一种灌注式定结构化磁流变弹性体的制备方法
阅读说明：本技术 一种灌注式定结构化磁流变弹性体的制备方法 (Preparation method of perfusion type fixed-structure magnetorheological elastomer ) 是由 宋伟志 康翔宇 张晨骏 李彬 姚永玉 朱德荣 周辉 陈智勇 岳遂录 赵海军 梁凯 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种灌注式定结构化磁流变弹性体的制备方法,将橡胶基体、励磁性颗粒、硅油按配比混合,并添加固化剂,搅拌均匀,注入穿插有纤维的模具中,然后真空处理,除去混合物中的气泡,之后取出在常温下固化,待固化完毕从模具中取出基体,抽去纤维,得到附有通道的磁流变弹性体基体框架；将橡胶基体、励磁性颗粒、硅油按配比混合,同时添加硅烷偶联剂及固化剂,搅拌均匀,注入基体框架的纤维通道中,然后封闭通道；对封闭通道后的基体水浴加热处理,并置于压力机下轻压固化,待固化成型后得到所需磁流变弹性体。本发明固化过程中无需添加磁场,可制备三向均具备规则链状结构的磁流变弹性体,有效解决了目前磁流变弹性体制备及应用中的问题。(The invention relates to a preparation method of perfusion type fixed-structure magnetorheological elastomer, which comprises the steps of mixing a rubber matrix, exciting particles and silicone oil according to a ratio, adding a curing agent, uniformly stirring, injecting into a mold with fibers inserted, then carrying out vacuum treatment, removing bubbles in the mixture, taking out the mixture, curing at normal temperature, taking out the matrix from the mold after curing is finished, and removing the fibers to obtain a magnetorheological elastomer matrix frame with channels; mixing a rubber matrix, exciting particles and silicone oil according to a ratio, adding a silane coupling agent and a curing agent at the same time, uniformly stirring, injecting into a fiber channel of a matrix frame, and then sealing the channel; and heating the substrate with the closed channel in a water bath, placing the substrate under a press machine for slight pressing and curing, and obtaining the needed magnetorheological elastomer after curing and forming. The invention can prepare the magnetorheological elastomer with the regular chain structure in three directions without adding a magnetic field in the curing process, and effectively solves the problems in the preparation and application of the existing magnetorheological elastomer.)
技术领域
本发明属于智能材料
技术领域
，具体涉及一种灌注式定结构化磁流变弹性体的制备方法。背景技术
磁流变弹性体是一种新型智能材料，其由天然橡胶、励磁性颗粒、硅油、添加剂、固化剂等复合固化而成，由于其剪切模量可控，响应速度快，克服了磁流变液磁性颗粒沉降的问题，故得到了广泛的研究。磁流变弹性体按内部结构特征可分为各向异性磁流变弹性体及各向同性磁流变弹性体，由于各向异性磁流变弹性体制备中采用预结构化处理，磁性颗粒成链状分布，磁流变效应更为显著，故目前应用更多。但各向异性磁流变弹性体的制备过程中较为困难，且目前的制备技术只能实现一个方向的预结构化，使用中，如剪切方向与链状结构方向平行，磁流变效应将大幅降低。此外，目前制备的磁流变弹性体在同一磁场下磁流变效应相同，不易实现特定区域磁流变效应的控制。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种灌注式定结构化磁流变弹性体的制备方法，整个固化中无需再通过施加强磁场形成链状结构，克服了目前制备各向异性磁流变弹性体固化时需长时间加强磁场的问题，降低了材料的制备难度。可制备三向均具备规则链状结构的磁流变弹性体，克服了目前技术制备的材料只在一个方向磁流变效应显著，而另两个方向效应极差的问题，可有效解决目前磁流变弹性体制备及应用中的问题。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种灌注式定结构化磁流变弹性体的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)材料基体框架的制备：
将橡胶基体、励磁性颗粒、硅油按配比为75％，15％，10％进行混合，每升混合物中添加2ml固化剂，利用搅拌机将混合物搅拌均匀，注入穿插有纤维的模具中，置于真空箱中真空处理20-30min，以除去混合物中的气泡，然后取出在常温下固化不少于12h，待固化完毕后，从模具中取出基体，并将纤维抽去，得到附有通道的磁流变弹性体基体框架；
(2)高励磁性颗粒配比的混合物填充纤维通道：
将橡胶基体、励磁性颗粒、硅油按配比为(15-35)％，(60-75)％，(5～15)％混合，同时每升混合物添加15-25ml硅烷偶联剂及2ml固化剂，通过搅拌机搅拌均匀，利用压力注射机的压力及磁场引力，将搅拌均匀的混合物注入步骤(1)制备的基体框架的纤维通道中，待混合物充满通道后关闭压力注射机，撤掉磁场，利用塑料薄膜封闭通道表面；
(3)目标磁流变弹性体固化成型：
对封闭通道后的基体进行水浴加热处理，水浴完成后置于压力机下轻压固化不少于12h，待固化成型后得到所需磁流变弹性体，固化成型过程中不施加磁场。
优选地，所述纤维为变直径纤维，沿轴向直径变化率控制在0.001％～0.0015％，纤维直径沿轴向逐渐变小，且在模具同一方向穿插的纤维，其截面直径较大的一端统一处在模具的同一个方向。
优选地，步骤(2)中橡胶基体、励磁性颗粒、硅油的配比为20％，70％，10％。
优选地，步骤(1)和步骤(2)所述的励磁性颗粒选用羟基铁粉，粉径为纳米级，步骤(3)的水浴温度为40～55℃。
进一步地，步骤(1)中所用的模具可以是六面体结构，纤维在模具中按照三维结构穿插，具体是在x，y，z三个方向均布置纤维，每个方向的纤维平行布置，x，y，z三个方向的纤维形成三维交错状，且x，y，z三个方向的纤维相互不接触；同时，步骤(3)得到的是三向剪切式磁流变弹性体。
进一步地，步骤(1)中所用的模具可以是圆柱形结构，纤维在模具中穿插时其轴线与圆柱形模具的轴线平行；同时，步骤(3)得到的是扭转剪切式磁流变弹性体。
更进一步地，在圆柱形模具中布置纤维时，从圆柱形模具横截面圆心开始沿其半径向外的位置，纤维布置密度大，且纤维直径大；从圆柱形模具横截面圆心沿其半径向内的位置，纤维布置密度小，且纤维直径小。
更进一步地，从圆柱形模具横截面圆心开始沿其半径向外，纤维布置的密度及纤维直径均逐渐增大。
进一步地，纤维分布密度及纤维直径大小依据对磁流变弹性体磁流变效应要求的不同进行调节，当对磁流变效应要求高时，纤维直径调大，纤维分布密度变大；纤维插入模具之前用硅油涂喷或硅油浸泡处理进行润滑。
进一步地，在不同通道内灌输不同配比的高励磁性颗粒配比混合物。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明在整个固化过程中无需再通过施加强磁场形成链状结构，克服了目前制备各向异性磁流变弹性体固化时需长时间加强磁场的问题，降低了材料的制备难度，同时解决了弹性体固化形成链状结构时，由于颗粒蠕动而产生气泡的问题。
2、本发明固化过程中由于无需施加磁场，故对模具材料要求不高，可应用各类材料的模具，比如金属、高分子材料等，可有效降低材料制备中的成本。
3、本发明可制备三向均具备规则链状结构的磁流变弹性体，即三向剪切时均可产生明显的磁流变效应，克服了目前技术制备的材料只在一个方向磁流变效应显著，而另两个方向效应极差的问题。
4、本发明利用变直径纤维，在基体框架制备完成后，可以方便纤维抽去；可根据实际情况调节纤维直径的大小，进而调节通道的大小，同时根据需要可在不同通道内灌输不同配比的混合物，以实现相同磁场下剪切模量的控制，或按需求形成剪切模量梯度，克服了目前技术制备的弹性体在同一磁场下弹性体不同位置剪切模量不可控的问题。
5、本发明制备的基体框架通孔为变直径通孔，在浓度较大的混合物时，可从轴向截面直径较大一端灌入，受截面缩小压力，可防止灌输过程中产生气泡，保证制备的磁流变弹性体的磁流变效应。
6、本发明通过合理控制硅烷偶联剂的添加量，可实现磁流变弹性体基体与励磁性颗粒的界面特性控制，进而实现对磁流变弹性体阻尼大小的控制。
7、本发明制备的扭转剪切用磁流变弹性体可沿圆柱半径方向控制高励磁性颗粒配比混合物的密度及纤维布置密度，使制备的弹性体沿半径向外方向形成剪切屈服应力递增的梯度，更适合扭转情况下对弹性元件的刚度要求。
8、本发明通过独立制备基体框架及链状结构，可实现对材料耐久性及磁流变效应的独立控制，便于工程应用。
附图说明
图1是实施例1附有纤维穿插三维结构的模具。
图2是实施例1制备的基体框架。
图3是实施例1高励磁性混合物注入基体框架的示意图。
图4是实施例2柱形磁流变弹性体在扭转时受到的应力分布图。
图5是实施例2柱形磁流变弹性体中纤维的布置示意图。
其中，1-z向纤维，2-模具，3-x向纤维，4-y向纤维，5-柱形磁流变弹性体中的纤维，6-高励磁性颗粒配比的混合物。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的内容，下面将结合实施例和附图来进一步阐述本发明。本实施例以本发明的技术为基础实施，给出了详细的实施方式和操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
下面以立方体结构的模具为例对本发明进行详细说明，本发明灌注式定结构化磁流变弹性体的制备方法包括：
(1)材料基体框架的制备：
将橡胶基体、励磁性颗粒、硅油按配比为75％，15％，10％进行混合，并向混合物中按照2ml/L的量添加固化剂(固化剂可以采用但不限于交联剂XR-500)，利用搅拌机将混合物搅拌均匀，注入装有纤维穿插三维结构(如图1所示)的立方体模具中，置于真空箱中真空处理20-30min，以除去混合物中的气泡，然后取出在常温下固化不少于12h，待固化完毕后，从模具中取出基体，并将各个方向的纤维丝抽去，得到附有通道的磁流变弹性体基体框架，如图2所示。
(2)高励磁性颗粒配比的混合物填充纤维通道：
橡胶基体、励磁性颗粒、硅油按配比为(15-35)％，(60-75)％，(5～15)％(可根据不同磁流变效应调整材料配比)混合，同时每升混合物添加15-25ml硅烷偶联剂及2ml固化剂(固化剂可以采用但不限于交联剂XR-500)，通过搅拌机搅拌均匀，利用压力注射机的压力及磁场引力，将搅拌均匀的混合物分别从步骤(1)制备的材料基体框架的三个方向引入基体框架的通道中，待混合物充满通道后关闭压力注射机，撤掉磁场，利用塑料薄膜封闭通道表面。
(3)目标磁流变弹性体固化成型：
对封闭通道后的基体进行水浴加热处理，水浴的温度为40～55℃，水浴完成后将基体置于压力机下轻压固化不少于12h，待固化成型后取出所需磁流变弹性体。
步骤(1)所述纤维穿插三维结构是在模具中在x，y，z三个方向均布置纤维，在立方结构中，x，y，z三个方向的纤维分别与立方体模具相应的表面平行分布。每个方向的纤维平行布置，形成三维交错状，同时保证x，y，z三个方向的纤维相互不接触。
进一步地，穿插有纤维的模具还可以是圆柱形结构，此时，纤维在模具中穿插时其轴线与圆柱形模具的轴线平行。在圆柱形模具中布置纤维时，从圆柱形模具横截面圆心开始沿其半径向外的位置，纤维布置密度大，且纤维直径大；从圆柱形模具横截面圆心沿其半径向内的位置，纤维布置密度小，且纤维直径小。也可以是从圆柱形模具横截面圆心开始沿其半径向外，纤维布置的密度及纤维直径均逐渐增大。
具体地，纤维分布密度及纤维直径大小依据对磁流变弹性体磁流变效应要求的不同进行调节(当对磁流变弹性体的磁流变效应要求高时，纤维直径调大，纤维分布密度变大)，在注入磁流变混合物前，用硅油涂喷或浸泡纤维丝进行润滑，以便于后期抽去纤维丝。
进一步地，所述纤维为变直径纤维，沿轴向直径变化率控制在0.001％～0.0015％，纤维直径沿轴向逐渐变小，且在模具同一方向穿插的纤维，其截面直径较大的一端统一处在模具的同一个方向。在立方结构的模具中，同一方向穿插的纤维，其截面直径较大的一端统一处在模具同一个平面，即在同一方向中(x向或y向或z向)，纤维直径变化的方向一致。在圆柱形结构的模具中，纤维截面直径较大的一端统一处在圆柱形模具的底部或顶部，纤维截面直径较小的统一处在圆柱形模具的顶部或底部。
进一步地，所述基体通道为变直径通道，其直径变化率由变直径纤维控制。
优选地，所述励磁性颗粒选用羟基铁粉，粉径为纳米级，高励磁性颗粒配比的混合物为励磁性颗粒所占成分较高，一般磁性颗粒的配比不低于60％，其具体配比根据磁流变弹性体的使用场景及对磁流变弹性体磁流变效应的不同进行调节。同时按每升混合物添加15-25ml硅烷偶联剂，优选20ml，以改善基体和磁性颗粒的界面特性，降低磁流变弹性体的阻尼。
所述高励磁性颗粒配比的混合物注入基体框架的通道是通过压力注射机施加压力，以及此案有永磁体产生的磁力吸引，将混合物填满通道。灌注的时候从通道直径大的一端向直径小的一端罐，可防止灌输过程中产生气泡，保证制备的磁流变弹性体的磁流变效应。
磁流变弹性体固化成型，是将充满高励磁性颗粒配比混合物的材料基体框架进行热水浴，以易于高励磁性颗粒混合物和基体框架的融合，同时在压力机下进行轻压，提高整体固化过程中高励磁性颗粒混合物和基体框架的融合。
本发明制备中，只是在向纤维通道中注入高励磁性颗粒配比的混合物时施加磁场进行牵引，当高励磁性颗粒配比的混合物对通道填充完全后，即撤掉磁场，高励磁性颗粒配比的混合物在通道中固化的过程中，不需要施加磁场形成链状结构，克服了目前制备各向异性磁流变弹性体固化时需长时间加强磁场的问题，降低了材料的制备难度，同时解决了弹性体固化形成链状结构时，由于颗粒蠕动而产生气泡的问题。
实施例1：用本发明方法制备三向剪切六面体磁流变弹性体。
如图1-3所示，首先将纤维在硅油润滑剂中浸泡，完成后在六面体模具中布置x，y，z三向纤维，纤维布置密度及纤维直径大小根据磁流变弹性体具体使用中对磁流变效应的大小而定，同一方向的纤维相互平行，不同方向的纤维布置相互垂直但不相交(x，y，z三向纤维布置相互垂直但不相交)。将天然橡胶、励磁性颗粒、硅油按75％，15％，10％配比，并向每升混合物中添加2ml固化剂(固化剂可以采用但不限于交联剂XR-500)，利用搅拌机充分搅匀。将搅拌均匀的混合物注入装有纤维穿插三维结构(如图1所示)的模具中，放到真空箱中真空处理20～30min，以排除混合物中的气泡。然后取出置于常温下固化不少于12h，待固化完成后，从模具中取出基体，并将各个方向的纤维丝抽去，得到附有通道的六面体磁流变弹性体基体框架。再将配比为20％，70％，10％的天然橡胶、励磁性颗粒、硅油混合，同时每升混合物添加20ml硅烷偶联剂及2ml固化剂(固化剂可以采用但不限于交联剂XR-500)，利用搅拌机充分搅匀，得到高励磁性颗粒配比的混合物。利用压力注射机产生的压力以及强磁铁产生的引力，将高励磁性颗粒配比的混合物分别从步骤(1)制备的材料基体框架的三个方向灌入基体框架的通道内，灌注的时候从通道直径大的一端向直径小的一端罐，待所有通道灌满混合液后关闭压力注射机，撤掉磁场，利用塑料薄膜封闭各通道表面。对基体进行水浴加热，水浴温度为40～55℃，以便于高励磁性颗粒配比的混合液与基体框架融合，水浴完成后于常温下置于压力机下轻压固化不少于12h，待固化成型后，得到三向剪切式磁流变弹性体。
实施例2：用本发明方法制备三向剪切六面体磁流变弹性体。
高励磁性颗粒配比混合物的组成为天然橡胶35％，励磁性颗粒60％，硅油5％。其他同实施例1。
实施例3：用本发明方法制备三向剪切六面体磁流变弹性体。
高励磁性颗粒配比混合物的组成为天然橡胶15％，励磁性颗粒75％，硅油10％。其他同实施例1。
实施例4：用本发明方法制备三向剪切六面体磁流变弹性体。
高励磁性颗粒配比混合物的组成为天然橡胶15％，励磁性颗粒70％，硅油15％。其他同实施例1。
实施例5：用本发明方法制备扭转剪切用磁流变弹性体。
如图4-图5所示，首先将纤维在硅油润滑剂中浸泡，完成后在圆柱形模具中布置与圆柱形轴线平行的单向纤维，由于圆柱形弹性体在扭转剪切情况下，剪切应力从横截面圆心沿半径向外逐渐增大，故纤维布置时，从横截面圆心沿半径向外的纤维布置密度大，且纤维直径大，而沿半径向内的纤维布置密度小，纤维直径小，以满足使用要求。将天然橡胶、励磁性颗粒、硅油按75％，15％，10％配比，并向每升混合物中添加2ml固化剂(固化剂可以采用但不限于交联剂XR-500)，利用搅拌机充分搅匀。将搅拌均匀的混合物注入装有单向纤维的圆柱形模具中，放到真空箱中真空处理20～30min，以排除混合物中的气泡。然后取出置于常温下固化不少于12h，待固化完成后，从模具中取出基体，抽去纤维，形成圆柱形磁流变弹性体基体框架。再将配比为20％，70％，10％的天然橡胶、励磁性颗粒、硅油混合，同时每升混合物添加20ml硅烷偶联剂及2ml固化剂(固化剂可以采用但不限于交联剂XR-500)，利用搅拌机充分搅匀，得到高励磁性颗粒配比的混合物。利用压力注射机产生的压力以及强磁铁产生的引力，将高励磁性颗粒配比的混合物灌入基体框架的通道，灌注的时候从通道直径大的一端向直径小的一端罐，待所有通道灌满混合液后关闭压力注射机，撤掉磁场，利用塑料薄膜封闭各通道表面。对基体进行水浴加热，水浴温度为40～55℃，以便于高励磁性颗粒配比的混合液与基体框架融合，水浴完成后于常温下置于压力机下轻压固化不少于12h，待固化成型后，得到扭转剪切式磁流变弹性体。
实施例6：用本发明方法制备扭转剪切用磁流变弹性体。
高励磁性颗粒配比混合物的组成为天然橡胶15％，励磁性颗粒70％，硅油15％。其他同实施例5。
实施例7：用本发明方法制备扭转剪切用磁流变弹性体。
高励磁性颗粒配比混合物的组成为天然橡胶15％，励磁性颗粒75％，硅油10％。其他同实施例5。
实施例8：用本发明方法制备扭转剪切用磁流变弹性体。
高励磁性颗粒配比混合物的组成为天然橡胶35％，励磁性颗粒60％，硅油5％。其他同实施例5。
以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。