Данное изобретение относится к определенным жидким материалам, которые проявляют существенное увеличение гидродинамического сопротивления, будучи помещенными в магнитные поля. Более конкретно, данное изобретение относится к магнитореологическим материалам, которые используют компонент частиц с модифицированной поверхностью для увеличения предела текучести.
Жидкие составы, которые подвергаются изменению видимой вязкости в присутствии магнитного поля, обычно упоминаются как магнитные жидкости Бингхэма или магнитореологические материалы. Магнитореологические материалы обычно состоят из ферромагнитных или парамагнитных частиц, как правило, с диаметром больше чем 0,1 мкм, диспергированных в жидкости-носителе, и в присутствии магнитного поля частицы становятся поляризованными и тем самым организуются в цепочки частиц в жидкости. Цепочки частиц действуют, увеличивая видимую вязкость или гидродинамическое сопротивление всего материала, и в отсутствие магнитного поля частиц возвращаются в неорганизованное или свободное состояние, и видимая вязкость или гидродинамическое сопротивление всего материала соответственно уменьшается. Эти составы магнитных жидкостей Бингхэма проявляют контролируемые свойства, подобные тем, которые обычно наблюдают для электрореологических материалов, которые являются чувствительными к электрическому полю вместо магнитного поля.
Как электрореологические, так и магнитореологические материалы являются пригодными для обеспечения различных демпфирующих сил в устройствах, таких как демпферы, поглотители ударов и эластомерные опоры, также как и при контроле уровней момента или давления в различных устройствах сцеплений, тормозов и клапанов. Магнитореологичесие материалы несомненно имеют ряд преимуществ перед электрореологическими материалами в этих применениях. Магнитореологические жидкости проявляют более высокие пределы текучести, чем электрореологические материалы, и являются, следовательно, способными производить более высокие демпфирующие силы. Далее, магнитореологические материалы активируются с помощью магнитных полей, которые легко получаются с помощью простых низковольтных электромагнитных катушек, по сравнению с дорогими высоковольтными источниками питания, требующимися для эффективной работы электрореологических материалов.
Более конкретное описание типа приборов, в котором эффективно могут быть использованы магнитореологические материалы, дается в сопутствующих заявках на патент США N 07/900571 и 07/900567, озаглавленный "Демпферы на магнитореологической жидкости" и "Устройства на магнитореологической жидкости", соответственно обе зарегистрированы 18 июня 1992, полное содержание которых включено сюда путем упоминания.
Магнитореологические жидкости или магнитные жидкости Бингхэма являются отличными от коллоидных магнитных жидкостей или феррожидкостей. В коллоидных магнитных жидкостях частицы обычно имеют диаметр от 5 до 10 нм. При приложении магнитного поля коллоидная феррожидкость не проявляет структурирования частиц или развития сопротивления потоку. Вместо этого, коллоидные магнитные жидкости испытывают действие объемной силы, действующей на материал в целом, которая пропорциональна градиенту магнитного поля. Эта сила вызывает притяжение коллоидной феррожидкости как целого в области с высокой напряженностью магнитного поля.
Магнитореологические жидкости и соответствующие приборы обсуждаются в различных патентах и публикациях. Например, патент США N 2575360 дает описание электромеханически контролируемого устройства для приложения момента, которое использует магнитореологический материал для обеспечения ведущего соединения между двумя независимо вращающимися частями, такими, как те, которые находятся в сцеплениях и тормозах. Жидкий состав, пригодный для этого применения, как утверждается, состоит на 50% по объему из порошка магнитомягкого железа, обычно упоминающегося как "порошок карбонильного железа", диспергированного в соответствующей жидкой среде, такой как легкое смазочное масло.
Другое устройство, способное контролировать проскальзывание между движущимися частями с использованием магнитных или электрических полей, описано в патенте США N 2661825. Пространство между подвижными частями заполнено средой, чувствительной к полю. Развитие потока магнитного или электрического поля через среду дает в результате контроль результирующего проскальзывания. Жидкость, чувствительная к приложению магнитного поля, описана как содержащая порошок карбонильного железа и легкое минеральное масло.
Патент США N 2886151 описывает устройства для передачи усилия, такие как сцепления и тормоза, которые используют сцепление на пленке жидкости, чувствительной либо к электрическим, либо магнитным полям. Пример жидкости, чувствительной к магнитному полю, как описано, содержит порошок восстановленной окиси железа и масло, типа смазочного, имеющее вязкость от 2 до 20 сП при 25oC.
Конструкция клапанов, пригодных для контроля потока магнитореологических жидкостей, описана в патентах США N 2670749 и 3010471. Магнитные жидкости, пригодные для использования в описанных конструкциях клапанов, включают ферромагнитные, парамагнитные и диамагнитные материалы.
Конкретный состав магнитной жидкости, описанный в патенте США N 3010471, состоит из суспензии карбонильного железа в легком углеводородном масле. Смеси магнитных жидкостей, описанные как пригодные в патенте США N 2670749, состоят из порошка, карбонильного железа, диспергированного либо в силиконовом масле, либо в хлорированной или фторированной суспендирующей жидкости.
Смеси различных магнитореологических материалов описаны в патенте США N 2667237. Смесь определяют как дисперсию малых парамагнитных или ферромагнитных частиц либо в жидкости, охлаждающей жидкости, газе-антиоксиданте, либо в полутвердой смазке. Предпочтительный состав магнитореологического материала состоит из порошка железа и легкого машинного масла. Особенно предпочтительный магнитный порошок, как утверждается, является порошком карбонильного железа со средним размером частиц 8 мкм. Другие возможные компоненты-носители включают керосин, смазку и силиконовое масло.
Патент США N 4992190 описывает реологический материал, который является чувствительным к магнитному полю. Состав этого материала, как описано, является намагничивающимися частицами и силикагелем, диспергированными в жидкости-носителе. Намагничивающиеся частицы могут быть порошкообразным магнетитом или порошками карбонильного железа с порошком изолированного восстановленного карбонильного железа, такими как производимые GAF Corporation, являющиеся особенно предпочтительными. Жидкость-носитель описана как имеющая вязкость в диапазоне от 1 до 1000 сП при 38oC (100oF). Конкретные примеры соответствующих носителей включают масло Conoco LVT, керосин, легкое парафиновое масло, минеральное масло и силиконовое масло. Предпочтительная жидкость-носитель является силиконовым маслом, имеющим вязкость в диапазоне приблизительно 10 - 1000 сП при 38oC.
Во многих требующихся приложениях магнитореологических материалов, таких как демпферы или тормоза для легковых или грузовых автомобилей, является желательным для магнитореологического материала проявлять высокое напряжение текучести, чтобы быть способным выдерживать большие силы, необходимые в этих типах применений. Как обнаружено, только номинальное увеличение напряжения текучести данного магнитореологического материала может быть получено путем выбора среди различных частиц железа, традиционно используемых в магнитореологических материалах. В порядке увеличения напряжения текучести данного магнитореологического материала обычно необходимо увеличивать объемную долю магнитореологических частиц или увеличивать напряженность приложенного магнитного поля. Ни одна из этих технологий не является желательной, поскольку высокая объемная доля компонента частиц может добавить значительный вес к магнитореологическому устройству, также как и увеличить общую вязкость материала в "выключенном" состоянии, тем самым ограничивая размер и геометрию магнитореологического устройства, способного использовать этот материал, а сильные магнитные поля значительно увеличивают потребность в энергии для магнитореологического устройства.
Следовательно, существует потребность в компоненте магнитореологических частиц, которые будут независимо увеличивать предел текучести магнитореологического материала без необходимости увеличения объемной доли частиц или магнитного поля.
Данное изобретение является магнитореологическим материалом, включающим жидкость-носитель и магнитно-активные частицы, отличающимся тем, что частицы модифицированы таким образом, что поверхность частицы является достаточно свободной от продуктов загрязнений, таких как продукты коррозии. Образование продуктов коррозии на поверхности магнитно-активной частицы является результатом как химических, так и электрохимических реакций поверхности частицы с водой и атмосферными газами, также как и с электролитами и частицами или загрязнениями, которые либо присутствуют в атмосфере, либо остаются в качестве остатка во время приготовления или обработки частиц. Продукты коррозии могут быть либо компактными и прочно прилипшими к поверхности металла, либо могут быть слабо связаны с поверхностью металла и могут быть в форме порошка, пленки, чешуи или окалины. Наиболее распространенные типы продуктов коррозии включают различные формы слоев оксидов металла, которые иногда упоминаются как ржавчина, окалина или прокатная окалина.
В настоящее время неожиданно обнаружено, что предел текучести, проявляемый магнитореологическими материалами, может быть значительно увеличен с помощью удаления продуктов загрязнения с поверхности магнитно-активных частиц. Продукты загрязнения могут быть эффективно удалены с поверхности металлических частиц при помощи обработки абразивом, химической обработки или их комбинаций.
Чтобы быть эффективными, эти технологии должны применяться во время приготовления магнитореологического материала (in situ) или непосредственно, либо перед приготовлением магнитореологического материала, либо перед нанесением защитного покрытия. Обработка абразивом включает физическое или механическое удаление продуктов загрязнения путем столкновения поверхности магнитно-активных частиц с большой скоростью с абразивными средствами. Эти абразивные средства могут либо быть абразивной добавкой к магнитореологическому материалу, либо образовывать шлифовальные средства, способствующие обработке.
Способы или технологии химической обработки, применяемые для удаления продуктов загрязнения во время приготовления магнитореологического материала, включают кислотное травление, чистку или протравку, щелочную очистку, электролитическую очистку, ультразвуковую очистку и их комбинации. Дополнительные способы химической обработки, применяемые для удаления продуктов загрязнения перед приготовлением магнитореологического материала, включают газовые процессы восстановления или реакции металла, плазменную очистку, ионное травление, очистку распыления и их комбинации.
Типы покрытий-барьеров, которые являются эффективными при защите поверхности частиц, могут состоять из немагнитных металлов, керамик, высокоэффективных термопластиков, термореактивных полимеров, и их комбинаций. Для эффективной защиты поверхности частицы от повторного загрязнения необходимо, чтобы это покрытие или слой достаточно полно закрывали или инкапсулировали частицу.
Чертеж является графиком магнитореологического эффекта при 25oC как функции напряженности магнитного поля для магнитореологических материалов, приготовленных в соответствии с примером 12 и со сравнительным примером 13.
Данное изобретение относится к магнитореологическому материалу, включающему жидкость-носитель и компонент частиц, отличающемуся тем, что компонент частиц модифицируют так, что поверхность компонента частиц является в основном свободной от продуктов загрязнения.
Продуктами загрязнения может конкретно быть любой посторонний материал, присутствующий на поверхности частицы, и продукты загрязнения являются обычно продуктами коррозии. Как установлено выше, образование продуктов коррозии на поверхности магнитно-активной частицы является результатом как химических, так и электрохимических реакций поверхности частицы с водой и атмосферными газами, также как и с электролитами и частицами, или загрязнениями, которые либо присутствуют в атмосфере, либо остаются в виде остатка во время приготовления или обработки частиц. Примеры атмосферных газов, обычно включенных в этот процесс деградации поверхности, включают O2, SO2, H2S, NH3, NO2, NO, CS2, CH3SCH3 и COS. Хотя металл может противостоять воздействию одного или более из этих атмосферных газов, поверхность металла обычно реагирует с несколькими из этих газов. Примеры химических элементов, загрязняющих поверхность металлических частиц в результате известных способов и технологий обработки порошка, включают углерод, серу, кислород, фосфор, кремний и марганец. Примеры атмосферных частиц или загрязнений, принимающих участие в образовании продуктов коррозии на различных металлах, включают пыль, воду или влажность, шлам, углерод и соединения углерода или сажу, окислы металла (NH4)SO4, различные соли (например, NaCl и так далее) и коррозивные кислоты, такие как соляная кислота, серная кислота, азотная кислота и хромовая кислота. Является нормальным, что коррозия металла имеет место в присутствии комбинации нескольких из этих атмосферных газов и загрязнений. Присутствие твердых частиц, таких как пыль, шлам или сажа на поверхности металла, увеличивает скорость деградации из-за их способности удерживать коррозивные реагенты, такие как влажность, соли и кислоты. Более подробное обсуждение атмосферной коррозии железа и других металлов проведено H. Uhlig и R. Revie в "Corrosion and Corrosion Control" (John Wiley & Sons, New York, 1985), полное содержание которой включено сюда путем упоминания.
Несомненная деградация поверхности металла, экспонированного в атмосфере, обычно продолжается до тех пор, пока либо продукт коррозии совершенно не покроет или инкапсулирует частицу, либо пока весь объем частицы не прореагирует с загрязнениями. Продукты коррозии могут быть либо компактными и прочно прилипшими к поверхности металла, либо слабо связанными с поверхностью металла в виде порошка, пленки, чешуи или окалины. Наиболее распространенные типы коррозии включают различные формы слоев окислов металлов, которые иногда упоминаются как ржавчина, окалина или прокатная окалина.
Данное изобретение основывается на открытии, что удаление продуктов загрязнения с поверхности магнитно-поляризующейся частицы делает частицу особенно эффективной при создании магнитореологического материала, который способен проявлять высокие пределы текучести. Продукты загрязнения могут быть эффективно удалены с поверхности металлических частиц с помощью обработки абразивом, химической обработки или их комбинации. Чтобы быть эффективными, эти технологии должны использоваться во время приготовления магнитореологического материала (in situ) или непосредственно, либо перед приготовлением магнитореологического материала, либо непосредственно перед нанесением защитного слоя или покрытия на частицу.
Обработка абразивом включает физическое или механическое удаление продуктов загрязнения путем столкновения с высокой скоростью поверхности магнитно-активных частиц с абразивными средствами. Эти абразивные средства могут либо быть абразивной добавкой к магнитореологическому материалу, либо образовывать шлифовальные средства, используемые только для способствования обработки.
Абразивная добавка изобретения должна быть материалом, способным достаточно обработать магнитореологическую частицу так, чтобы в основном удалить продукты загрязнения с поверхности частицы. Абразивная добавка должна, следовательно, обладать достаточной степенью твердости или шероховатости так, чтобы эффективно обработать поверхность магнитореологической частицы. Различные типы абразивных материалов, способных удалять продукты загрязнения с поверхности металла, хорошо известны специалистам в области трибологии или суперабразивов, и могут быть использованы в качестве абразивных добавок данного изобретения. Абразивные добавки изобретения обычно находятся в форме порошка и могут состоять из различных материалов, таких как оксиды алюминия, хрома, циркония, гафния, титана кремния и магния, карбиды, нитриды и бориды алюминия, кремния и бора, и металлокерамики, такие как WC-Co и Ni-Cr -Al2O3, также как и их комбинации. Конкретные примеры абразивных добавок включают алмазную пыль, гранат, корунд, окись алюминия, черный минеральный шлак. Cr2O3, HfO2, TiO2, MgO, стекло, песок, окись кремния, силикаты алюминия, пемзу, красный полировальный порошок, паждак, полевой шпат, SiC, B4C, BN, Si3N4, AlN, окись церия и литейный глинозем, также как и другие огнеупорные или керамические абразивы.
Окислы железа, как обнаружено, являются эффективными в качестве абразивных добавок для целей данного изобретения. Конкретно, было обнаружено, что относительно твердые окислы железа могут быть использованы в комбинации с относительно мягкими порошками железа, так что продукты загрязнения удаляются с поверхности железа с помощью окислов железа. Необходимо заметить, что хотя и используемые в относительно малых количествах в магнитореологическом материале в целом, окислы железа являются магнитно-активными и функционируют также в качестве дополнительных магнитореологических частиц в комбинации с железом. Окисел железа включает все известные чистые окислы железа, такие как Fe2O3 и Fe3O4, а также те, которые содержат малые количества других элементов, таких как марганец, цинк или барий. Конкретные примеры окиси железа включают ферриты и магнетиты с ферритами, являющимися предпочтительными.
Окись кремния, пригодная для использования в качестве абразивной добавки, должна быть гидрофобной. Другими словами, поверхность окиси кремния должна быть обработана так, чтобы содержать минимальное количество гидроксильных функциональных групп, и окись кремния должна быть относительно свободной от адсорбированной влажности. Важно, чтобы поверхность окиси кремния была химически обработана, чтобы быть гидрофобной, поскольку обнаружено, что обычная сушка в других случаях гидрофильной окиси кремния (например, силикагеля, такого как поставляет PPG Industries под торговой маркой HI-SIL 233) не является для создания гидрофобной окиси кремния для целей данного изобретения. Хотя это полностью не понято, предполагают, что избыток адсорбированной влажности и/или гидроксильных функциональных групп не дает возможности гидроксильной окиси кремния обеспечивать в достаточной степени обработанную абразивом поверхность компонента частиц.
Гидрофобная окись кремния данного изобретения может быть приготовлена путем реакции гидроксильных групп на поверхности окиси кремния с различными органофункциональными мономерными силанами или с веществами, связывающими силаны, такими как гидроксисиланы, ацилоксисиланы, эпоксисиланы, оксимесиланы, алкоксисиланы, хлорсиланы и аминосиланы, как это известно из литературы. Гидроксильные группы на поверхности окиси кремния могут также реагировать с полимерными соединениями, такими как силиконовые масла, минеральные масла и парафиновые масла. Модификация поверхности окиси кремния различными материалами, чтобы сделать окись кремния гидрофобной, описана W. Noll в "Chemistry and Technology of Silicones" Academic Press, Inc. New. Jork, 1968 и E.P. Plueddemann b "Silane Coupling Agents", Plenum Press, New Jork 1982, полное содержание обеих книг включено сюда полностью путем упоминания. Конкретные примеры гидрофобных окислов кремния включают те, которые коммерчески доступны под торговыми названиями AEROSII и CABOSIL от Degussa Corporation и Cаbot Corporation соответственно.
Предпочтительные абразивные добавки данного изобретения включают гидрофобную окись кремния, окислы железа и окись алюминия из-за принципиальной возможности вносить вклад в образование тиксотропной сетки, как описано далее. Окислы железа являются особенно предпочтительными из-за их магнитореологической активности и относительно высокого удельного веса.
Диаметр абразивных добавок, используемых здесь, может находиться в пределах от приблизительно 0,001 до 50,0 мкм, предпочтительно от приблизительно 0,001 до 20 мкм, с приблизительно от 0,001 до 5,0 мкм, являющимися особенно предпочтительными. Эти абразивные добавки обычно используют в количествах, находящихся в пределах от приблизительно 0,05 до приблизительно 10,0, предпочтительно от приблизительно 0,1 до приблизительно 5,0 с объемным содержанием от приблизительно 0,2 до приблизительно 3,0 об.%, являющимся особенно предпочтительным.
Чтобы быть эффективной, абразивная добавка должна сталкиваться с поверхностью магнитореологической частицы с кинетической энергией, достаточно большой для эффективного удаления продуктов загрязнения с поверхности частицы. Это осуществляется во время приготовления магнитореологического материала (in situ) непосредственно перед приготовлением магнитореологического материала или непосредственно перед нанесением защитного покрытия на частицу. Если это производится во время приготовления электрореологического материала, абразивную добавку объединяют с компонентом магнитореологических частиц, с жидкостью-носителем и с другими необязательными компонентами, полученную комбинацию ингредиентов сначала перемешивают вручную шпателем или чем-то подобным, а затем более тщательно перемешивают гомогенизатором, механическим миксером, механическим шейкером или соответствующим измельчающим устройством, таким как шаровая мельница: песочная мельница, растирающая мельница, коллоидная мельница, мельница для красок, галечная мельница, дробовая мельница, вибрационная мельница, вальцовая мельница, горизонтальная мельница для тонкого измельчения или им подобные (все вместе упоминаемые далее как "перемешивающие устройства").
Масса абразивной добавки, также как и скорость, достигаемая этой добавкой во время процесса диспергирования или перемешивания, является тем, что определяет максимальную кинетическую энергию, доступную для удаления продуктов загрязнения с магнитореологических частиц. Скорость абразивной добавки зависит от вязкости магнитореологического материала и от скорости, с которой работает перемешивающее устройство. Для типичного магнитореологического материала с вязкостью менее 1000 сП при 25oC достаточная скорость достигается с помощью абразивной добавки для эффективного удаления продуктов загрязнений с магнитореологических частиц, когда перемешивающее устройство работает при минимальной окружности скорости приблизительно 15 м/мин. Ингредиенты должны перемешиваться вместе или диспергироваться в течение достаточно долгого времени для достаточного удаления продуктов загрязнения с поверхности магнитореологической частицы. Увеличение скорости абразивной добавки обычно дает в результате уменьшение требуемого времени перемешивания или диспергирования. В целом, ингредиенты должны перемешиваться в течение периода времени, обычно находящегося в пределах от приблизительно 1 мин до 24 ч, предпочтительно в пределах от приблизительно 5 мин до 18 ч. Некоторое количество экспериментов может потребоваться для определения оптимальных параметров, которые сделают возможным эффективное удаление продуктов загрязнения с конкретной магнитореологической частицы.
Подтверждение достаточного удаления продуктов загрязнения с поверхности магнитореологической частицы может быть получено с помощью использования различных способов характеризации материала, известных специалистам по аналитической химии и анализу поверхности. Примеры нескольких известных способов для количественного/качественного детектирования атомных и/или молекулярных частиц включают нейтронно-активационный анализ: сканирующую ионную масс-спектрометрию (SIMS): методы с использованием рентгеновских лучей, такие как дифракция рентгеновских лучей на порошках, рентгеновская флюоресцентная спектроскопия (XRF), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) и электронную спектроскопию для химического анализа (ESCA), и методы микроскопии, такие как сканирующая туннельная микроскопия (STM), сканирующая электронная микроскопия (SEM), сканирующий оже-микроанализ (SAM), и электронный микроанализ пробы (EPMA). Микроскопия порошковых образцов обычно проводится с использованием процедуры микротомирования, хорошо известной специалистам.
Если продукты загрязнения должны быть удалены с поверхности магнитореологической частицы непосредственно, либо перед приготовлением магнитореологического материала, либо перед нанесением защитного материала, следует описанная выше процедура перемешивания, за исключением того, что используют только магнитореологические частицы и абразивную добавку. После процедуры перемешивания обработанные абразивом частицы могут непосредственно быть объединены с другими ингредиентами для приготовления магнитореологического материала или непосредственно быть покрыты защитным покрытием для предотвращения повторного образования продуктов коррозии. Под "непосредственно" обычно подразумевается, что обработанные абразивом частицы объединяют с другими ингредиентами магнитореологического материала или покрывают защитным покрытием в течение не более чем приблизительно 60 мин, предпочтительно не более чем приблизительно 30 мин, после завершения процедуры перемешивания, если частицы не хранятся в течение более долгого времени в атмосфере, свободной от загрязнений.
Продукты загрязнения также могут быть удалены с компонента частиц путем абразивной обработки с использованием различных шлифовальных средств в качестве вспомогательной обработки. Эта форма абразивной обработки может также быть произведена во время приготовления магнитореологического материала или непосредственно, либо перед приготовлением магнитореологического материалов, либо перед нанесением защитного покрытия на частицы. Тип шлифовальных средств и природа соответствующего оборудования, требующегося для производства этого процесса абразивной обработки, описаны как те, которые дают возможность уменьшения или изменения диаметра или размера компонента частиц. Конкретные типы соответствующих средств и оборудования хорошо известны специалистам в области производства красок и покрытий. Устройства, такие как гомогенизаторы, механические миксеры и шейкеры, которые не используют процессы типа помола и, следовательно, не способны уменьшать размер частиц, дают неадекватное удаление продуктов загрязнения с поверхности магнитореологических частиц для целей данного изобретения, если только описанная ранее абразивная добавка не используется в комбинации с этим устройством.
Примеры широко используемых шлифовальных средств для использования в качестве вспомогательной обработки включают шарики, бусинки, чешуйки, гальку, песок и дробь, состоящие из различных материалов, включая нержавеющую сталь, керамику, фарфор, кремень, высокоуглеродистую сталь, сталь с высоким содержанием марганца, литьевой сплав, никеля, низкоуглеродистую кованую сталь, карбид вольфрама, стекло, силикат циркония, окись циркония и окись алюминия. Примеры измельчающих устройств, широко использующих эти средства, или мельниц, которые используют эти типы шлифовальных средств, включают песочные мельницы, шаровые мельницы, растирающие мельницы, гелечные мельницы, дробовые мельницы, вибрационные мельницы, и горизонтальные мельницы для тонкого измельчения. Кроме того, шлифовальные средства могут быть в форме колеса, диска или лезвия, такого как обычно используют в вальцовых мельницах. Более подробное описание мельниц для измельчения различных сред есть у G. Tank и T. Patter в "Industrial Paint Finishing Technigues and Processes" (Ellis Horwood Limited, West Sussex, England, 1991) и Paint Flow and Pigment Dispersion" (2nd edition, John Wiloy & Sons, New York, 1979, соответственно полное содержание которых включено сюда путем упоминания.
Как и в случае с абразивными добавками, описанными выше, шлифовальные средства должны быть принуждены к столкновению с поверхностью магнитореологичеcкой частицы с кинетической энергией, достаточно высокой для достаточного удаления продуктов загрязнения с поверхности частицы. Именно масса шлифовальных средств, также как и скорость, достигаемая этими средствами во время процесса измельчения, является тем, что определяет максимальное значение кинетической энергии, доступной для удаления продуктов загрязнения с магнитореологических частиц. Скорость шлифовальных средств зависит от вязкости магнитореологического материала и скорости, с которой работает измельчающее устройство. Для типичного магнитореологического материала с вязкостью менее чем приблизительно 1000 сП при 25oC, достаточная скорость достигается шлифовальными средствами для удаления продуктов загрязнения с магнитореологических частиц тогда, когда измельчающее устройство работает с минимальной окружной скоростью приблизительно 91 м/мин. Ингредиенты должны перемешиваться вместе или диспергироваться в течение достаточно долго времени для достаточного удаления продуктов загрязнения с поверхности магнитореологической частицы. Увеличение скорости шлифовальных средств обычно дает в результате уменьшение требуемого времени измельчения. В целом, ингредиенты должны перемешиваться в течение периода времени, обычно заключенного в пределах от приблизительно 1 - 48 ч, предпочтительно от приблизительно 2 - 24 ч. Определенное количество экспериментов может быть необходимо для определения оптимальных параметров, которые дадут возможность эффективного удаления продуктов загрязнения с конкретной магнитореологической частицы.
Необходимо заметить, что абразивные добавки могут быть использованы в соединении со шлифовальными средствами и в этом случае эффективность соответствующего измельчающего устройства может быть увеличена из-за меньшей величины как времени, так и скорости измельчающего устройства, требующейся для удаления продуктов загрязнения с поверхности магнитореологической частицы.
Удаление продуктов загрязнения с поверхности магнитореологической частицы может также быть осуществлено с помощью способов химической обработки. Химическая обработка может проводиться во время приготовления магнитореологического материала (in situ) непосредственно перед приготовлением магнитореологического материала или непосредственно перед нанесением защитного покрытия на частицу. Способы или технологии химической обработки, применимые для удаления продуктов загрязнения во время приготовления магнитореологического материала, включают кислотную очистку, щелочную очистку, электролитическую очистку, ультразвуковую очистку и их комбинации, такие как объединение электролитической очистки со щелочной очисткой, широко используемое в промышленности гальванических покрытий. Примеры веществ для щелочной очистки, пригодных для данного изобретения, включают ортофосфаты щелочных металлов, конденсированные фосфаты, гидроксиды, карбонаты, бикарбонаты, силикаты и бораты. Вещества для щелочной очистки обычно используют в комбинации с поверхностно-активным веществом, как известно из литературы.
Примеры широко используемых для изобретения веществ для кислотной очистки включают органические кислоты, такие как лимонная, винная, щавелевая и глюконовая кислота, кислые соли, такие как фосфат натрия, персульфат аммония, соли бисульфата и бифторида натрия и неорганические кислоты, такие как серная кислота, фосфорная кислота и соляная кислота.
Кислотная и щелочная очистка во время приготовления магнитореологического материала может быть произведена путем добавления кислого или щелочного вещества для очистки к ингредиентам, используемым для приготовления магнитореологического материала, а затем тщательного перемешивания ингредиентов сначала вручную шпателем или чем-то подобным, а затем с помощью механического перемешивающего устройства. Кислотное или щелочное вещество для очистки обычно используют в количестве, заключенном в пределах от 0,1 до 5,0, предпочтительно, приблизительно от 0,5 до 3,0 вес.% от компонента частиц.
Электролитическая очистка или электроочистка во время приготовления магнитореологического материала обычно проводится путем приложения электрического тока к материалу для осуществления энергичного насыщения поверхности частиц газом и способствования выходу загрязнений. Электроочистка может быть либо катодной, либо анодной по природе. Эта технология обычно используется в соединении с кислотной или щелочной очисткой, как описано ранее.
Ультразвуковая очистка при приготовлении магнитореологического материала обычно производится путем прохождения звуковых волн с высокими частотами через материал. Эти ультразвуковые волны создают маленькие пузырьки газа в объеме носителя, который энергично очищает поверхность частиц. Эту технологию часто используют в сопряжении с кислотной или щелочной очисткой, как описано ранее.
Способы химической очистки, которые применимы для удаления продуктов загрязнения непосредственно, либо перед приготовлением магнитореологического материала, либо перед нанесением защитного покрытия, включают технологии, описанные выше для обработки in situ также, как и восстановление металла, плазменную очистку, ионное травление, очистка распылением и их комбинации. Восстановление металла обычно включает восстановление поверхности частиц путем реакции с молекулами в газовой фазе, такими как водород, при повышенной температуре. Из-за их способности давать очень чистые поверхности и контролировать удаление загрязнений, предпочтительными способами для удаления продуктов загрязнения с поверхности частиц перед приготовлением магнитореологического материала или нанесением защитного покрытия являются восстановление металлов или плазменная очистка.
Тщательное описание технологий химической очистки, описанных выше, дано B. Bhushan и B. Gupta в "Handbook of Tribology" McGraw-Hill, Inc. New. York, 1991, (далее упоминаемая как Bhushan), полное содержание которой включено сюда путем упоминания.
Как указано выше, непосредственно после удаления продуктов загрязнения с поверхности частиц с помощью либо обработки абразивом, либо химической обработки, либо их комбинации, на поверхность частицы может быть нанесено защитное покрытие. Для эффективной защиты поверхности частицы от повторного загрязнения продуктами загрязнения необходимо, чтобы защитное покрытие в достаточной степени, предпочтительно полностью, скрывало или инкапсулировало частицу. Защитные покрытия, которые в основном инкапсулируют частицу, должны быть отличными от изолирующих покрытий, таких, которые в настоящее время находятся на порошке карбонильного железа как восстановленный порошок карбонильного железа, поставляемый GAF Corporation под обозначениями "GQ-4" и "GS-6".
Изолирующие покрытия, находящиеся на изолированном восстановленном карбонильном железе, создаются с целью предотвращения контакта частица-частица и легко формируются путем измельчения частиц с частицами силикагеля. Изолирующие покрытия, следовательно, не инкапсулируют частицу в достаточной степени, так чтобы предотвратить образование продуктов загрязнения. Спорадическое покрытие поверхности частицы с помощью изолирующего покрытия можно увидеть на фотографиях, сделанных с помощью электронного микроскопа, представленных в статье J. Japka "Jroh Powder for Metal Injection Molding" (International Journal of Powder Metallurgy, 27(2), 107-114), полное содержание которой включено сюда путем упоминания. Неполное закрывание поверхности частиц покрытием обычно дает в результате ускоренного образования продуктов загрязнения с помощью процесса, описанного выше для твердых атмосферных частиц, таких как пыль и сажа. Окись железа, ранее описанная в литературе, как являющаяся пригодной для использования в качестве изолирующего покрытия, не может быть использована в качестве защитного покрытия для целей данного изобретения, потому что окись железа сама по себе является продуктом коррозии.
Защитные покрытия данного изобретения, которые являются эффективными для предотвращения образования продуктов загрязнения на поверхности магнитореологических частиц, могут быть получены из множества материалов, включая немагнитные металлы, керамики, термопластические материалы с высокими рабочими характеристиками, термореактивные полимеры, и их комбинации. Примеры термореактивных полимеров, пригодных для образования защитного покрытия, включают полиэфиры, полиимиды, фенопласты, эпоксиды, уретаны, резины и силиконы, в то время как термопластические полимерные материалы включают акрилы, целлюлозы, полифениленсульфиды, полихиноксиды, полиэфиримиды и полибензимидазолы. Типичные "нежелезные" металлы, пригодные для образования защитного покрытия, включают тугоплавкие переходные металлы, такие как титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам, медь, серебро, золото и свинец, олово, цинк, кадмий, интерметаллические сплавы на основе кобальта, такие как Co-Cr-W-C и Co-Cr-Mo-Si и интерметаллические сплавы на основе никеля, такие как Ni-Cu, Ni-Al, Ni-Cr, Ni-Mo-C, Ni-Cr-Mo-C, Ni-Cr-B-Si-C и Ni-Mo-Cr-Si. Примеры керамических материалов, пригодных для образования защитных покрытий, включают карбиды, нитриды, бориды и силициды тугоплавких переходных металлов, описанных выше, неметаллические оксиды, такие как Al2O3, Cr2O3, ZrO3, HfO2, TiO2, SiO2, BeO, MgO и ThO2, неметаллические неоксиды, такие как B4C, SiC, BN, Si3N4, AlN и алмаз и различные металлокерамики.
Тщательное описание различных материалов, обычно используемых для защиты металлических поверхностей от продуктов роста и коррозии, проделано C. Munger в "Corrosion Prevention by Protective Coatings" (National Association of Corrosion Engineers Houston, Texas, 1984), полное содержание которой включено сюда путем упоминания. Коммерчески доступный порошок железа, который инкапсулирован полиэфиримидным покрытием, производится под торговым названием ANCOR фирмой Hoeganaes.
Защитные покрытия данного изобретения могут быть нанесены с помощью технологий или способов, хорошо известных специалистам в трибологии. Примеры распространенных технологий покрытия включают как физическое осаждение, так и способы химического осаждения из паровой фазы. Физические технологии осаждения включают как физическое осаждение из паровой фазы, так и способы осаждения из жидкости или смачивания. Методология физического осаждения из паровой фазы включает прямое, реактивное, активированное реактивное и испарение с помощью ионного пучка, покрытие с помощью DC/RF диодного, переменного, триодного, тлеющего разряда с полным катодом, разряда с распылением ионов и дугового тлеющего разряда, прямое, покрытие с помощью пучка кластеров ионов и ионного пучка, DC/RF диодное, триодное распыление, магнетронное распыление с помощью тлеющего разряда, и распыление с помощью одиночного и двойного пучка ионов. Распространенные физические методологии с использованием жидкости или смачивания включают воздушное/безвоздушное распыление, погружение, вдавливание, электростатическое распыление, пиролиз с распылением, оплавление с распылением, ожижение, электрохимическое осаждение, химическое осаждение, такое как химическая конверсия (например, фосфатирование, хромирование, металлизация и так далее), неэлектрическое осаждение и химическое восстановление, образование интерметаллических соединений и технологии нанесения с использованием коллоидных дисперсий или золь-гель переходов. Методология химического осаждения из паровой фазы включает обычное осаждение, осаждение при низком давлении, лазерно-индуцированное, электронное, плазменно-усиленное осаждение, реактивно-импульсное химическое осаждение из паровой фазы, также как и химическую полимеризацию из паровой фазы. Подробное обсуждение этих различных процессов покрытия дано в Bhushan.
Из-за дополнительных производственных затрат, связанных с удалением продуктов коррозии с поверхности частиц перед приготовлением магнитореологического материала, предпочтительные способы абразивной обработки и химической обработки данного изобретения включают те, которые производятся во время приготовления магнитореологического материала. В этом отношении абразивная обработка обычно является предпочтительной перед химической обработкой.
Компонент магнитно-активных частиц, подлежащий модификации по данному изобретению, может состоять из практически любого твердого материала, о котором известно, что он проявляет магнитореологическую активность, и который изначально образует продукт загрязнения на своей поверхности. Типичные компоненты частиц, пригодные для данного изобретения, состоят из, например, парамагнитных, суперпарамагнитных или ферромагнитных соединений. Конкретные примеры компонентов частиц, пригодных для данного изобретения, включают частицы, состоящие из материалов, таких как железо, нитрид железа, карбид железа, карбонильное железо, двуокись хрома, низкоуглеродистая сталь, кремнистая сталь, никель, кобальт и их смеси. Кроме того, компонент частиц может состоять из любого из сплавов железа, таких как те, которые содержат алюминий, кремний, кобальт, никель, ванадий, молибден, хром, вольфрам, марганец и/или медь. Компонент частиц также может состоять из конкретных сплавов железо-кобальт и железо-никель, описанных в заявке на патент США, озаглавленной "Магнитореологические материалы на основе частиц сплавов", зарегистрированной одновременно заявителями J.D. Carlson и K.D. Weiss, и также предназначенной для данного представления, полное описание которой включено сюда путем упоминания.
Компонент частиц обычно находится в форме порошка, который может быть получен с помощью способов, хорошо известных специалистам. Типичные способы для приготовления порошков металлов включают восстановление окислов металлов, шлифование или растирание, электролитическое осаждение, расхождение карбонила металла, быстрое отверждение или получение из расплава. Различные порошки металлов являются коммерчески доступными, включая непосредственно полученные порошки железа, порошки восстановленного железа, порошки изолированного восстановленного железа и порошки кобальта. Диаметр частиц, используемых в них, может изменяться от приблизительно 0,1 до 500 мкм, а предпочтительно в пределах от приблизительно 1,0 до 50 мкм.
Предпочтительными частицами данного изобретения являются непосредственно полученные порошки железа, порошки восстановленного железа, порошки сплава железо-кобальт и порошки сплава железо-никель.
Компонент частиц обычно составляет от приблизительно 5 до 50, предпочтительно от приблизительно 15 до 40 об.% всего состава, в зависимости от желаемой магнитной активности и вязкости материала в целом.
Жидкость-носитель магнитореологического материала данного изобретения может быть любой жидкостью-носителем или средством, ранее описанным для использования в магнитореологических материалах, таким как минеральные масла, силиконовые масла и парафиновые масла, описанные в патентах, представленных выше. Дополнительные жидкости-носители, соответствующие изобретению, включают светлые масла на сополимерах кремния, гидравлические масла, хлорированные углеводороды, трансформаторные масла, галогенированные жидкие ароматические соединения, галогенированные парафины, диэфиры, полиоксиалкилены, перфторированные полиэфиры, фторированные углеводороды, фторированные силиконы и их смеси. Как известно, трансформаторные масла, относятся к тем жидкостям, которые имеют характерные свойства как электрической, так и тепловой изоляции. Трансформаторные масла природного происхождения включают рафинированные минеральные масла, которые имеют низкую вязкость и высокую химическую стабильность. Синтетические трансформаторные масла обычно содержат хлорированную ароматику (хлорированные бифенилы и трихлорбензол), которые все вместе известны как "аскарели", силиконовые масла и жидкие эфиры, такие как дибутилсебакаты.
Дополнительные жидкости-носители, пригодные для использования в данном изобретении, включают кремниевые сополимеры, заторможенные эфирные соединения и цианоалкилсилоксановые гомополимеры, описанные в соответствующей заявке на патент США N 07/942549, зарегистрированной 9 сентября 1992 г и озаглавленной "Электрореологические материалы с низкой проводимостью и высоким напряжением пробоя", полное описание которой включено сюда путем упоминания. Жидкость-носитель данного изобретения может также быть модифицированной жидкостью-носителем, которую модифицируют с помощью глубокой очистки или путем образования смешивающегося раствора с жидкостью-носителем с низкой проводимостью так, чтобы обеспечить модифицированную жидкость-носитель, имеющую проводимость, меньшую чем приблизительно 1•107 с/м. Детальное описание этих модифицированных жидкостей-носителей можно найти в заявке на патент США, озаглавленной "Модифицированные электрореологические материалы, имеющие минимальную проводимость", зарегистрированную 16 октября 1992 г заявителями B.C. Munoz, S.R. Wasserman, I.D. Carlson и K.D. Weiss и предназначенную также для данного представления, полное описание которой включено сюда путем упоминания.
Полисилоксаны и перфторированные полиэфиры, имеющие вязкость между приблизительно 3 и 200 сП при 25oC, также являются пригодными для использования в магнитореологическом материале данного изобретения. Подробное описание этих полисилоксанов с низкой вязкостью и перфторированных полиэфиров дано в заявке на патент США, озаглавленной "Магнитореологические материалы с низкой вязкостью", зарегистрированной одновременно с данной заявителями K.D. Weiss, I. D. Carlson и T.G. Duclos и также предназначенной для данного представления, полное содержание которой включается сюда путем упоминания. Предпочтительные жидкости-носители данного изобретения включают минеральные масла, парафиновые масла, силиконовые масла, кремниевые сополимеры, и перфторированные полиэфиры, с силиконовыми маслами и минеральными маслами, являющимися особенно предпочтительными.
Жидкость-носитель магнитореологического материала данного изобретения должна иметь вязкость при 25oC, которая составляет между приблизительно 2 и 1000 сП, предпочтительно между приблизительно 3 и 200 сП, с вязкостью между приблизительно 5 и 100 сП, являющейся особенно предпочтительной. Жидкость-носитель данного изобретения обычно используется в количестве, находящемся в пределах от приблизительно 50 до 95, предпочтительно от приблизительно 60 до 85 об.% от всего магнитореологического материала.
Осаждение частиц может быть минимизировано в материалах данного изобретения путем образования тиксотропной сети. Тиксотропная сетка определяется как суспензия частиц, которая при малых скоростях сдвига образует рыхлую сеть или структуру, иногда упоминаемую как кластеры или флоккуляты. Присутствие этой трехмерной структуры придает малую степень жесткости магнитореологическому материалу, тем самым уменьшая осаждение частиц. Однако, когда сдвиговое усилие прикладывают при легком встряхивании, эта структура легко разрушается или диспергируется. Когда сдвиговое усилие убирают, рыхлая секта восстанавливается через некоторое время.
Тиксотропная сетка или структура образуется при использовании тиксотропных веществ, связывающих водород, и/или окислов металлов, модифицированных полимерами. Коллоидные добавки могут также быть использованы для способствования в образовании тиксотропной сетки. Образование тиксотропной сетки, использующей тиксотропные вещества, связывающие водород, окислы металлов, модифицированные полимерами, и коллоидные добавки, далее описано в заявке на патент США, озаглавленной "Тиксотропные магнитореологические материалы", зарегистрированной одновременно с данной заявкой заявителями K.D. Weiss, D.A. Dixon, I.D. Carlson и A.I. Margiela и также, предназначенной для данного представления, полное содержание которой включается сюда путем упоминания.
Образование тиксотропной сетки данного изобретения может облегчаться путем добавления связывающих водород молекул с низким молекулярным весом, таких как вода и другие молекулы, содержащие гидроксильную, карбонильную или аминофункциональную группу. Типичные молекулы с малым молекулярным весом, связывающие водород, но иные чем вода, включают метиловый, этиловый, пропиловый, изопропиловый, бутиловый, и гексиловый спирты, этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль, глицерол, алифатические, ароматические и гетероциклические амины, включая первичные, вторичные и третичные аминоспирты, и аминоэфиры, которые имеют от 1 до 16 атомов углерода на молекулу, метил-, бутил-, октил-, додецил-, гексадецил-, диэтил-, диизопропил-, и дибутиламины, этаноламин, пропаноламин, этоксиэтиламин, диоктиламин, триэтиламин, триметиламин, трибутиламин, этилендиамин, пропилен-диамин, триэтаноламин, триэтилентетрамин, пиридин-, морфолин, имидазол и их смеси. Молекулы с низким молекулярным весом, связывающие водород, если их используют, обычно употребляются в количестве, находящемся в пределах от приблизительно 0,5 до 0,5 вес.% по отношению к весу компонента частиц.
Дополнительное поверхностно-активное вещество для более адекватного диспергирования компонента частиц может необязательно быть использовано в данном изобретении. Такие поверхностно-активные вещества включают известные поверхностно-активные вещества или диспергирующие вещества, такие как ферроолеат и нафтенат, сульфонаты, фосфатные эфиры, глицеролмоноолеат, сорбитансесколеат, стеараты, лаураты, жирные кислоты, жирные спирты и другие поверхностно-активные вещества, обсужденные в патенте США N 3047507 (включенные сюда путем упоминания). Щелочные мыла, такие как стеарат лития и стеарат натрия, и металлические мыла, такие как тристеарат алюминия, и дистеарат алюминия, также могут в настоящее время быть использованы в качестве поверхностно-активного вещества. Кроме того, необязательное поверхностно-активное вещество может состоять из стеарически стабилизирующихся молекул, включая фторалифатические полимерные эфиры, такие как FC - 430 (3М Corporation) и из титанатных, алюминатных или цирконатных связывающих веществ, таких как KEN-REACT® (Kenrich petrochemicals, Inc.), связывающие вещества. Наконец, преципитированный силикагель, такой как тот, который описан в патенте США N 4992190 (включен сюда путем упоминания), может использоваться для диспергирования компоненты частиц. В порядке уменьшения присутствия влажности в магнитореологическом материале, является предпочтительным, чтобы преципитированный силикагель, если его используют, был высушен в конвекционной печи при температуре от приблизительно 110 до 150oC в течение периода времени от приблизительно 3 до 24 ч.
Поверхностно-активное вещество, если его используют, предпочтительно является "высушенным" силикагелем, фторалифатическим полимерным эфиром, фосфатным эфиром или связывающим веществом. Необязательное поверхностно-активное вещество может быть использовано в количестве, находящемся в пределах от приблизительно 0,1 до 20 все.% по отношению к весу компонента частиц.
Приготовление магнитореологических материалов данного изобретения, где продукты загрязнения удалены с поверхности магнитореологической частицы in situ, описано ранее. Если продукты загрязнения удаляют с частицы, либо перед приготовлением магнитореологического материала, либо перед нанесением защитного покрытия, магнитореологические материалы данного изобретения могут быть приготовлены путем простого совместного перемешивания жидкости-носителя, предварительно обработанного компонента частиц и любых необязательных ингредиентов.
Ингредиенты магнитореологических материалов могут сначала быть перемешаны вместе вручную шпателем или чем-то подобным, а затем после этого более тщательно перемешаны гомогенизатором, механическим миксером, механическим шейкером или соответствующим измельчающим устройством, таким как шаровая мельница, песочная мельница, коллоидная мельница, мельница для красок, галечная мельница, дробовая мельница, вибрационная мельница, вальцовая мельница, горизонтальная мельница для тонкого измельчения или подобными в порядке создания более стабильной суспензии. Условия перемешивания для приготовления магнитореологического материала, использующего магнитореологические частицы, с которых продукты загрязнения предварительно удалены, могут быть несколько менее жесткими, чем условия для приготовления и in situ удаления продуктов загрязнения.
Оценка механических свойств и характеристик магнитореологических материалов данного изобретения, также как и других магнитореологических материалов, может быть получена с использованием реометрии с параллельными пластинами или концентрическими цилиндрами и потоком Куэтта. Теории, которые обеспечивают основу для этих методик, адекватно описаны S. O'ka в Rheology, Theory and Applications (volume 3, F.R. Eirich, ed. Academic, Press: New. York 1960), полное содержание которой включается сюда путем упоминания. Информация, которая может быть получена с помощью реометра, включает данные, относящиеся к механическому напряжению, сдвига как функции величины сдвигановой скорости. Для магнитореологических материалов данные зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига могут моделироваться по модели пластического течения Бингхэма в порядке определения динамического напряжения текучести и вязкости. В рамках этой модели динамическое напряжение текучести для магнитореологического материала соответствует пересечению подгоночной кривой линейной регрессии экспериментальных данных с вертикальной осью соответствующего графика. Магнитореологический эффект при конкретном магнитном поле может далее быть определен как разность между динамическим напряжением текучести при этом магнитном поле и динамическим напряжением текучести, измеренным в отсутствие магнитного поля. Вязкость магнитореологического материала соответствует крутизне подгоночной кривой линейной регрессии для экспериментальных данных.
В конфигурации ячейки, с концентрическими цилиндрами магнитореологический материал помещают в круговой зазор, образованный между внутренним цилиндром радиуса R1 и внешним цилиндром радиусом R2, в то время как в простой конфигурации параллельных пластин материал помещают в плоский зазор между верхней и нижней пластинами, имеющими обе радиус Rа. В этих методиках любая, либо из пластин, либо из цилиндров, затем вращается с угловой частотой ω , в то время как другая пластина или цилиндр поддерживается неподвижной. Магнитное поле может быть приложено в этих конфигурациях ячеек поперек зазора, заполненного жидкостью, либо радиально, для конфигурации концентрических цилиндров, либо аксиально, для конфигурации параллельных пластин. Соотношение между напряжением сдвига и скоростью сдвига затем получают их этой угловой частоты и момента T, приложенного для противостояния вращению.
Последующие примеры даны для иллюстрации изобретения и не могут рассматриваться как ограничивающие рамки изобретения.
Примеры 1 и 2.
В примере 1 магнитореологический материал готовят путем медленного добавления общего количества 117,9 г порошка карбонильного железа (Sigma Chemical Company) и смеси 3,54 г 11 н раствора фосфорной кислоты, который готовят, используя фосфорную кислоту (99% Aldrich Chemical Company) и дистиллированную воду 38,95 г 20 cstk минерального масла DRAKEOL 10, Pennzoil Prosucts Company). Температуру магнитореологического материала поддерживают во время этой начальной процедуры смешивания в пределах температур от приблизительно 30 до 45oC. Жидкость сначала смешивают вручную шпателем (малый сдвиг), а затем более тщательно диспергируют в гомогенную смесь с помощью использования высокоскоростного диспергатора (большой сдвиг), снабженного 16-зубцовой вращающейся головкой. Весовое количество химически обработанных частиц железа в магнитореологическом материале эквивалентно объемной доле приблизительно 0,30. Магнитореологический материал хранят в полиэтиленовом контейнере.
В примере 2 магнитореологический материал готовят в соответствии с процедурой, описанной в примере 1. Однако в этом примере раствор фосфорной кислоты заменяют 3,54 г 11 н раствора серной кислоты, который готовят, используя серную кислоту (95-98%, Aldrich Chemical Company) и дистиллированную воду. Количество минерального масла подбирают, чтобы поддерживать объемную долю частиц в магнитореологическом материале в 0,30. Магнитореологический материал хранят в полиэтиленовом контейнере.
Сравнительный пример 3
В примере 3 магнитореологический материал готовят согласно процедуре, описанной в примере 1. Однако в этом примере смешивают вместе общее количество 117,9 г порошка карбонильного железа (Sigma Chemical Company), 2,35 г стеариновой кислоты (Aldrich Chemical Company) в качестве дисперсанта и 28,67 г 20 cstk минерального масла DRAKEOL 10, Pennzoil Prosucts Company). Весовое количество необработанных частиц железа в магнитореологическом материале эквивалентно объемной доле приблизительно 0,30. Обычный магнитореологический материал хранят в полиэтиленовом контейнере.
Магнитореологическая активность для примеров 1-3
Магнитореологические материалы, приготовленные в примерах 1, 2 и 3, оценивают с помощью использования реометрии на параллельных пластинах. Сводка данных по магнитореологическому эффекту, наблюдаемому для этих магнитореологических материалов при различных напряженностях магнитного поля и при 25oC, представлена в табл. 1. Значительно более высокий магнитореологический эффект наблюдается для магнитореологических материалов, использующих частицы, где продукты загрязнения удаляют с помощью химической обработки (примеры 1 и 2), по сравнению с магнитореологическим материалом, содержащим обычные необработанные частицы (пример 3). При напряженности магнитного поля 5000 Э магнитореологический эффект, проявляемый магнитореологическими материалами, содержащими химически обработанные частицы, приблизительно на 71% больше, чем тот, который проявляет обычный магнитореологический материал.
Пример 4
Магнитореологический материал готовят путем смешивания вместе общего количества 123,2 г порошка карбонильного железа (Sigma Chemical Company), 2,46 г стеариновой кислоты (Aldrich Chemical Company) в качестве дисперсанта и 34,20 200 cstk силиконового масла (Dow Corning Corporation). Это весовое количество частиц железа эквивалентно объемной доле в магнитореологическом материале, составляющей приблизительно 0,30. Жидкость превращают в гомогенную смесь, используя растирающую мельницу. Union Process, 01 HD, снабженную емкостью в 110 см3. Шлифовальные средства, используемые в этой растирающей мельнице, находятся в форме шаров из нержавеющей стали. Эта мельница может уменьшать средний размер и распределение по размерам компонента частиц, когда соударяющиеся шлифовальные средства имеют высокую кинетическую энергию. Эти шлифовальные средства приобретают достаточную кинетическую энергию для удаления продуктов загрязнения с компонента частиц, когда приводной вал и крылья этой мельницы вращаются с окружной скоростью приблизительно 91 м/мин. Максимальная окружная скорость этой мельницы, как измерено, составляет приблизительно 182 м/мин. Магнитореологический материал агрессивно измельчается в этом абразивном процессе за период 48 часов с окружной скоростью приблизительно 136 м/мин. Магнитореологический материал отделяют от шлифовальных средств и хранят в полиэтиленовом контейнере.
Сравнительный пример 5
Магнитореологический материал готовят согласно процедуре, описанной в примере 4. Однако в этом примере мельница работает с окружной скоростью приблизительно 76 м/мин в течение периода 96 ч. Вращение приводного вала и крыльев при этой угловой скорости не сообщает достаточной кинетической энергии для шлифовальных средств из нержавеющей стали для удаления продуктов загрязнения с поверхности компонента частиц. Обычный магнитореологический материал отделяют от шлифовальных средств и хранят в полиэтиленовом контейнере.
Магнитореологическая активность для примеров 1-3
Магнитореологические материалы, приготовленные в примерах 4 и 5, оценивают с помощью использования реометрии на параллельных пластинах. Сводка магнитореологического эффекта для этих магнитореологических материалов при различных напряженностях магнитного поля и при 25oC представлена в табл. 2. Значительно более высокий магнитореологический эффект наблюдается для магнитореологических материалов, использующих частицы, где продукты загрязнения удалены с помощью шлифовальных средств из нержавеющей стали в абразивном процессе (пример 4), по сравнению с магнитореологическим материалом, содержащим обычные частицы (пример 5). При напряженности магнитного поля 3000 Э магнитореологический эффект, проявляемый магнитореологическими материалами, содержащими частицы, модифицированные в абразивном процессе, имеет значение приблизительно на 69% большее, чем проявляет обычный магнитореологический материал.
Пример 6
Магнитореологический материал готовят путем добавления друг к другу общего количества 117,9 г порошка восстановленного железа (ATOMET 95G, Quebec Metal Powder Limited) 8,75 г порошка Mn/Zn феррита (# 3302-0, D. M. Steward Manufacturing Company) в качестве абразивной добавки, 2,53 г полиоксиэтилен/силиконового привитого сополимера (SILWET L 7500, Union Carbide Chemicals and Plastics Company, Inc.) в качестве тиксотропного вещества, и 29,13 г 10 cstk силиконового масла L-45, L-45 Union Carbide Chemicals and Plastics Company, Inc. Жидкость сначала смешивают вручную шпателем (слабый сдвиг), а затем более тщательно диспергируют в гомогенную смесь с помощью использования высокоскоростного диспергатора (сильный сдвиг), снабженного 16-зубцовой вращающейся головкой, и работающего при окружной скорости приблизительно 122 м/мин в течение приблизительно 5 мин. Весовое количество частиц железа в магнитореологическом материале эквивалентно объемной доле приблизительно 0,30. Присутствие абразивного порошка феррита в этом магнитореологическом материале эффективно удаляет продукты загрязнения с поверхности частиц железа. Магнитореологический материал, компонент частиц которого модифицируют путем обработки абразивом, хранят в полиэтиленовом контейнере.
Сравнительный пример 7
Магнитореологический материал готовят в соответствии с процедурой, описанной в примере 6, за исключением того, что абразивный порошок феррита исключается. Весовое количество компонента масла изменяют, чтобы оставить объемную долю частиц железа в магнитореологическом материале равной 0,30. Этот обычный магнитореологический материал хранят в полиэтиленовом контейнере.
Магнитореологическая активность для примеров 6 и 7
Магнитореологические материалы, приготовленные в примерах 6 и 7, оценивают, используя реометрию на параллельных пластинках. Сводка результатов по магнитореологическому эффекту, наблюдающихся для этих магнитореологических материалов при различных напряженностях магнитного поля и при 25oC, представлена в табл. 3. Значительно больший магнитореологический эффект наблюдается для магнитореологического материала, использующего частицы, где продукты загрязнения удалены с помощью присутствия абразива в процессе абразивной обработки (пример 6), по сравнению с магнитореологическим материалом, содержащим обычные частицы (пример 7). При напряженности магнитного поля 5000 Э магнитореологический эффект, проявляемый магнитореологическим материалом, содержащим частицы, модифицированные в процессе абразивной обработки, имеет значение приблизительно на 147% большее, чем то, которое проявляется обычным магнитореологическим материалом.
Примеры 8-10
В примере 8 магнитореологический материал готовят путем добавления друг к другу общего количества 117,9 г непосредственно полученного порошка железа (MICROPOW DER S-1640, GAF Chemicals Corporation), 1,18 г карбида бора (99% Johnson Matthey Company) в качестве абразивной добавки, 2,36 г органомодифицированного полидиметилсиликсанового сополимера (SILWET L 7500, Union Carbide Chemicals and Plastics Company, Inc, в качестве тиксотропного вещества, связывающего водород, и 27,55 г 10 cstk силиконового масла (L-45 Union Carbide Chemicals and Plastics Company, Inc).
Жидкость сначала смешивают вручную шпателем (слабый сдвиг), а затем более тщательно диспергируют в гомогенную смесь с помощью использования высокоскоростного диспергатора (сильный сдвиг), снабженного 16-зубцовой вращающейся головкой и работающего при окружной скорости приблизительно 122 м/мин в течение приблизительно 5 мин. Весовое количество частиц железа в магнитореологическом материале эквивалентно объемной доле приблизительно 0,32. Присутствие абразивной добавки в этом магнитореологическом материале эффективно удаляет продукты загрязнения с поверхности частиц железа. Магнитореологический материал, компонент частиц которого модифицирован с помощью процесса абразивной обработки, хранят в полиэтиленовом контейнере.
Магнитореологические материалы готовят в примерах 9 и 10 согласно процедуре, описанной в примере 8. Однако в примере 9 порошок карбида бора заменяют 1,51 г порошка карбида кремния (альфа, 99,8%, Johnson Matthey Company) в качестве абразивной добавки. В примере 10 абразивная добавка заменяется 2,43 г порошка окисла железа (11,111) (97% Johnson Matthey Company). Весовое количество частиц железа в каждом из магнитореологических материалов эквивалентно объемной доле приблизительно 0,32 . Магнитореологические материалы, частицы которых модифицируются путем процесса обработки абразивом, хранят в полиэтиленовом контейнере.
Сравнительный пример 11
Магнитореологический материал готовят в соответствии с с процедурой, описанной в примере 8. Однако в данном случае абразивную добавку не включают а магнитореологический материал. Количество масла-носителя соответственно увеличивают, обеспечивая, чтобы объемная доля частиц железа в магнитореологическом материале составляла приблизительно 0,32. Обычный магнитореологический материал хранят в полиэтиленовом контейнере.
Магнитореологическая активность для примеров 8-11
Магнитореологические материалы, приготовленные в примерах 8, 9, 10 оценивают, используя реометрию на параллельных пластинках. Сводка результатов по магнитореологическому эффекту, наблюдаемых для этих магнитореологических материалов при различных напряженностях магнитного поля и при 25oC, представлена в табл. 4. Значительно более высокий магнитореологический эффект наблюдают для магнитореологических материалов, использующих частицы, где продукты загрязнения удаляются в присутствии абразивной добавки или частиц окисла железа в процессе абразивной обработки (примеры 8-10), по сравнению с магнитореологическим материалом, содержащим обычные частицы (пример 11). При напряженности магнитного поля 3000 Э магнитореологический эффект, проявляемый магнитореологическим материалом, содержащими частицы, модифицированные в процессе обработки абразивом, имеет значение превышающее на 74% то, которое проявляется обычным магнитореологическим материалом.
Пример 12
Магнитореологический материал готовят путем добавления друг к другу общего количества 117,9 г порошка восстановленного железа (MICROPOWDER R-1430, GAF Chemicals Corporation) 1,90 г гидрофобной мелкодисперсной окиси кремния (CABOSIL TS -72, Cabot Corporation) и 29,95 г 10 cstk силиконового масла (L-45, Union Carbide Chemicals and Plasties Company, Inc). Жидкость сначала смешивают вручную шпателем (слабый сдвиг) а затем более тщательно диспергируют в гомогенную смесь, используя высокоскоростной диспергатор (сильный сдвиг), снабженный 16-зубцовой вращающейся головкой и работающий при окружной скорости приблизительно 122 м/мин в течение приблизительно 5 мин. Весовое количество частиц железа в магнитореологическом материале эквивалентно объемной доле приблизительно 0,32. Присутствие абразивного порошка гидрофобной окиси кремния в этом магнитореологическом материале эффективно удаляет продукты загрязнения с поверхности частиц. Магнитореологический материал, компонент частиц которого модифицируется в процессе абразивной обработки, хранят в полиэтиленовом контейнере.
Сравнительный пример 13
Магнитореологический материал готовят в соответствии с процедурой, описанной в примере 12, за исключением того, что порошок гидрофобной окиси кремния заменяют идентичным количеством гидрофобного дисперсанта на основе силикагеля (HI-SIL, 233, PPG Industries). Этот дисперсант на основе силикагеля, который ранее был описан в качестве дисперсанта в патенте США N 4992190, сушат в конвекционной печи при 130oC в течение 24 ч перед использованием. Этот магнитореологический материал содержит объемную долю частиц, равную 0,32. Этот обычный магнитореологический материал хранят в полиэтиленовом контейнере.
Магнитореологическая активность для примеров 12 и 13
Магнитореологические материалы, приготовленные в примерах 12 и 13, оценивают, используя реометрию на параллельных пластинках. Сводка результатов по магнитореологическому эффекту для этих магнитореологических материалов при различных напряженностях магнитного поля и при 25oC представлена на чертеже. Значительно более высокий магнитореологический эффект получают для магнитореологических материалов, использующих частицы, где продукты загрязнения удаляются с помощью присутствия абразивной гидрофобной добавки окиси кремния в процессе абразивной обработки (пример 12), по сравнению с магнитореологическим материалом, содержащим обычные частицы (пример 13). При напряженности магнитного поля 5000 Э магнитореологический эффект, проявляемый магнитореологическим материалом, содержащим частицы, модифицированные в процессе абразивной обработки, имеет значение, превышающее на приблизительно 167% значение, проявляемое обычным магнитореологическим материалом.
Как можно увидеть из предыдущих примеров, магнитореологические материалы, которые содержат компонент частиц, который модифицируется с помощью удаления изначальных продуктов загрязнения путем химической обработки или абразивной обработки, проявляют значительно более высокий магнитореологический эффект, чем обычные магнитореологические материалы.
В магнитореологическом материале, содержащем жидкость-носитель и магнитно-активные частицы, частицы модифицируют таким образом, что поверхность частицы является полностью очищенной от продуктов загрязнения. Продукты загрязнения удаляют с поверхности частицы путем обработки абразивом, химической обработки и их комбинации. Магнитореологический материал, содержащий частицы от продуктов загрязнения, проявляет значительно большие магнитореологические эффекты. 32 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.
| US, патент A, 4992190, H 01 F 1/28, 1991. |
