磁流变液体及其制造方法

文档序号:513582 发布日期:2021-05-28 浏览:51次 >En<

阅读说明:本技术 磁流变液体及其制造方法 (Magnetorheological fluid and manufacturing method thereof ) 是由 芮祥鹏 徐嘉伟 于 2019-11-28 设计创作,主要内容包括:一种磁流变液体及其制造方法,其中磁流变液体系于一载体液内分散有一磁响应复合体,该磁响应复合体由一羰基铁粒子与一奈米粒子进行干式搅拌反应所形成,而该奈米粒子会以非连续方式分布于该磁响应复合体上,本发明不需添加各种添加剂,制造成本更低廉,不须使用大量的化学溶剂与药品,对环境友善,且制得的磁流变流体能应用在更高剪切应力的范围内。(A magneto-rheological liquid and its preparation method, wherein the magneto-rheological liquid is dispersed a magnetic response complex in a carrier liquid, the magnetic response complex is formed by a carbonyl iron particle and a nanoparticle through dry-type stirring reaction, and the nanoparticle can be distributed on the magnetic response complex in a discontinuous way.)

磁流变液体及其制造方法

技术领域

本发明是有关一种磁流变液体及其制造方法,特别是一种具有高剪切应力及良好的分散性的组成物及其制造方法。

背景技术

磁流变流体(magnetorheological fluid),一般至少包括磁响应粒子及载体液,磁响应粒子直径通常为0.01~500μm,在无磁场作用下表现为牛顿流体(Newtonianfluid),而在磁场作用下表现为宾汉流体(Bingham fluid),磁流变流体的剪切应力变化通常可为kPa以上的程度,随磁场大小,磁流变流体的粘度变化,型态可从流体状变化至固体状,被广泛应用作为控制阻尼(damper)的材料,例如,汽车等各种装置的智慧型阻尼器、避震器等。

但是,磁流变流体中的磁响应粒子,粒子较大,布朗运动无法阻止粒子的沉降和团聚,因此需要使用各种手段,以防止粒子的沉降和团聚。例如,采取添加界面活性剂的方法,但是添加界面活性剂的方法,因无法改变整个粒子的密度,而不足以抵抗粒子在载体液中的沉降。

另一方面,例如于美国专利第6,203,717号专利文献中,揭露一种稳定的磁流变流体,藉由掺杂有机粘土,以降低粒子的沉淀速率。但是,该专利文献中,欲使有机粘土、羰基铁粉等的磁性材料以及硅油等有机油类均匀混和,尚需添加各种添加剂,除有提高制造复杂性、提高成本外,可能有需要考量该些添加剂的稳定性的问题。

再者,例如于中国台湾专利第I516610号专利文献中,揭露一种稳定的磁流变流体,藉由接枝剂反应后改质的羰基铁奈米粒子与酸处理过的石墨稀或奈米碳管以及硅油等有机油类均匀混和,尚需将羰基铁奈米化,及添加各种奈米材料,除有提高制造复杂性、提高成本外,可能尚需考量剪切应力不足以应付需求高剪切应力的应用领域。

在上述的各种制造磁流变流体的方法中,将羰基铁进行改质反应,再与各种添加剂及硅油等混和是主要制程之一,可得到均匀分散的磁流变流体。然而,上述方法需要较昂贵的生产设备,且不利于大量及连续生产,及使用大量的化学溶剂与药品,对环境不友善,此外,其剪切应力可应用的范围有待改善。

因此,若能够开发出一种不需添加各种添加剂、制造成本更低廉、不须使用大量的化学溶剂与药品,对环境友善,且制得的磁流变流体能应用在更高剪切应力的技术领域范围,因此本发明应为一最佳解决方案。

发明内容

为此,本发明的目的在于提供一种磁流变液体及其制造方法,其不需添加各种添加剂,制造成本更低廉,不须使用大量的化学溶剂与药品,对环境友善,且制得的磁流变流体能应用在更高剪切应力的范围内。

为实现上述目的,本发明公开了一种磁流变液体,其于一载体液内分散有一磁响应复合体,其特征在于,该磁响应复合体由一羰基铁粒子与一奈米粒子进行干式搅拌反应所形成,而该奈米粒子以非连续方式分布于该磁响应复合体上。

其中,该载体液为硅油、矿物油、石蜡油、水、醇类的一种或是一种以上混合。

其中,该羰基铁粒子的平均粒径为0.1~20μm。

其中,该奈米粒子为氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锆的一种或是一种以上混合。

其中,该奈米粒子的平均粒径为1~100nm。

其中,该干式搅拌为旋转式、行星式、上下式、左右式、对角式或是球磨式的固态搅拌方式。

其中,该非连续方式分布指粒子随机分布而无明显的环状或层状结构,且呈现粗糙颗粒感的结构。

其中,该磁响应复合体是以1~99wt%的重量百分比浓度比例混掺于该载体液内。

其中,该磁流变液体的剪切应力达1kPa以上,而该磁响应复合体混掺于该载体液内的重量百分比浓度越高,其剪切应力也越高。

还公开了一种磁流变液体制造方法,其特征在于该制造方法为:

将一羰基铁粒子加入一氧化硅粒子,以取得一混合物;

将前述取得的混合物进行干式搅拌反应,以形成一磁响应复合体;

再将一载体液加入所形成的磁响应复合体中;

最后,将该磁响应复合体分散于该载体液中,以取得一磁流变流体。

其中,干式搅拌反应能够于一般空气或是惰性气体的环境与室内的温度下进行搅拌与反应。

通过上述内容,本发明所提供的磁流变液体及其制造方法具有如下技术效果:

(1)使用磁响应复合体能具有高剪切应力及良好的分散性,流体粘滞程度可以随震动大小而变化,藉由改变磁场大小,变化流体的粘滞程度,控制阻尼,可应用作为各种装置的智慧型阻尼器,再者,由于粘度的变化,可应用于物质分离、机械装置的承载及密封等。

(2)磁流变流体不需添加各种添加剂、制造成本更低廉、不须使用大量的化学溶剂与药品,对环境友善,且制得的磁流变流体能应用在更高剪切应力的技术领域范围。

附图说明

图1:本发明中磁流变液体制造方法的流程示意图。

图2A:本发明磁流变液体的低倍率的SEM影像示意图。

图2B:本发明磁流变液体的高倍率的SEM影像示意图。

图3A:本发明的沉降测试曲线示意图。

图3B:本发明的沉降测试样品示意图。

图4:本发明的流动曲线示意图。

具体实施方式

有关于本发明其他技术内容、特点与功效,在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中,将可清楚的呈现。

请参阅图1,为本发明磁流变液体及其制造方法的方法示意图,由图中可知,其方法为:

(1)将一羰基铁粒子加入一奈米粒子,以取得一混合物101;

(2)将前述取得的混合物进行干式搅拌反应,以形成一磁响应复合体102;

(3)再将一载体液加入所形成的磁响应复合体中103;

(4)最后,将该磁响应复合体分散于该载体液中,以取得一磁流变流体104。

于步骤101中,是将羰基铁粒子加入奈米粒子(氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化硅、氧化钛、氧化铝或是氧化锆),步骤101可于空气环境及惰性气体(例如氮气或氩气)下进行;再者,步骤101的环境条件可为于室内的温度下进行。

于步骤102中,是将步骤101所得的混合物进行干式搅拌反应,而步骤102也是于空气环境及惰性气体(例如氮气或氩气)下进行;再者,步骤102的反应条件可为于室内的温度下,以干式搅拌来进行,其中所谓干式搅拌反应,系指反应材料以固态为主,以搅拌的方式来进行(例如旋转式、行星式、上下式、左右式、对角式、球磨式的搅拌方式)。

而步骤102所形成的磁响应复合体系指具有磁响应特性的复合体,该磁响应复合体的粒径可为0.1~20μm(粒径为0.1~0.5μm、0.5~1μm、1~2μm、2~3μm、3~4μm、4~5μm、5~6μm、6~7μm、7~8μm、8~9μm、9~10μm、10~11μm、11~12μm、12~13μm、13~14μm、14~15μm、15~16μm、16~17μm、17~18μm、18~19μm、19~20μm的其中一个或多个范围内),且磁响应复合体的表面分布1至100nm(表面分布为1~5nm、5~10nm、10~15nm、15~20nm、20~25nm、25~30nm、30~35nm、35~40nm、40~45nm、45~50nm、50~55nm、55~60nm、60~65nm、65~70nm、70~75nm、75~80nm、80~85nm、85~90nm、90~95nm、95~100nm的其中一个或多个范围内)的间的粒径大小的奈米粒子,该奈米粒子可为磁响应或非磁响应的粒子(例如氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锆等)。

于步骤103中,能够将载体液加入由步骤102所得的磁响应复合体中,其中该载体液可为油性或水性载体液(例如硅油、矿物油、石蜡油、水、醇类等),另外磁响应复合体是以1~99wt%(1~5wt%、5~10wt%、10~15wt%、15~20wt%、20~25wt%、25~30wt%、30~35wt%、35~40wt%、40~45wt%、45~50wt%、50~55wt%、55~60wt%、60~65wt%、65~70wt%、70~75wt%、75~80wt%、80~85wt%、85~90wt%、90~95wt%、95~99wt%的其中一个或多个范围内)的重量百分比浓度比例混掺于该载体液内。

于步骤104中,使磁响应复合体能够分散混入该载体液内,以取得到磁流变流体,其中该磁流变流体系指具有磁响应特性的流体,系指在无磁场作用下,具有低粘度的特性,亦即呈现流体的状态,随磁场大小而改变其粘度,亦称为磁流变特性。

另外,本案的磁流变流体,在磁场作用下,与无磁场作用比较,剪切应力(yieldstress)的变化量可达1kPa以上,所谓剪切应力,系指宾汉流体(Bingham fluid)受磁场作用时,使其流动所需的力。

另外,藉由本案的磁响应复合体的结构,得以降低粒子的实质密度,并且提高磁响应复合体与载体液的相容性,得以容易分散于载体液中,并且降低沉降速率。

另外,干式搅拌法于本发明中所提供的功效在于,所制备的磁响应复合体的过程中,无须有机化学药品或前驱物药品,即可制造出。也就是说,无须进行移除有机化学药品或前驱物药品,及无须进行移除制备过程中所产生的副产物或残留物,亦即得以百分之百的产率,亦可减少对环境的污染。

本案的第一个实施例,说明如下:

(1)将15g的羰基铁与0.079g的奈米粒子(氧化硅)置于一容器中,并且可以选择性地通入空气、氮气或氩气,其中羰基铁与奈米粒子(氧化硅)的混合物在室内温度下,以干式进行搅拌,并且可以选择性地持续进行数秒或数分钟,以得磁响应复合体。

(2)将获得的磁响应复合体置于一容器中,再者,将30.619g的载体液(硅油)加入磁响应复合体的容器内,使其磁响应复合体分散于载体液(硅油)之中,以获得一磁流变流体2。

(3)本实施例借着干式搅拌反应,可得一磁响应复合体,其结果如图2A及图2B的扫描式电子显微镜(SEM)影像所示,都可明显看出在羰基铁表面上分布着氧化硅粒子。

(4)本实施例获得的磁流变流体,其配制的重量百分浓度为33%,称磁流变流体2进行沉降测试,并与磁流变流体1(将15.079g的羰基铁与30.619g的载体液(硅油)配置成重量百分浓度为33%的磁流变流体1)作比较,比较分析如下:

(a)上述沉降测试系藉由雷射光穿透计测得,当磁流变流体经由雷射光穿透,感测器接受到雷射光的能量,其测得的能量越低,即代表分散性越好,将感测器测得的能量进行数据标准化后,其能量强度最低表示为0,最高表示为1。

(b)其沉降测试结果如图3A及图3B所示,本实施例的磁流变流体2即使经过一段时间,其分散性仍然很好,但习用的磁流变流体1经过时间越长,其分散性就变得越差。

(c)再进一步说明,由图3A可知,在初期(0小时)时,能量强度显示为0,即表示磁流变流体1与磁流变流体2都处于分散状态,在末期(8小时)时,磁流变流体1的能量强度显示为0.57,即表示磁流变流体明显沉降,再者,磁流变流体2的能量强度显示为0,即表示磁流变流体仍然处于分散状态。上述的磁流变流体状态,如图3B所示的沉降测试前与后的样品图像所示。

本案的第二个实施例,说明如下:

(1)将15g的羰基铁与0.079g的奈米粒子(氧化硅)置于一容器中,并且可以选择性地通入空气、氮气或氩气,其中羰基铁与奈米粒子(氧化硅)的混合物在室内温度下,以干式进行搅拌,并且可以选择性地持续进行数秒或数分钟,以得磁响应复合体。

(2)将获得的磁响应复合体置于一容器中,再者,将2.661g的载体液(硅油)加入磁响应复合体的容器内,使其磁响应复合体分散于载体液(硅油)之中,以获得一磁流变流体4。

(3)第二实施例中,主要要进行剪切应力测试,测试说明如下:

(a)剪切应力测试系使用双平板磁流变仪(Physica MRC-301),配有电流磁场控制器,测试时将电流控制在5A的情况下,由剪切应力对剪切速率作图,以得到流动曲线,由曲线而得知剪切应力数据。

(b)其中比较对象(磁流变流体3)为羰基铁直接加入硅油,使其羰基铁分散于硅油之中,将其配制成重量百分浓度为85%,而磁流变流体4为本实施例获得的磁响应复合体加入硅油,使其磁响应复合体分散于硅油之中,将其配制成重量百分浓度为85%。

(c)如图4的流动曲线可知,磁流变流体4的剪切应力为89~99kPa,高于磁流变流体3的80~90kPa,此结果归咎于本实施例获得的磁响应复合体相较于羰基铁有较佳的抗沉降与分散于载体液的能力。

本发明所提供的磁流变液体及其制造方法,与其他习用技术相互比较时,其优点如下:

(1)本发明的磁流变流体及其制造方法,系藉由使用磁响应复合体,具有高剪切应力及良好的分散性,流体粘滞程度可以随震动大小而变化,藉由改变磁场大小,变化流体的粘滞程度,控制阻尼,可应用作为各种装置的智慧型阻尼器,再者,由于粘度的变化,可应用于物质分离、机械装置的承载及密封等。

(2)本发明的磁流变流体,不需添加各种添加剂、制造成本更低廉、不须使用大量的化学溶剂与药品,对环境友善,且制得的磁流变流体能应用在更高剪切应力的技术领域范围。

(3)本发明已透过上述的实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,任何熟悉此一技术领域具有通常知识者,在了解本发明前述的技术特征及实施例,并在不脱离本发明的精神和范围内,不可作些许的更动与润饰,因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的请求项所界定者为准。

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