CN104560301A - 一种大功率传动用矿物油基磁流变液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率传动用矿物油基磁流变液，包括以下质量百分比的成分：磁性颗粒60%～80%；载液15%～40%；添加剂2%～5%；其中，所述的磁性颗粒为羰基铁粉颗粒和纳米四氧化三铁颗粒；所述的载液为矿物油；？所述的添加剂包括表面活性剂、触变剂、抗氧化剂和抗磨剂，同时本发明还包括该磁流变液的制备方法，制备后的磁流变液具有优异的沉降稳定性、较低的零场粘度和较高的剪切屈服应力，使用寿命长，可以满足大功率传动装置的应用要求。

Description

一种大功率传动用矿物油基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，具体是一种大功率传动用矿物油基磁流变液及其制备方法，属于磁流变液技术领域。

背景技术

磁流变液是一种流变特性能受外加磁场控制和约束的液固两相智能材料，主要由微米级的磁性颗粒和添加剂均匀的分散在载液中形成的悬浮液体。这种特殊的悬浮液体在没有外加磁场时，其表观粘度较低，表现为可以自由流动的具有牛顿流体特性的液体；当有外加磁场时，液体的流变特性会在几毫米内发生剧烈的变化，变为粘度极大的类固体，对外表现出一定的屈服应力；撤去磁场后又变为可以自由流动的液体，这种在外加磁场作用下发生的固液之间的转化是可逆的、迅速的，并且粘度的变化是连续的。因此这种独特的特性使磁流变液广泛地应用于航空航天、汽车工业、建筑行业、生物医疗、军事和国防等领域。

目前，对磁流变液的研究和应用已经取得了一些进展，但磁流变液还有一些难解决的问题：沉降稳定性差、零场粘度大、剪切屈服应力小，这严重影响了其在工程机械中的应用；因此，提高磁流变液的综合性能对磁流变液的实际应用至关重要。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种大功率传动用矿物油基磁流变液及其制备方法，制备后的磁流变液具有优异的沉降稳定性、较低的零场粘度和较高的剪切屈服应力，使用寿命长，可以满足大功率传动装置的应用要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大功率传动用矿物油基磁流变液，

包括以下质量百分比的成分：

磁性颗粒60%～80%；

载液15%～40%；

添加剂2%～5%；

其中，所述的磁性颗粒为羰基铁粉颗粒和纳米四氧化三铁颗粒；

所述的载液为矿物油；

 所述的添加剂包括表面活性剂、触变剂、抗氧化剂和抗磨剂。

所述的磁性颗粒为径粒为2-4μm的羰基铁粉颗粒和粒径为20-40nm的四氧化三铁颗粒。

所述的纳米四氧化三铁含量为4%～6%。

所述的载液为粘度为50cst～100cst的矿物油作为连续相。

所述的表面活性剂为油酸、HT-610多功能分散防沉剂和Tween-80中的任意一种或一种以上的混合物；其中、HT-610多功能分散防沉剂以带有多个锚定基团的特种界面材料为主，辅以各种不同的添加剂复合而成。

所述的触变剂为自硅藻土和有机膨润土中的任意一种或两者的混合物。

所述的抗氧化剂为含氮杂环化合物、亚硝酸盐和苯甲酸中的任意一种或一种以上的混合物。

所述的抗磨剂为二氧化硅和石墨中的任意一种或两者的混合物。

其中，还包括一种大功率传动用矿物油基磁流变液的制备方法，包括以下步骤：

（1将一定量酸化活化的羰基铁粉颗粒均匀地分散到装有化学镀液的三颈瓶中，并鼓泡通入氮气，保持反应过程通气，在水浴加热65℃的条件下均匀搅拌2h；分离混合物后洗涤，低压下真空干燥，获得改性羰基铁粉颗粒；

（2利用共沉淀法获得改性纳米四氧化三铁颗粒，具体的：将一定质量的FeC1₃·6H₂O和FeC1₂·4H₂O混合保证混合液中Fe²⁺与Fe³比例为1:1.5，将混合液置于四口烧瓶，在水浴加热50℃的条件下高速搅拌；

通入氮气保护下逐滴滴加NaOH溶液至反应体系PH值为10～11，调节温度至70℃，熟化1h；熟化后将溶液高速离心，然后洗涤, 洗去粒子表面未反应的杂质离子，移去上层清液，得到Fe₃O₄的胶体溶液；

将适量的硅烷偶联剂溶于一定比例的无水乙醇和水中，用稀盐酸调节溶液的PH值使其呈弱酸性，待硅烷偶联剂水解一段时间与Fe₃O₄胶体溶液相混合并剧烈搅拌，升温至70℃继续剧烈搅拌反应一段时间，反应结束后高速离心并反复洗涤，低压下真空干燥，研磨磨细过筛后获得表面改性的纳米Fe₃O₄颗粒；

（3将一定比例的添加剂溶于矿物油中，在水浴加热50℃的条件下均匀搅拌2h，获得复配载液；

（4将步骤1）和步骤2）获得的改性羰基铁粉颗粒和改性纳米四氧化三铁颗粒加入到第三步的复配载液中，水浴加热50℃的条件下均质分散机高速分散；

（5将上述混合物置于球磨机中，以转速250r·min^-1球磨8～10小时，获得磁流变液成品。

步骤1）中的化学镀液为含有钴元素的反应液。

与现有的制备方法和配方相比，本发明具有以下特点：

1、目前油基磁流变液的基载液主要以硅油为主。由于许多改善性能的添加剂不与硅油相容，因此制备的磁流变液具有较大的粘度，易于结块和沉淀，不能满足大功率传动用磁流变液的应用要求。而本发明的大功率传动用矿物油基磁流变液，选用粘度低并且具有良好流动性的矿物油基础油为载液，这种基载液在室温（25℃）时粘度为50cst～100cst，与多种添加剂具有良好相容性，用其制备的大功率传动用磁流变液具有较低的零场粘度（25℃工作在剪切速率为50～310s-1时，0.48Pa·s～0.93Pa·s）和良好低温性能，适合大功率传动用装置的循环使用；

2、本发明选用高导磁率和低矫顽力的羰基铁粉颗粒为主分散相，纳米四氧化三铁颗粒为辅分散相。其中纳米四氧化三铁的加入量为磁流变液质量的4%～6%，这种适当的加入量可以提高液体的沉降稳定性和剪切屈服应力，当无外加磁场时，纳米颗粒与基液可以共同组成磁流变液的载液，增大载液的密度，从而减小颗粒与载液的密度差引起的沉降，另外，纳米颗粒可以在载液中做无规则的布朗运动，不断碰撞羰基铁粉颗粒，起到阻止颗粒下沉的作用，因此适当的纳米颗粒提高了磁流变液的沉降稳定性；当有磁场作用时，羰基铁粉颗粒排列成链，适量的纳米四氧化三铁颗粒填充在羰基铁粉颗粒链的缝隙，从而形成可以承受更大剪应力的颗粒链，提高剪切屈服应力。

3、本发明的大功率传动用矿物油基磁流变液对选用的磁性颗粒进行了表面包覆改性，将纳米钴粒子包覆在羰基铁粉颗粒的表面，提高了剪切屈服应力；纳米四氧化三铁颗粒由硅烷表面活性剂包覆，提高了抗氧化性。

4、本发明选用油酸、HT-610和Tween-80中的任意一种或多种作为表面活性剂。表面活性剂是由亲水基和亲油基组成的一种有着特殊分子结构的低聚物，科学加入适量表面活性剂，使亲水基吸附在磁性颗粒的表面，而一端的亲油基扩散在低中极性的载液当中，这样增加颗粒的体积，减少它们相互吸引碰撞的机会，并且会在载液内部形成空间位阻，形成一个相互作用的三维网络结构，从而降低由于颗粒与载液的密度差而引起的颗粒沉降，提高了磁流变液的沉降稳定性。

5、本发明选用硅藻土和有机膨润土中的任意一种或多种作为触变剂，选用含氮杂环化合物、亚硝酸盐和苯甲酸中的任意一种或多种作为抗氧化剂，选用二氧化硅和石墨中的任意一种或多种作为抗磨剂，使磁流变液具有良好的抗氧化性和抗磨性，使用寿命长。

附图说明

图1是包覆后的磁性颗粒的SEM照片；

图2为制备的磁流变液零场粘度图；

图3为制备的磁流变液沉降稳定性图；

图4为制备的磁流变液的剪切屈服应力图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种大功率传动用矿物油基磁流变液，

包括以下质量百分比的成分：

磁性颗粒60%～80%；

载液15%～40%；

添加剂2%～5%；

其中，所述的磁性颗粒为羰基铁粉颗粒和纳米四氧化三铁颗粒；

所述的载液为矿物油；

所述的添加剂包括表面活性剂、触变剂、抗氧化剂和抗磨剂。

所述的磁性颗粒为径粒为2-4μm的羰基铁粉颗粒和粒径为20-40nm的四氧化三铁颗粒，它们具有高导磁率和低矫顽力，在比较宽的温度范围内能保持性能的稳定，可以保证磁流变液有较长的工作寿命和稳定性。

其中，所述的纳米四氧化三铁含量为4%～6%，适当的加入量可以提高液体的沉降稳定性和剪切屈服应力。

所述的载液为粘度为50cst～100cst的矿物油作为连续相，能够保证磁流变液有较小的零场粘度。

所述的表面活性剂为油酸、HT-610多功能分散防沉剂和Tween-80中的任意一种或一种以上的混合物；其中、HT-610多功能分散防沉剂以带有多个锚定基团的特种界面材料为主，辅以各种不同的添加剂复合而成；提高了磁流变液的沉降稳定性。

所述的触变剂为自硅藻土和有机膨润土中的任意一种或两者的混合物。所述的抗氧化剂为含氮杂环化合物、亚硝酸盐和苯甲酸中的任意一种或一种以上的混合物。所述的抗磨剂为二氧化硅和石墨中的任意一种或两者的混合物，上述成分的添加使磁流变液具有良好的抗氧化性和抗磨性，使用寿命长。

结合实施例进一步说明

实施例1

制备体积分数为20%的大功率传动用矿物油基磁流变液，即磁性颗粒的质量分数为67%，制备步骤为：

（1将200g羰基铁粉颗粒进行酸化活化处理后分散到装有化学镀液（含有钴元素的反应液）的三颈瓶中，通入氮气，保持反应过程中一直通气，水浴加热65℃的条件下均匀搅拌2h，搅拌结束后，分离混合物并洗涤，低压下真空干燥，得到镀钴羰基铁粉颗粒；

（2将一定质量的FeC1₃·6H₂O和FeC1₂·4H₂O混合保证混合液中Fe²⁺与Fe³⁺比例为1：1.5，取150ml置于四口烧瓶，在水浴加热50℃的条件下高速搅拌。通入氮气保护下逐滴滴加NaOH溶液至反应体系PH值为10～11，调节温度至70℃，熟化1h，熟化后将溶液高速离心，然后洗涤, 洗去粒子表面未反应的杂质离子，移去上层清液，得到Fe₃O₄的胶体溶液。适量的硅烷偶联剂溶于一定比例的无水乙醇和水中，用稀盐酸调节溶液的PH值使其呈弱酸性，待硅烷偶联剂水解一段时间与Fe₃O₄胶体溶液相混合并剧烈搅拌，升温至70℃继续剧烈搅拌反应一段时间，反应结束后高速离心并反复洗涤，低压下真空干燥，研磨磨细过筛后得到表面改性的纳米Fe₃O₄颗粒；

（3将一定比例的添加剂，具体为1.7g的HT-610、1g的硅藻土、1.5g的有机膨润土、1g的苯甲酸、1g的二氧化硅和1.5g的石墨，依次溶入到100g矿物油中，在水浴加热50℃的条件下均匀搅拌2h，获得复配载液；

（4将第一步的镀钴羰基铁粉与第二步中的改性纳米四氧化三铁颗粒（取15g）混合加入到第三步的复配载液中，水浴加热50℃的条件下均质分散机高速分散；

（5将上述混合物置于球磨机中，以转速250 r·min^-1球磨10小时，获得磁流变液成品。

实施例2

制备体积分数为25%的大功率传动用矿物油基磁流变液，即磁性颗粒的质量分数为75%，制备步骤为：

（1将305g羰基铁粉颗粒进行酸化活化处理后分散到装有化学镀液（含有钴元素的反应液）的三颈瓶中，通入氮气，保持反应过程中一直通气，水浴加热70℃的条件下均匀搅拌2h；搅拌结束后，分离混合物并洗涤，低压下真空干燥，得到镀钴羰基铁粉颗粒；

（2按照实施例1中的步骤获得改性的纳米Fe₃O₄颗粒；

（3将一定比例的添加剂，具体为2.6g的HT-610、1.4g的硅藻土、2.3g的有机膨润土、1.8g的苯甲酸、1.6g的二氧化硅和1.5g的石墨，依次溶入到100g矿物油中，在水浴加热50℃的条件下均匀搅拌2h，获得复配载液；

（4将第一步的镀钴羰基铁粉与第二步中的改性纳米四氧化三铁颗粒（取20g）混合加入到第三步的复配载液中，水浴加热50℃的条件下均质分散机高速分散；

（5将上述混合物置于球磨机中，以转速250 r·min^-1球磨10小时，获得磁流变液成品

实施例3

制备体积分数为30%的大功率传动用矿物油基磁流变液，即磁性颗粒的质量分数为80%，制备步骤为：

（1将400g羰基铁粉颗粒进行酸化活化处理后分散到装有化学镀液（含有钴元素的反应液）的三颈瓶中，通入氮气，保持反应过程中一直通气，水浴加热70℃的条件下均匀搅拌2h；搅拌结束后，分离混合物并洗涤，低压下真空干燥，得到镀钴羰基铁粉颗粒；

（2按照实施例1中的步骤获得改性的纳米Fe₃O₄颗粒；

（3将一定比例的添加剂，具体为3.5g的HT-610、2.2g的硅藻土、3g的有机膨润土、1.8g的苯甲酸、2g的二氧化硅和2g的石墨，依次溶入到100g矿物油中，在水浴加热50℃的条件下均匀搅拌2h，获得复配载液；

（4将第一步的镀钴羰基铁粉与第二步中的改性纳米四氧化三铁颗粒（取24g）混合加入到第三步的复配载液中，水浴加热50℃的条件下均质分散机高速分散；

（5将上述混合物置于球磨机中，以转速250 r·min^-1球磨10小时，获得磁流变液成品。

结合附图进一步说明，其中加入了对比样1：公开号为CN103525505A一种能增强磁流变效应的羰基铁粉及其制备的磁流变液，对比样2：公开号为CN101457172A一种稳定型磁流变液，对比样3：公开号为CN103897789A高分子复合磁性粉体的磁流变液及其制备方法，对比样4：公开号CN1959872A一种稳定的硅油基磁流变液及其制备方法。

如图1所示，图中较小的颗粒为改性纳米四氧化三铁颗粒；较大的近似圆形的颗粒为改性羰基铁粉颗粒，可以看到其表面有一层纤维状的包覆层，这是加入添加剂包覆的结果。加入添加剂后颗粒之间是通过这种纤维状的结构链接在一起，从而避免颗粒之间的直接接触，提高沉降稳定性，减小团聚结块，降低零场粘度。

图2所示为磁流变液零场粘度与剪切速率的关系曲线；本申请的磁流变液的零场粘度随剪切速率的增大呈现减小的趋势；本发明制备的磁流变液零场粘度小于对比样1和对比样2。

图3所示为磁流变液沉降速率相对于时间的关系曲线；本发明的制备的磁流变液沉降速率在静置了20天后最终为8%、8.3%和10%，稳定性优于对比样1和对比样3，而且优于对比样4（静置20天后的沉降速率为12%～18%），具有优异的稳定性。

图4所示为剪切屈服应力与磁感应强度的关系曲线；随着磁感应强度的增加，剪切屈服应力不断增大，本发明制备的磁流变液在磁感应强度为0.5T时，剪切屈服应力为27.5kPa，30kPa和34kPa，数值高于对比样2，而且磁感应强度为0.7T时，本发明制备的磁流变液剪切屈服应力为55kPa，57kPa和60.8kPa，具有高的剪切屈服应力。

Claims (10)

1.一种大功率传动用矿物油基磁流变液，其特征在于，

包括以下质量百分比的成分：

磁性颗粒60%～80%；

载液15%～40%；

添加剂2%～5%；

其中，所述的磁性颗粒为羰基铁粉颗粒和纳米四氧化三铁颗粒；

所述的载液为矿物油；

 所述的添加剂包括表面活性剂、触变剂、抗氧化剂和抗磨剂。

2.根据权利要求1所述的一种大功率传动用矿物油基磁流变液，其特征在于，所述的磁性颗粒为径粒为2-4μm的羰基铁粉颗粒和粒径为20-40的四氧化三铁颗粒。

3.根据权利要求1所述的一种大功率传动用矿物油基磁流变液，其特征在于，所述的纳米四氧化三铁含量为4%～6%。

4.根据权利要求1所述的一种大功率传动用矿物油基磁流变液，其特征在于，所述的载液为粘度为50cst～100cst的矿物油作为连续相。

5.根据权利要求1所述的一种大功率传动用矿物油基磁流变液，其特征在于，所述的表面活性剂为油酸、HT-610多功能分散防沉剂和Tween-80中的任意一种或一种以上的混合物；其中、HT-610多功能分散防沉剂以带有多个锚定基团的特种界面材料为主，辅以各种不同的添加剂复合而成。

6.根据权利要求1所述的一种大功率传动用矿物油基磁流变液，其特征在于，所述的触变剂为自硅藻土和有机膨润土中的任意一种或两者的混合物。

7.根据权利要求1所述的一种大功率传动用矿物油基磁流变液，其特征在于，所述的抗氧化剂为含氮杂环化合物、亚硝酸盐和苯甲酸中的任意一种或一种以上的混合物。

8.根据权利要求1所述的一种大功率传动用矿物油基磁流变液，其特征在于，所述的抗磨剂为二氧化硅和石墨中的任意一种或两者的混合物。

9.一种大功率传动用矿物油基磁流变液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1将一定量酸化活化的羰基铁粉颗粒均匀地分散到装有化学镀液的三颈瓶中，并鼓泡通入氮气，保持反应过程通气，在水浴加热65℃的条件下均匀搅拌2h；分离混合物后洗涤，低压下真空干燥，获得改性羰基铁粉颗粒；

（2利用共沉淀法获得改性纳米四氧化三铁颗粒，具体的：将一定质量的FeC1₃·6H₂O和FeC1₂·4H₂O混合保证混合液中Fe²⁺与Fe³比例为1:1.5，将混合液置于四口烧瓶，在水浴加热50℃的条件下高速搅拌；

通入氮气保护下逐滴滴加NaOH溶液至反应体系PH值为10～11，调节温度至70℃，熟化1h；熟化后将溶液高速离心，然后洗涤, 洗去粒子表面未反应的杂质离子，移去上层清液，得到Fe₃O₄的胶体溶液；

将适量的硅烷偶联剂溶于一定比例的无水乙醇和水中，用稀盐酸调节溶液的PH值使其呈弱酸性，待硅烷偶联剂水解一段时间与Fe₃O₄胶体溶液相混合并剧烈搅拌，升温至70℃继续剧烈搅拌反应一段时间，反应结束后高速离心并反复洗涤，低压下真空干燥，研磨磨细过筛后获得表面改性的纳米Fe₃O₄颗粒；

（3将一定比例的添加剂溶于矿物油中，在水浴加热50℃的条件下均匀搅拌2h，获得复配载液；

（4将步骤1）和步骤2）获得的改性羰基铁粉颗粒和改性纳米四氧化三铁颗粒加入到第三步的复配载液中，水浴加热50℃的条件下均质分散机高速分散；

（5将上述混合物置于球磨机中，以转速250r·min^-1球磨8～10小时，获得磁流变液成品。

10.一种大功率传动用矿物油基磁流变液的制备方法，其特征在于，步骤1）中的化学镀液为含有钴元素的反应液。