和可逆变换的特点，使其可以应用在国防军工，商用民用等领域，包括阻尼减震，超精密抛光，机械传动，电磁吸波等方面。磁流变液中的磁性颗粒与基载液之间存在的巨大的密度差，使得磁流变液面临着严重的沉降和团聚问题，进而影响磁流变液的性能。众多学者采用添加表面活性剂的方式对磁性颗粒表面进行处理，然而这些表面活性剂使磁流变液稠化，零场粘度增加，甚至会板结失效。
3.因此，为了弥补目前磁流变液的不足，充分发挥磁流变材料的优势，推动磁流变技术的应用，有必要提供一种抗沉降性好、剪切屈服应力强、零场粘度高的高性能磁流变液。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高性能磁流变液，具有抗沉降性好、剪切屈服应力强、零场粘度高的特点。
5.本发明的高性能磁流变液，原料按质量百分比包括：磁性微米颗粒60～70％、复合堆积磁性纳米颗粒0.5～5％、基载液15～20％、分散剂1～7％、防沉剂0～7％、润滑剂0～5％、触变剂0.2～1％、表面活性剂0～5％,所述复合堆积磁性纳米颗粒由磁性纳米颗粒中的一种或几种粘结成颗粒团簇；
6.进一步，原料按质量百分比包括：磁性微米颗粒65％、复合堆积磁性纳米颗粒3％、基载液18％、分散剂4％、防沉剂4％、润滑剂3.5％、触变剂0.5％、表面活性剂2％；
7.进一步，所述复合堆积磁性纳米颗粒的制备方法包括以下步骤：
8.将纳米磁性颗粒与热固性高分子聚合物材料混合均匀后加热固化，并将固化成型的颗粒团簇破碎后与基载液混合球磨，在球磨后的悬浮液中提取磁性大颗粒，清洗所得磁性大颗粒制得复合堆积磁性纳米颗粒；
9.进一步，所述磁性纳米颗粒为含铁、钴、镍或其他磁性合金的纳米颗粒中的一种或两种以上混合物，所述热固性高分子聚合物为聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、呋喃树脂、聚丁二烯树脂、有机硅树脂中的一种或两种以上混合物；
10.进一步，所述基载液为硅油、矿物油、合成烃类油、石蜡油、硅氧烷共聚物、齿轮油、变压器油、液压油、高温导热油、植物油、基础油、水、二醇中的一种或两种以上混合物；
11.进一步，所述磁性微米颗粒为含铁、钴、镍或其他磁性合金的微米颗粒中的一种或
两种以上混合物；
12.进一步，所述复合堆积磁性纳米颗粒为纳米fe3o4颗粒，单个fe3o4颗粒粒径为10-50纳米，所述磁性微米颗粒为羰基铁粉，粒径为1-3微米；
13.进一步，所述热固性高分子聚合物材料与纳米磁性颗粒的质量百分比为20％：80％～10％：90％，球磨时间为24～72h；
14.进一步，所述表面活性剂为油酸、硬脂酸、偶联剂、十二烷基苯磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚乳化剂、聚醚多元醇、失水山梨醇脂肪酸酯乳化剂和聚氧乙烯山梨醇酐脂肪酸酯乳化剂中的一种或两种以上混合物；所述所述分散剂为石蜡类、脂肪酸类、脂肪族酰胺类、酯类、硬脂酸盐、磺酸盐、金属皂类中的一种或两种以上混合物；
15.进一步，所述润滑剂为固体润滑剂、液体润滑剂中的一种或两种以上混合物，所述的固体润滑剂为二硫化钼、石墨、氮化硼、二硒化铌中的一种或两种以上混合物，所述液体润滑剂为机械油、蓖麻油、牛脂、聚醚类有机溶剂、多元醇酯类有机溶剂中的一种或两种以上混合物；所述防沉剂为聚酯类有机溶剂、改性聚脲n-甲基吡咯烷酮溶液、蓖麻油衍生物中的一种或两种以上混合物；所述的触变剂为纳米二氧化硅、硅藻土、有机膨润土、无机膨润土、聚烯烃蜡(微粒)和聚脂肪酸酰胺蜡中的一种或两种以上混合物。
16.进一步，磁流变液制备温度为室温-70℃。
17.本发明的有益效果：本发明的高性能磁流变液，通过特制的复合堆积磁性纳米颗粒与磁性微米颗粒形成两相复合的导磁颗粒，可以提高磁流变液的抗沉降性，以及低磁场下的剪切屈服应力，并兼具低粘度和良好的流动性的优势，该磁流变液具有高剪切屈服应力和低零场粘度，以及良好的抗沉降性，添加外部磁场之后，呈“类固体”状态，撤去磁场之后，能恢复初始状态，具有可重复性。
具体实施方式
18.本实施例的本发明的高性能磁流变液，原料按质量百分比包括：磁性颗粒60～70％、复合堆积磁性纳米颗粒0.5～5％、基载液15～20％、分散剂1～7％、防沉剂0～7％、润滑剂0～5％、触变剂0.2～1％、表面活性剂0～5％,所述复合堆积磁性纳米颗粒由磁性纳米颗粒中的一种或几种粘结成颗粒团簇；采用特制的复合堆积磁性纳米颗粒作为添加颗粒与磁性微米颗粒形成两相复合的导磁颗粒，结合纳米颗粒的填充作用和布朗运动，提高了磁流变液的抗沉降性和低磁场下的剪切屈服应力，在不损失磁性颗粒磁性的情况下，降低了磁流变液的零场粘度，提高了流动性，且没有高分子的交联作用，提高了磁流变液的再分散性。可以提高磁流变液的抗沉降性，以及低磁场下的剪切屈服应力，并兼具低粘度和良好的流动性的优势。在无磁场情况下，呈现出一种良好流动性的液体状态；在外部磁场下，产生磁流变效应，沿磁力线方向形成簇状结构，呈现一种“类固体”状态，具有高剪切屈服应力。所述的磁流变液具有剪切变稀特性。
19.本实施例中，原料按质量百分比包括：磁性颗粒65％、复合堆积磁性纳米颗粒3％、基载液18％、分散剂4％、防沉剂4％、润滑剂3.5％、触变剂0.5％、表面活性剂2％；为优选实施例。
20.本实施例中，所述复合堆积磁性纳米颗粒的制备方法包括以下步骤：
21.将磁性纳米颗粒与热固性高分子聚合物材料混合均匀后加热固化，并将固化成型
的颗粒团簇破碎后与基载液混合球磨，在球磨后的悬浮液中提取磁性大颗粒，清洗所得磁性大颗粒制得复合堆积磁性纳米颗粒；将热固性高分子聚合物材料与磁性纳米颗粒混合均匀后，放置在真空干燥箱内加热固化，然后将固化成型的颗粒团簇破碎，再放入装有基载液的球磨罐中长时间球磨，球磨结束后，倒出悬浮液，利用磁铁反复将大颗粒(复合堆积磁性纳米颗粒)吸走，直至悬浮液不发生固液分离，最后用去离子水反复清洗大颗粒即可得到所需的复合堆积磁性纳米颗粒。
22.本实施例中，所述磁性纳米颗粒为铁、钴、镍或其他磁性合金中的一种或两种以上混合物，所述热固性高分子聚合物为聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、呋喃树脂、聚丁二烯树脂、有机硅树脂中的一种或两种以上混合物；所述基载液为硅油、矿物油、合成烃类油、石蜡油、硅氧烷共聚物、齿轮油、变压器油、液压油、高温导热油、植物油、基础油、水、二醇中的一种或两种以上混合物；所述磁性微米颗粒为含铁、钴、镍或其他磁性合金中的一种或两种以上混合物。
23.优选为，所述复合堆积磁性纳米颗粒为纳米fe3o4颗粒，粒径为10-50纳米，所述磁性微米颗粒为羰基铁粉，粒径为1-3微米。所述热固性高分子聚合物材料与纳米磁性颗粒的质量百分比为20％：80％～10％：90％，球磨时间为24～72h。
24.本实施例中，所述表面活性剂为油酸、硬脂酸、偶联剂、十二烷基苯磺酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚乳化剂、聚醚多元醇、失水山梨醇脂肪酸酯乳化剂和聚氧乙烯山梨醇酐脂肪酸酯乳化剂中的一种或两种以上混合物；所述所述分散剂为石蜡类、脂肪酸类、脂肪族酰胺类、酯类、硬脂酸盐、磺酸盐、金属皂类中的一种或两种以上混合物。该分散剂与基载液配合使用具有良好相容性、热稳定性。
25.本实施例中，所述润滑剂为固体润滑剂、液体润滑剂中的一种或两种以上混合物，所述的固体润滑剂为二硫化钼、石墨、氮化硼、二硒化铌中的一种或两种以上混合物，所述液体润滑剂为机械油、蓖麻油、牛脂、聚醚类有机溶剂、多元醇酯类有机溶剂中的一种或两种以上混合物；所述防沉剂为聚酯类有机溶剂、改性聚脲n-甲基吡咯烷酮溶液、蓖麻油衍生物中的一种或两种以上混合物；所述的触变剂为纳米二氧化硅、硅藻土、有机膨润土、无机膨润土、聚烯烃蜡(微粒)和聚脂肪酸酰胺蜡中的一种或两种以上混合物。防沉剂与基载液配合使用具有良好相容性，该润滑剂与基载液配合使用具有良好相容性、热稳定性。
26.实施例一
27.本实施例的高性能磁流变液，原料按质量百分比包括：磁性微米颗粒(羰基铁粉)70％、复合堆积磁性纳米颗粒(fe3o4)2％、基载液(硅油)20％、分散剂(石蜡)7％、触变剂(纳米二氧化硅)1％。
28.本实施例中，所述复合堆积磁性纳米颗粒悬浮液通过下述方法制备：将热固性高分子聚合物材料(环氧树脂)与磁性纳米颗粒(fe3o4)按质量百分比20％：80％(总量100％)混合均匀后，放置在真空干燥箱内加热固化，然后将固化成型的颗粒团簇破碎，再放入装有基载液的球磨罐中长时间球磨24h，球磨结束后，倒出悬浮液，利用磁铁反复将大颗粒(复合堆积磁性纳米颗粒)吸走，直至悬浮液不发生固液分离，最后将悬浮液倒入容器中即可得到含有复合堆积磁性颗粒的悬浮液。
29.本实施例中，所述磁性纳米颗粒粒径为10纳米，所述磁性微米颗粒粒径为1微米。
30.本实施例的高性能磁流变液的制备方法为：取所需质量百分比的复合堆积磁性颗
粒的悬浮液高速分散1h，然后加入所需质量石墨并混合，高速分散1h后，调整制备温度，70℃下加入石蜡，分散30min，再将羰基铁粉加入到的混合液中，高速分散2h后，超声波振荡1h，得到磁流变悬浮液，最后向制备的磁流变悬浮液中加入纳米二氧化硅，先高速分散30min，再低速分散30min，即可得到磁流变液。
31.实施例二
32.实施例的高性能磁流变液，原料按质量百分比包括：磁性微米颗粒(羰基铁粉)60％、复合堆积磁性纳米颗粒(fe3o4)5％、基载液(矿物油)20％、分散剂(脂肪酸)7％、防沉剂(聚酯类有机溶剂)7％、触变剂(硅藻土)1％。
33.本实施例中，所述复合堆积磁性纳米颗粒悬浮液通过下述方法制备：将热固性高分子聚合物材料(聚酯树脂)与磁性纳米颗粒(fe3o4)按质量百分比10％：90％混合均匀后，放置在真空干燥箱内加热固化，然后将固化成型的颗粒团簇破碎，再放入装有基载液的球磨罐中长时间球磨72h，球磨结束后，倒出悬浮液，利用磁铁反复将大颗粒(复合堆积磁性纳米颗粒)吸走，直至悬浮液不发生固液分离，最后将悬浮液倒入容器中即可得到含有复合堆积磁性颗粒的悬浮液。
34.本实施例中，所述磁性纳米颗粒粒径为50纳米，所述磁性微米颗粒粒径为3微米。
35.本实施例的高性能磁流变液的制备方法为：取所需质量百分比的复合堆积磁性颗粒的悬浮液高速分散1h，然后加入所需质量防沉剂并混合，高速分散1h后，调整制备温度，65℃下加入脂肪酸，分散30min，再将羰基铁粉加入到的混合液中，高速分散2h后，超声波振荡1h，得到磁流变悬浮液，最后向制备的磁流变悬浮液中加入硅藻土，先高速分散30min，再低速分散30min，即可得到磁流变液。
36.实施例三
37.实施例的高性能磁流变液，原料按质量百分比包括：磁性微米颗粒(钴粉)60％、复合堆积磁性纳米颗粒(含钴的纳米颗粒)0.5％、基载液(石蜡油)15％、分散剂(硬脂酸盐)7％、防沉剂(蓖麻油衍生物)7％、润滑剂(氮化硼)5％、触变剂(有机膨润土)0.5％、表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)5％。
38.本实施例中，所述复合堆积磁性纳米颗粒悬浮液通过下述方法制备：将热固性高分子聚合物材料(三聚氰胺甲醛树脂)与磁性纳米颗粒按质量百分比15％：85％混合均匀后，放置在真空干燥箱内加热固化，然后将固化成型的颗粒团簇破碎，再放入装有基载液的球磨罐中长时间球磨30h，球磨结束后，倒出悬浮液，利用磁铁反复将大颗粒(复合堆积磁性纳米颗粒)吸走，直至悬浮液不发生固液分离，最后将悬浮液倒入容器中即可得到含有复合堆积磁性颗粒的悬浮液。
39.本实施例中，所述磁性纳米颗粒粒径为20纳米，所述磁性微米颗粒粒径为2微米。
40.本实施例的高性能磁流变液的制备方法为：将羰基铁粉、十二烷基苯磺酸钠和无水乙醇混合，高速分散6h，然后用去离子水洗涤三次，真空干燥24h后，研磨粉碎得到改性羰基铁粉；取所需质量百分比的复合堆积磁性颗粒的悬浮液高速分散1h，然后加入所需质量防沉剂并混合，高速分散1h后，调整制备温度，室温下加入硬脂酸盐，分散30min，再将改性羰基铁粉加入到的混合液中，高速分散2h后，超声波振荡1h，得到磁流变悬浮液，最后向制备的磁流变悬浮液中加入有机膨润土，先高速分散30min，再低速分散30min，即可得到磁流变液。
41.实施例四
42.实施例的高性能磁流变液，原料按质量百分比包括：磁性微米颗粒(羰基铁粉)70％、复合堆积磁性纳米颗粒(fe3o4)5％、基载液(氢化聚癸烯)20％、分散剂(脂肪族酰胺)1％、防沉剂(改性聚脲n-甲基吡咯烷酮溶液)1％、润滑剂(二硫化钼)1％、触变剂(硅藻土)1％、表面活性剂(油酸)1％。
43.本实施例中，所述复合堆积磁性纳米颗粒悬浮液通过下述方法制备：将热固性高分子聚合物材料(呋喃树脂)与磁性纳米颗粒按质量百分比12％：88％混合均匀后，放置在真空干燥箱内加热固化，然后将固化成型的颗粒团簇破碎，再放入装有基载液的球磨罐中长时间球磨40h，球磨结束后，倒出悬浮液，利用磁铁反复将大颗粒(复合堆积磁性纳米颗粒)吸走，直至悬浮液不发生固液分离，最后将悬浮液倒入容器中即可得到含有复合堆积磁性颗粒的悬浮液。
44.本实施例中，所述磁性纳米颗粒粒径为15纳米，所述磁性微米颗粒粒径为1微米。
45.本实施例的高性能磁流变液的制备方法为：将羰基铁粉、油酸和无水乙醇混合，高速分散6h，然后用去离子水洗涤三次，真空干燥24h后，研磨粉碎得到改性羰基铁粉；取所需质量百分比的复合堆积磁性颗粒的悬浮液高速分散1h，然后加入所需质量防沉剂和分散剂，高速分散1h后，室温下加入二硫化钼，分散30min，再将改性羰基铁粉加入到的混合液中，高速分散2h后，超声波振荡1h，得到磁流变悬浮液，最后向制备的磁流变悬浮液中加入硅藻土，先高速分散30min，再低速分散30min，即可得到磁流变液。
46.实施例五
47.实施例的高性能磁流变液，原料按质量百分比包括：磁性微米颗粒(铁钴合金)72％、复合堆积磁性纳米颗粒(镍钴合金)4.2％、基载液(齿轮油)15％、分散剂(磺酸盐)5％、润滑剂(二硒化铌)3％、触变剂(聚脂肪酸酰胺蜡)0.6％、表面活性剂(烷基酚聚氧乙烯醚乳化剂)0.2％。
48.本实施例中，所述复合堆积磁性纳米颗粒悬浮液通过下述方法制备：将热固性高分子聚合物材料(聚丁二烯树脂)与磁性纳米颗粒按质量百分比18％：82％混合均匀后，放置在真空干燥箱内加热固化，然后将固化成型的颗粒团簇破碎，再放入装有基载液的球磨罐中长时间球磨60h，球磨结束后，倒出悬浮液，利用磁铁反复将大颗粒(复合堆积磁性纳米颗粒)吸走，直至悬浮液不发生固液分离，最后将悬浮液倒入容器中即可得到含有复合堆积磁性颗粒的悬浮液。
49.本实施例中，所述磁性纳米颗粒粒径为45纳米，所述磁性微米颗粒粒径为2微米。
50.本实施例的高性能磁流变液的制备方法为：将羰基铁粉、烷基酚聚氧乙烯醚乳化剂和无水乙醇混合，高速分散6h，然后用去离子水洗涤三次，真空干燥24h后，研磨粉碎得到改性羰基铁粉；取所需质量百分比的复合堆积磁性颗粒的悬浮液高速分散1h，然后加入所需质量分散剂，高速分散1h后，室温下加入二硒化铌，分散30min，再将改性羰基铁粉加入到的混合液中，高速分散2h后，超声波振荡1h，得到磁流变悬浮液，最后向制备的磁流变悬浮液中加入聚脂肪酸酰胺蜡，先高速分散30min，再低速分散30min，即可得到磁流变液。
51.实施例六
52.实施例的高性能磁流变液，原料按质量百分比包括：磁性微米颗粒(羰基铁粉)67.2％、复合堆积磁性纳米颗粒(fe3o4)5％、基载液(二甲基硅油)18％、分散剂(金属皂类)
4％、防沉剂(聚酯类有机溶剂)1.7％、润滑剂(石墨)3.5％、触变剂(纳米二氧化硅)0.5％、表面活性剂(聚氧乙烯山梨醇酐脂肪酸酯乳化剂)0.1％。
53.本实施例中，所述复合堆积磁性纳米颗粒悬浮液通过下述方法制备：将热固性高分子聚合物材料(环氧树脂)与磁性纳米颗粒(fe3o4)按质量比15％：85％混合均匀后，放置在真空干燥箱内加热固化，然后将固化成型的颗粒团簇破碎，再放入装有基载液的球磨罐中长时间球磨50h，球磨结束后，倒出悬浮液，利用磁铁反复将大颗粒(复合堆积磁性纳米颗粒)吸走，直至悬浮液不发生固液分离，最后将悬浮液倒入容器中即可得到含有复合堆积磁性颗粒的悬浮液。
54.本实施例中，所述磁性纳米颗粒粒径为30纳米，所述磁性微米颗粒粒径为2微米。
55.本实施例的高性能磁流变液的制备方法为将羰基铁粉、聚氧乙烯山梨醇酐脂肪酸酯乳化剂和无水乙醇混合，高速分散6h，然后用去离子水洗涤三次，真空干燥24h后，研磨粉碎得到改性羰基铁粉；取所需质量百分比的复合堆积磁性颗粒的悬浮液高速分散1h，然后加入所需质量防沉剂，高速分散1h后，室温下加入石墨，分散30min，再将改性羰基铁粉加入到的混合液中，高速分散2h后，超声波振荡1h，得到磁流变悬浮液，最后向制备的磁流变悬浮液中加入纳米二氧化硅，先高速分散30min，再低速分散30min，即可得到磁流变液。
56.对实施例一～实施例六制得的磁流变液进行实际沉降测试，测试方法为：
①
制备50ml样品，放入量筒中，密封，每天同一时间观察上层清液高度，与总体高度相除得到沉降率；
②
在流变仪上进行零场粘度和剪切屈服应力的测试；测试结果见下表。
[0057][0058]
由表可知，本发明制备的高性能磁流变液具有较低的零场粘度和高剪切屈服应力，以及高抗沉降性。
[0059]
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。