一种复合锂基磁流变脂及其制备方法与流程

1.本发明属于智能复合材料的技术领域，具体涉及到一种稳定性好、性能优异的复合锂基磁流变脂材料及其制备方法。


背景技术：

2.智能材料是一种能够感知外部激励(如电、磁、机械变形等)并对其对出迅速响应的材料，材料的自身输出特性会产生改变。其中，磁流变液作为典型的智能可控可逆材料，施加外部磁场激励时，磁流变液会在几毫秒内从液态切换成半固态，材料的阻尼特性会产生可逆的变化，基于磁流变液良好的可控流变特性，磁流变液被广泛应用于土木建筑隔振、冲击吸能、精密隔振等工程领域。
3.然而，磁流变液由于载液和磁性颗粒间的巨大密度差，沉降稳定性、可靠性已经严重制约了磁流变材料的进一步发展与应用，很难满足实际工程需求，基于此，研究人员逐渐开展了抗沉降性能优异的磁流变材料的研制工作。
4.磁流变弹性体能够较好地解决磁性颗粒的沉降稳定性难题，磁流变弹性体的载体是固化的弹性基体，磁性颗粒在制备完成后被固定在弹性基体中无法自由移动，因此完全克服了沉降性难题，具备一定的磁敏特性，但磁性颗粒无法自由移动导致弹性体的磁流变效应产生较大的衰减，实时控制灵活性降低，难以满足部分实际需求。
5.磁流变脂兼顾了磁流变材料的稳定性与经济性，是一种介于磁流变液和磁流变弹性体之间的磁流变高分子凝胶系统，载液基体通过特定的内部网状骨架架构增大颗粒运动阻力，在零场条件下也能表现出粘弹特性，通过束缚磁性颗粒的运动来有效抑制材料沉降；同时，磁流变脂具有一定的流动性，磁性颗粒的运动能够确保较大的磁流变效应。
6.目前，针对磁流变脂的研究相对有限，主要是针对单皂锂基润滑脂作为基体的磁流变脂展开地研究，一般制备方法是将商用润滑脂与磁性颗粒直接混合，在实验室自制磁流变脂的性能研究中分析了稠化剂含量、冷却条件、磁性颗粒体积分数等的影响；同时，当前的磁流变脂材料最大剪切应力仅能达到49.7kpa，剪切应力较低，极大地限制了磁流变脂的工程应用。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高性能复合锂基磁流变脂材料，实现了磁流变脂在剪切应力、磁流变效应、沉降稳定性等综合性能之间的优化平衡。
8.为了实现本发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
9.本发明在第一方面提供了一种复合锂基磁流变脂的制备方法，包括以下步骤：
10.(1)将一部分硅油与硬脂酸混合后，再向其中加入氢氧化锂和硼酸进行搅拌分散，升温进行皂化处理后，得到初步皂化的网状基体；
11.(2)向所述网状基体中加入抗氧化剂和另一部分硅油，混合均匀后脱水，得到脂状复合锂基皂化基体；
12.(3)将羟基铁粉加入至所述脂状复合锂基皂化基体进行稠化处理，冷却后进行研磨分散，继续冷却至室温制得复合锂基磁流变脂。
13.在本发明具体的实施方式的步骤(1)中，所述硅油与硬脂酸在25～30℃下进行充分混合后，混合温度保持在25～30℃下均匀搅拌分散30min后，再将氢氧化锂和硼酸均匀地分散在其中，通过恒温控制系统将温度升至90～95℃，同时搅拌分散10～15min；混合分散均匀后将温度升至120～130℃，并保持60～80min进行皂化，形成复合锂基磁流变脂制备流程中的载体-初步皂化的网状基体。
14.在本发明具体的实施方式中，步骤(2)加入抗氧化剂和剩下的另一部分硅油后升温至150～180℃，并恒温2～3h后再将复合锂基体进行脱水处理得到脂状复合锂基皂化基体。
15.在一些优选地实施方式中，步骤(1)与步骤(2)中加入的硅油体积比为1:1～1:1.5，比如，1:1。
16.在步骤(3)中，将一定质量的清洗干净后的磁性颗粒-羟基铁粉加入到脂状复合锂基皂化基体中，在一些具体的实施方式中，可以先手动搅拌5～10min以使羟基铁粉与基体初步进行混合，然后再通过三辊机中机械搅拌分散120～150min后再进行稠化处理。在一些具体的实施方式中，本发明采用的稠化处理分为低温稠化处理和高温稠化处理；该稠化处理具体为：将混入羟基铁粉的基体通过恒温系统升温到160～180℃，并保持该温度1～1.5h(即低温稠化处理)，然后，将低温稠化后的复合锂基磁流变脂通过恒温控制系统快速升温到200～210℃下，并保持该温度30～35min(即高温稠化处理)。
17.在本发明的制备方法的步骤(3)中，本发明研究人员发现，采用恒温25℃的水浴的冷却方式将高温稠化后的复合锂基磁流变脂冷却，相比于空气冷却或自然冷却的处理方法，能够有效地提高复合锂基磁流变脂的磁流变效应。
18.在本发明一些优选地实施方式中，当水浴冷却至120～130℃时将稠化处理后的复合锂基磁流变脂进行研磨1～2h，并机械均匀分散，然后水冷至室温则制得复合锂基磁流变脂。
19.本发明在第二方面提供了一种复合锂基磁流变脂，所述复合锂基磁流变脂是由如下重量份的原料组分制备得到：
20.硬脂酸0.9～4.5重量份，优选为1.5～4.05重量份，更优选为3.6重量份；
21.氢氧化锂3.6～7.2重量份，优选为5.2～7.0重量份，更优选为6.3重量份；
22.硼酸0.45～4.5重量份，优选为0.45～1.35重量份，更优选为0.9重量份；
23.硅油15～30重量份，优选为20～30重量份，更优选为30重量份；
24.羟基铁粉20～90重量份；优选为40～90重量份，更优选为90重量份；
25.抗氧剂0.05～0.1重量份，优选为0.08～0.1重量份，更优选为0.1重量份。
26.本发明提供的复合锂基磁流变脂以硬脂酸、氢氧化锂和硼酸为主要原料，复合制备得到了具有硬脂酸锂与硼酸锂的复合锂基混合物共同形成复合基体，内部具有稠密的纤维网状结构，粘度较大基体配合内部的纤维网状结构能够有效抑制磁性颗粒的沉降，解决了磁流变材料存在的沉降稳定性难题。
27.在一些具体的实施方式中，本发明使用表观粘度≥60pa
·
s的硅油，优选为60～80pa
·
s，能够降低载液与磁性颗粒间的密度差，比如，可以采用阿拉丁市售型号为pmx-200
的二甲基硅油。
28.本发明采用的羟基铁粉一般选用球形的颗粒，直径分布处于3～5μm的正态分布。
29.本发明制备的复合锂基磁流变脂中采用的抗氧剂选自二苯胺、二烷基二硫代磷酸锌或二甲基羟基甲苯(t501)中的一种或多种。
30.采用上述的技术方案，具有如下的技术效果：
31.本发明提供的复合锂基磁流变脂相较于磁流变液，基体初始粘度较大，流动性差，具有多工况、多领域的环境适应性，同时具备良好的密封效果，能够在实际工程中有广泛地应用。
32.本发明提供的复合锂基磁流变脂相较于单皂锂基磁流变脂来说，采用两种锂基基体复合形成基体，内部网状纤维结构更加致密，使得输出剪切应力和流变效应得到优化；同时，粘度较大的基体配合内部的纤维网状结构能够有效抑制磁性颗粒的沉降，解决了磁流变材料沉降稳定性的难题。
33.本发明提供的复合锂基磁流变脂沉降稳定性优异，且密封性良好，能够适用于土木结构隔振、桥梁建筑隔振等要求长时间工作、小输入位移等场景，保证在器件寿命范围内磁流变脂能够正常工作其输出足够的阻尼力，防止磁性颗粒沉降后导致阻尼通道的阻塞。
附图说明
34.图1：本发明实施1所制得的复合锂基磁流变脂在磁场作用下的输出力学特性；
35.图2：本发明实施2所制得的复合锂基磁流变脂在磁场作用下的输出力学特性；
36.图3：本发明实施3所制得的复合锂基磁流变脂在磁场作用下的输出力学特性；
37.图4：本发明对比1所制得的复合锂基磁流变脂在磁场作用下的输出力学特性；
38.图5：本发明对比2所制得的复合锂基磁流变脂在磁场作用下的输出力学特性。
具体实施方式
39.为了便于理解本发明，下面将结合实施例对本发明作进一步的说明。应当理解，下述实施例仅是为了更好的理解本发明，并不意味着本发明仅局限于以下实施例。
40.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
41.下述各例中采用以下方法检测复合锂基磁流变脂的性能：
42.流变学性能测试：采用平行板相对转动剪切(流变仪)进行检测；
43.以下各示例中原料来源信息：
44.(1)二甲基硅油：阿拉丁市售的型号为pmx-200，表观粘度为60pa
·
s；
45.(2)粉末状硬脂酸：深圳艾塞克润滑材料公司；
46.(3)二苯胺：阿拉丁市售的型号为d112594；
47.(4)羟基铁粉：江苏天一超细金属粉末公司市售型号为mrf-r55，粒径约为5μm。
48.实施例1
49.(1)按照体积将30重量份二甲基硅油均分为两等份，将其中一份二甲基硅油与3.6重量份的粉末状硬脂酸混合后，在25℃下通过电动搅拌器均匀搅拌分散30min；然后，在分散后的溶液中依次加入0.9重量份的硼酸、6.3重量份的氢氧化锂，将混合后的溶液加入放
置到恒温水浴系统中，设定温度为90℃，快速搅拌、均匀分散10min，分散均匀后将混合溶液放置于恒温控制系统中，并设置120℃保持1h，得到初步皂化的网状基体；
50.(2)向上述网状基体中加入0.1重量份的二苯胺和另外一份的二甲基硅油，放置于恒温控制系统中，并设置150℃保持1h，然后进行脱水处理后得到脂状复合锂基皂化基体；
51.(3)将清洗干净后的55重量份的羟基铁粉颗粒加入到上述基体中，先手动搅拌10min以使羟基铁粉与基体初步进行混合，然后再通过三辊机中机械搅拌分散5次120min；
52.将分散后的磁流变脂放置于恒温控制系统中，并设置170℃保持1h，进行磁流变脂的低温稠化，然后将低温稠化后的复合锂基磁流变脂在恒温控制系统中，环境温度设置为200℃，并保持该温度30min，进行复合锂基磁流变脂的高温稠化过程；
53.将高温稠化得到的复合锂基磁流变脂置于25℃的恒温水浴系统中进行水浴冷却，当冷却至120℃时，取出研磨1h后机械搅拌分散均匀，然后继续放入水浴系统冷却至室温，制得复合锂基磁流变脂。
54.实施例2
55.(1)按照体积将30重量份二甲基硅油均分为两等份，将其中一份二甲基硅油与3.15重量份的粉末状硬脂酸混合后，在25℃下通过电动搅拌器均匀搅拌分散30min；然后，在分散后的溶液中依次加入1.35重量份的硼酸、7.2重量份的氢氧化锂，将混合后的溶液加入放置到恒温水浴系统中，设定温度为90℃，快速搅拌、均匀分散10min，分散均匀后将混合溶液放置于恒温控制系统中，并设置120℃保持1h，得到初步皂化的网状基体；
56.(2)向上述网状基体中加入0.1重量份的二苯胺和另外一份的二甲基硅油，放置于恒温控制系统中，并设置150℃保持1h，然后进行脱水处理后得到脂状复合锂基皂化基体；
57.(3)将清洗干净后的82重量份的羟基铁粉颗粒加入到上述基体中，先手动搅拌10min以使羟基铁粉与基体初步进行混合，然后再通过三辊机中机械搅拌分散5次130min。
58.将分散后的磁流变脂放置于恒温控制系统中，并设置170℃保持1h，进行磁流变脂的低温稠化，然后将低温稠化后的复合锂基磁流变脂在恒温控制系统中，环境温度设置为200℃，并保持该温度30min，进行复合锂基磁流变脂的高温稠化过程；
59.将高温稠化得到的复合锂基磁流变脂置于25℃的恒温水浴系统中进行水浴冷却，当冷却至120℃时，取出研磨1h后机械搅拌分散均匀，然后继续放入水浴系统冷却至室温，制得复合锂基磁流变脂。
60.实施例3
61.(1)按照体积将30重量份二甲基硅油均分为两等份，将其中一份二甲基硅油与4.05重量份的粉末状硬脂酸混合后，在25℃下通过电动搅拌器均匀搅拌分散30min；然后，在分散后的溶液中依次加入0.45重量份的硼酸、5.4重量份的氢氧化锂，将混合后的溶液加入放置到恒温水浴系统中，设定温度为90℃，快速搅拌、均匀分散10min，分散均匀后将混合溶液放置于恒温控制系统中，并设置120℃保持1h，得到初步皂化的网状基体；
62.(2)向上述网状基体中加入0.1重量份的二苯胺和另外一份的二甲基硅油，放置于恒温控制系统中，并设置150℃保持1h，然后进行脱水处理后得到脂状复合锂基皂化基体；
63.(3)将清洗干净后的82重量份的羟基铁粉颗粒加入到上述基体中，先手动搅拌10min以使羟基铁粉与基体初步进行混合，然后再通过三辊机中机械搅拌分散5次150min；
64.将分散后的磁流变脂放置于恒温控制系统中，并设置170℃保持1h，进行磁流变脂
的低温稠化，然后将低温稠化后的复合锂基磁流变脂在恒温控制系统中，环境温度设置为200℃，并保持该温度30min，进行复合锂基磁流变脂的高温稠化过程；
65.将高温稠化得到的复合锂基磁流变脂置于25℃的恒温水浴系统中进行水浴冷却，当冷却至120℃时，取出研磨1h后机械搅拌分散均匀，然后继续放入水浴系统冷却至室温，制得复合锂基磁流变脂。
66.对比例1
67.(1)按照体积将30重量份二甲基硅油均分为两等份，将其中一份二甲基硅油与3.6重量份的粉末状硬脂酸混合后，在25℃下通过电动搅拌器均匀搅拌分散30min；然后，在分散后的溶液中依次加入0.9重量份的硼酸、6.3重量份的氢氧化锂，将混合后的溶液加入放置到恒温水浴系统中，设定温度为90℃，快速搅拌、均匀分散10min，分散均匀后将混合溶液放置于恒温控制系统中，并设置120℃保持1h，得到初步皂化的网状基体；
68.(2)向上述网状基体中加入0.1重量份的二苯胺和另外一份的二甲基硅油，放置于恒温控制系统中，并设置150℃保持1h，然后进行脱水处理后得到脂状复合锂基皂化基体；
69.(3)将清洗干净后的55重量份的羟基铁粉颗粒加入到上述基体中，先手动搅拌10min以使羟基铁粉与基体初步进行混合，然后再通过三辊机中机械搅拌分散5次130min；
70.将分散后的磁流变脂放置于恒温控制系统中，并设置170℃保持1h，进行磁流变脂的低温稠化，然后将低温稠化后的复合锂基磁流变脂在恒温控制系统中，环境温度设置为200℃，并保持该温度30min，进行复合锂基磁流变脂的高温稠化过程；
71.将高温稠化得到的复合锂基磁流变脂置于室温中进行自然冷却，当冷却至120℃时，取出研磨1h后机械搅拌分散均匀，然后继续自然冷却至室温，制得复合锂基磁流变脂。
72.对比例2
73.(1)按照体积将30重量份二甲基硅油均分为两等份，将其中一份二甲基硅油与3.6重量份的粉末状硬脂酸混合后，在25℃下通过电动搅拌器均匀搅拌分散30min；然后，在分散后的溶液中依次加入0.9重量份的硼酸、6.3重量份的氢氧化锂，将混合后的溶液加入放置到恒温水浴系统中，设定温度为90℃，快速搅拌、均匀分散10min，分散均匀后将混合溶液放置于恒温控制系统中，并设置120℃保持1h，得到初步皂化的网状基体；
74.(2)向上述网状基体中加入0.1重量份的油酸和另外一份的二甲基硅油，放置于恒温控制系统中，并设置150℃保持1h，然后进行脱水处理后得到脂状复合锂基皂化基体；
75.(3)将清洗干净后的55重量份的羟基铁粉颗粒加入到上述基体中，先手动搅拌10min以使羟基铁粉与基体初步进行混合，然后再通过三辊机中机械搅拌分散5次130min；
76.将分散后的磁流变脂放置于恒温控制系统中，并设置170℃保持1h，进行磁流变脂的低温稠化，然后将低温稠化后的复合锂基磁流变脂在恒温控制系统中，环境温度设置为200℃，并保持该温度30min，进行复合锂基磁流变脂的高温稠化过程；
77.将高温稠化得到的复合锂基磁流变脂置于室温中进行自然冷却，当冷却至120℃时，取出研磨1h后机械搅拌分散均匀，然后继续自然冷却至室温，制得复合锂基磁流变脂。
78.从附图1-5来看，随着施加磁场的逐渐递增(从0t、0.1306t、0.2213t、0.3109t、0.4t、0.5264t、0.6041t、0.7041t逐步增至0.7575t)，本发明制得的复合锂基磁流变脂的剪切应力呈现逐渐增大的趋势，并且随着原料中添加的羟基铁粉含量的增大而增大；同时，本发明采用水冷的冷却方式能够有效地提高复合锂基磁流变脂的磁流变效应，使其具有更加
优异的力学性能。