兼具磁流变性和稳定性的磁流变液及其制备方法和应用

本发明属于智能材料，具体涉及一种兼具磁流变性和稳定性的磁流变液及其制备方法；更具体地说，涉及一种以聚多巴胺作为桥连剂、聚异丁烯丁二酸酐作为表面活性剂接枝改性羰基铁粉制备的抗沉降磁流变液及其制备方法，可广泛应用于车辆减振、精密机械、医疗设备等领域，尤其适用于对磁流变液沉降稳定性和磁流变性能要求较高的场景。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、磁流变液是一种由磁性颗粒、基础液及添加剂组成的智能复合材料，在无磁场作用下呈现流动液态，施加磁场后可在毫秒级内转变为类固态，其流变性能可通过磁场强度连续调控，这种独特的磁响应特性使其在振动控制、精密抛光、密封减振、辅助医疗等领域具有广阔的应用前景。

3、目前，磁流变液中常用的磁性颗粒主要为羰基铁粉，其具有较高的饱和磁化强度和磁导率，能赋予磁流变液优异的磁流变效应，但羰基铁粉密度较大，与基础液的密度差显著，导致磁流变液在长期静置过程中易发生磁性颗粒沉降、团聚现象，严重影响磁流变液的使用寿命和使用性能，这一问题成为限制磁流变液规模化工程应用的关键瓶颈。

4、为解决磁流变液的沉降问题，现有技术主要采用两种方式：一是添加触变剂、纳米颗粒等添加剂，通过构建三维网络结构阻碍磁性颗粒沉降，但大量添加剂的加入会导致磁流变液零场粘度升高，降低其磁场响应速度；二是对磁性颗粒进行表面改性，通过在颗粒表面包覆有机物或无机物，改善颗粒与基础液的相容性，降低密度差，同时利用空间位阻效应阻止颗粒团聚。

5、其中表面改性是目前改善磁流变液沉降稳定性的最有效手段之一，常用的改性剂包括表面活性剂、聚合物、无机纳米材料等。其中现有常用的表面活性剂有十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸等，其虽能在一定程度上改善颗粒相容性，但对改性后磁流变液的沉降稳定性提升有限，且易导致磁流变性能下降，不能很好的解决现有磁流变液沉降稳定性差、磁流变性能与抗沉降性能难以兼顾的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的主要目的在于提供一种沉降率低、零场粘度低、剪切屈服应力高的磁流变液体，旨在解决现有磁流变液沉降稳定性差、磁流变性能与抗沉降性能难以兼顾的问题。

2、本发明还提供了所述磁流变液体的制备方法；

3、本发明还提供了所述磁流变液体在车辆减振系统、精密抛光设备、密封装置中的应用。

4、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

5、一种兼具磁流变性和稳定性的磁流变液，以重量百分比计包括如下组分：多巴胺桥连-聚异丁烯丁二酸酐接枝改性羰基铁粉70-85%，基础液12-22%，添加剂2-9%。

6、在某些具体实施方式中，所述多巴胺桥连-聚异丁烯丁二酸酐接枝改性羰基铁粉通过如下方法制备：

7、s1.表面活化：将羰基铁粉分散于乙醇中，超声处理10～30min，磁分离后干燥，得到表面活化的羰基铁粉；

8、s2.多巴胺桥连包覆：将s1中表面活化的羰基铁粉加入tris-hcl缓冲溶液中，搅拌均匀后，滴加多巴胺溶液，调节体系ph至8.0～9.0，在25～35℃下搅拌反应12～24h，磁分离、洗涤、干燥，得到聚多巴胺包覆的羰基铁粉；

9、该步骤中，多巴胺的自聚反应与羰基铁粉表面的羟基形成氢键和共价键，构建致密的聚多巴胺桥连层，为后续聚异丁烯丁二酸酐的接枝提供活性位点；

10、s3.聚异丁烯丁二酸酐接枝：将聚多巴胺包覆的羰基铁粉加入有机溶剂中，加入聚异丁烯丁二酸酐，在60～80℃下搅拌反应4～8h，冷却后磁分离、洗涤、干燥，得到聚多巴胺桥连-聚异丁烯丁二酸酐接枝改性羰基铁粉；

11、该步骤中，聚异丁烯丁二酸酐的丁二酸酐基团与聚多巴胺桥连层的氨基发生酰胺化反应，实现接枝，长链聚异丁烯基团向外伸展形成空间位阻层。

12、在某些具体实施方式中，本发明中的聚异丁烯丁二酸酐需要与基础液具有优异的相容性，同时通过其长链聚异丁烯基团提供空间位阻效应，阻止改性羰基铁粉团聚，借助丁二酸酐基团与聚多巴胺桥连层的氨基、羟基形成化学键，实现牢固锚固，提升接枝稳定性；为此，本发明所述聚异丁烯丁二酸酐的数均分子量为1000～5000，亲水亲油平衡值为3-8；所述羰基铁粉为球状，平均粒径为1～10μm，该粒径范围既能保证磁流变液体的磁响应速度，又能减少颗粒的沉降速率。

13、在某些具体实施方式中，步骤s2中所述多巴胺与羰基铁粉的重量比为1：(50～200)，所述聚异丁烯丁二酸酐与聚多巴胺包覆后羰基铁粉重量比为1：(10～50)。

14、在某些具体实施方式中，步骤s1中，超声频率为40～60khz，干燥条件为70～90℃、真空干燥8～12h；步骤s2和步骤s3中，洗涤采用无水乙醇和去离子水交替洗涤至中性，干燥条件为70～90℃、真空干燥8～12h。

15、在某些具体实施方式中，步骤s2中，tris-hcl缓冲溶液的浓度为0.05～0.15mol/l，多巴胺溶液的浓度为1～5g/l，羰基铁粉与tris-hcl缓冲溶液的重量比为1：(0.5～3)；步骤s3中，所述有机溶剂选自甲苯、二甲苯、环己烷中的一种或多种，所述聚多巴胺包覆的羰基铁粉与有机溶剂的重量比为1：(2～5)。

16、在某些具体实施方式中，步骤s4中，先将基础液与添加剂混合，在800～1000rpm转速下搅拌30～180min，得到混合载液，再加入改性羰基铁粉进行球磨；

17、球磨时，混合物料与球磨介质的重量比为1:(1～5)，球磨采用正反转交替进行，每正转30min、反转30min为一个循环，循环4～6次。

18、在某些具体实施方式中，所述基础液选自矿物油、合成烃油、合成酯类油、硅油、植物油、醇类有机物中的一种或多种。

19、在某些具体实施方式中，所述添加剂包括触变剂、抗磨剂和抗氧剂，以磁流变液总重量为基准，触变剂含量为1～4%，抗磨剂含量为0.5～2%，抗氧剂含量为0.5～2%。

20、在某些具体实施方式中，所述触变剂选自聚乙烯醇、金属皂、硅藻土、纳米硅酸镁锂、氢化蓖麻油中的一种或多种；所述抗磨剂选自石墨、氟化石墨、氮化硼、有机钼化合物中的一种或多种；所述抗氧剂选自二烷基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代氨基甲酸锌、亚磷酸酯、含氮的杂环化合物、亚硝酸盐、酚类抗氧剂中的一种或多种。

21、在某些具体实施方式中，还包括加入0.1～0.5%的催化剂，所述催化剂为对甲苯磺酸、浓硫酸中的一种；催化剂的加入能够加快聚异丁烯丁二酸酐与聚多巴胺桥连层的接枝反应速率。

22、作为同一发明构思，本发明还提供了一种所述兼具磁流变性和稳定性的磁流变液的制备方法，将多巴胺桥连-聚异丁烯丁二酸酐接枝改性羰基铁粉、基础液和添加剂混合，在300～500rpm转速下球磨4～12h，得到所述磁流变液。

23、作为同一发明构思，本发明还提供了所述兼具磁流变性和稳定性的磁流变液在车辆减振系统、精密抛光设备、密封装置中的应用。

24、与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

25、1）本发明所提供的磁流变液中，通过聚多巴胺的强粘附性实现与磁性颗粒基底的牢固结合，同时利用聚多巴胺分子表面丰富的氨基、羟基作为活性位点，实现聚异丁烯丁二酸酐的稳定接枝，形成“磁性颗粒基底-聚多巴胺桥连层-聚异丁烯丁二酸酐接枝层”的核壳结构改性颗粒，二者协同改性羰基铁粉，既保证改性颗粒的磁性能，又提升其抗沉降性；

26、2）本发明所提供的磁流变液，其中改性得到的多巴胺桥连-聚异丁烯丁二酸酐接枝改性羰基铁粉，具有优异的疏水性能，能够很好的与基础液相容，同时能够有效降低羰基铁粉与基础液的密度差，能够显著改善磁流变液的沉降稳定性，同时兼顾低零场粘度和高剪切屈服应力；实验表明，所述磁流变液的30天沉降率低至10%，零场粘度≤500mpa·s，0.8t磁场强度下的剪切屈服应力≥70kpa；即本发明的磁流变液，通过聚多巴胺桥连层与聚异丁烯丁二酸酐接枝层的协同作用，在磁性颗粒表面构筑牢固的“锚固-空间位阻”双层结构；该结构显著降低颗粒与载液的密度差及界面张力，提供强大空间位阻，使磁流变液在维持低零场粘度的同时，兼具优异的抗沉降性与高剪切屈服应力，特别适用于对长期稳定性要求高的车辆减振系统。