МАГНИТОЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛАСТОМЕР Российский патент 2016 года по МПК H01F1/28 

Изобретение относится к области композиционных магнитных материалов, конкретно к магнитоэлектрореологическим эластомерам, обратимо изменяющих свои физические характеристики под действием магнитного и электрического поля, и может быть использовано в машиностроении, электротехнике, приборостроении.

Управляемые материалы, в частности, магнитореологические и электрореологические материалы могут использоваться для создания управляемых демпфирующих устройств, устройства крепления с переменной жесткостью двигателя в автомобиле, управления и подстройки зеркал в автомобиле, могут применяться в электроприводах и использоваться при создании искусственных мышц в роботостроении.

Основным свойством магнитоэлектрореологического эластомера (МЭР-эластомера) является его способность значительно изменять вязкоупругие свойства при воздействии на него магнитного и/или электрического полей.

При одновременном воздействии магнитных и электрических полей эластомер в большей степени изменяет свои вязкоупругие свойства, чем при раздельном воздействии на него магнитного и электрического поля. Кроме того, существуют технические устройства, в которых невозможно использовать магнитные или электрические поля максимально возможной величины. Например, когда существуют ограничения по массо-габаритным параметрам, например в авиации или космических аппаратах, когда размеры и вес электромагнита в конструкции с магнитореологическим эластомером ограничен, а устройства с электрореологическим эластомером не показывают достаточного реологического эффекта.

Известен электрореологический эластомер (Заявка на изобретение Китая CN 102250471 (А), опубликована 23.11.2011 г.) на основе трансформаторного масла, силиконового каучука и крахмала. Электрореологическую жидкость, состоящую из частиц крахмала и трансформаторного масла, диспергируют в смеси жидкого силиконового каучука и силиконового масла. Электрореологический эластомер получается полимеризацией смеси с или без электрического поля, которое прикладывается к форме. Материал отличается тем, что трансформаторное масло всегда представляет собой жидкую фазу в процессе затвердевания силиконовой резины. Одной из особенностей данного композита является то, что капли трансформаторного масла всегда находятся внутри композита в жидком состоянии. Эластомер обладает хорошими электрореологическими свойствами. Модуль упругости в электрическом поле возрастает в 5 раз.

Недостатком технического решения является отсутствие магнитореологического эффекта, т.е. эластомер не изменяет свои упругие свойства под действием магнитных полей.

Известен магнитореологический эластомер (патент США US 7261834, опубликован 28.08.2007), который содержит намагничиваемые частицы с размером от приблизительно 0,01 до 700 мкм в матрице в количестве примерно от 10 до 95% по массе. Намагничивающиеся частицы могут быть покрыты, чтобы уменьшить коррозию и/или для улучшения сцепления между частицей и матрицей.

Намагничивающиеся частицы могут иметь чешуйчато-образную форму. Эластомер полимерной матрицы должен быть эластичный с величиной удлинения более 200%. Такие полимеры могут включать полиизопрены, гидрированные нитрильные каучуки, бутадиеновые каучуки, акрилонитрил бутадиена, изобутилен, изопрены, полиметилсилоксановые эластомеры, полиуретаны, сополимер этилена, акриловые эластомеры, перфторэластомеры, фторуглероды, фенильные силоксаны и их смеси.

Недостатком материала является то, что он не проявляет электрореологических свойств.

Таким образом, из уровня техники неизвестно материалов, способных изменять вязкоупругие свойства при одновременном воздействии магнитных и электрических полей.

Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, является создание управляемого эластомера, способного изменять вязкоупругие свойства за счет воздействия как магнитных, так и электрических полей, прикладываемых раздельно или совместно.

Технический результат достигается в композиционном магнитном эластомере, который состоит из полимерной матрицы (где полимер выбран из ряда: натуральный каучук, акрилатный каучук, бутадиен-нитрильный каучук, бутадиеновый каучук, бутадиен-стирольный каучук, бутилкаучук, винилпиридиновый каучук, изопреновый каучук, карбоксилатный каучук, кремнийорганический каучук, полисульфидный каучук, уретановый каучук, фторкаучук, хлоропреновый каучук, хлорсульфированный полиэтилен, этилен-пропиленовый каучук) и наполнителя из магнитных проводящих частиц (например, Fe, FeNi, Со, Ni, FeNdB, SmCo, Alniko и т.п.) с размерами от десятков нанометров до десятков микрон. При этом каждая частица магнитного наполнителя покрыта, по крайней мере, одной диэлектрической оболочкой, и/или, по крайней мере, одной полимерной поляризующейся оболочкой. Материал диэлектрической оболочки предпочтительно выбирают из ряда оксидов, фосфатов, сульфатов, сульфидов материала наполнителя. В качестве материала для изготовления диэлектрической оболочки могут использоваться полимеры, в том числе и имеющие в своем составе полярные группы, в результате чего в целом оболочка будет обладать поляризуемыми свойствами. Предпочтительно поляризующуюся оболочку выполнить на основе полимеров с полярными группами.

Благодаря варьированию рецептуры компонентов и их соотношения получаемые эластомеры могут иметь в вулканизованном состоянии различное физическое состояние: от гелеобразного и эластомерного до стеклообразного. В ходе синтеза композитного материала, компоненты подбирают таким образом, чтобы его модуль упругости Юнга лежал в интервале 1-1000 кПа, предпочтительнее 10-200 кПа. Концентрация в композитном материале магнитного наполнителя С_н составляет от 10 до 90% масс. Композитный материал может быть синтезирован с анизотропными свойствами путем наложения магнитного или электрического поля на форму с материалом в процессе полимеризации, что приводит к возникновению предпочтительного направления проявления магнитореологического и электрореологического эффектов при наложении управляющего поля в процессе эксплуатации в том же направлении поля, которое имело поле, приложенное и в процессе изготовления материала.

На Фиг. 1 приведен схематический вид внутренней структуры частиц наполнителя, изготовленных на основе железа, где 1 - железное ядро, 2 - оксидная пленка, 3 - полимерная оболочка.

На фиг. 2 показана зависимость модуля упругости от величины магнитного поля при различных деформациях (А=0,0015-9,23%).

На фиг. 3 приведена зависимость модуля упругости от электрического поля в присутствии магнитного поля величиной 200 мТл.

Изобретение осуществляется следующим образом. Исходный магнитный порошок, например, карбонильного железа, диспергируют в ацетоне или пропаноле с добавлением в смесь перекиси водорода и/или фосфорной кислоты, и/или пиросульфата натрия. После выдержки твердую фазу отфильтровывают и сушат на воздухе при 50 град. Далее порошок магнитного наполнителя с диэлектрической оболочкой диспергируют в растворе полимера и композицию высушивают при постоянном перемешивании, например, в вакуумном барабанном испарителе. На данной стадии используется растимая система полимер-растворитель. В другом варианте дисперсию магнитного наполнителя и полимерного раствора помещают в растворитель, не совмещающийся с раствором полимера. В этом случае получается суспензия композиции в растворителе, и испарение первого растворителя происходит внутри суспензии при нагревании, причем температура кипения второго растворителя должна быть выше температуры кипения первого растворителя, а наносимая полимерная оболочка должна быть нерастворима во втором растворителе. Например, дисперсию магнитного порошка в водном растворе метилцелюлозы или крахмала помещают в ксилол и интенсивно перемешивают. Получается дисперсии-эмульсия в ксилоле. Смесь нагревают при постоянном перемешивании до 110 градусов, при этом вода испаряется, а полимерная оболочка равномерно покрывает магнитную частицу. Полученную дисперсию отфильтровывают на фильтре от ксилола и высушивают в вакуумном шкафу. Подготовленный наполнитель смешивают с жидкой композицией силиконового каучука (например, марки СИЭЛ), разливают в формы и полимеризуют при температуре 150 град С в течение часа. При этом обеспечивается получение магнитоэлектрореологического эластомера.

Пример 1. Получение порошка с диэлектрической оболочкой. Сто грамм карбонильного железа (размером 3-5 мкм) диспергируют в пропаноле, добавляют 10 мл 30% перекиси водорода и 7 гр 40% раствора фосфорной кислоты. Смесь интенсивно перемешивают в течение часа, при этом возможен саморазогрев смеси. После окончания реакции, порошок отфильтровывают и сушат.

Пример 2. Получение порошка с диэлектрической оболочкой. Сто грамм карбонильного железа (размером 3-5 мкм) диспергируют в пропаноле, добавляют 4 мл 30% перекиси водорода и 10 гр пиросульфата натрия 4 гр 40% раствора фосфорной кислоты. Смесь интенсивно перемешивают в течение часа. После окончания реакции, порошок отфильтровывают и сушат.

Пример 3. Получение порошка с полимерной оболочкой. Порошок, полученный по пункту 1 или 2, диспергируют в 30 граммах 8% водного раствора карбоксиметилцелюлозы и сушат при постоянном перемешивании, например, в роторном испарителе.

Пример 4. Получение порошка с полимерной оболочкой. Порошок, полученный по пункту 1 или 2, диспергируют в 30 граммах 10% водного раствора крахмала. Полученную суспезию переносят в стакан с ксилолом и нагревают при постоянном перемешивании до 110 град. После испарения воды дисперсию фильтруют на вакуум-фильтре и сушат на воздухе при 50 градусов в течение суток.

Пример 5. Получение порошка с полимерной оболочкой. Порошок, полученный по пункту 1 или 2, диспергируют в растворе диметилсульфоксида (ДМСО), в котором было растворено 5 гр сополимера - полиакрилнитрил (ПАН). Далее к раствору полимера добавлялась вода с ионами фосфата. В ходе реакции осаждения полимер высаживался из раствора на поверхность порошка. После осаждения полимера на порошок, его отфильтровывали на фильтре и порошок сушили при 130 градусах.

Пример 6. Получение магнитоэлектрореологического эластомера. Активный наполнитель в количестве 100 гр смешивают в механической ступе с 25 граммами жидкого силиконового каучука. Смесь вакуумируют для избавления от пузырьков воздуха, заливают в формы и отверждают при 150 град в течение часа. Полученные цилиндры 25×2 мм исследуют на реологические свойства на реометре Anton Par-301, дополненного магнитоэлектрореологической ячейкой.

Основные зависимости вязкоупругих свойств полученного магнитоэлектрореологического эластомера при воздействии магнитного и электрических полей представлены на рисунках 2 и 3.

Варьирование концентрации магнитоэлектрореологического наполнителя в полимерной матрице осуществляется в интервале 10-90% масс.

Состав и свойства композитных материалов, приготовленных на основе силиконового каучука, и различных концентраций магнитного наполнителя представлены в таблице.

где: Е_н - модуль упругости в магнитном поле 200 мТл;

Е_э - модуль упругости в электрическом поле 2 кВ/мм;

Е_н+Е_э - модуль упругости при одновременном воздействии магнитного и электрического полей.

В таблице представлены свойства магнитоэлектрореологического эластомера, а именно, модуль упругости в исходном состоянии, модуль упругости в магнитном поле 200 мТл (Н=200 мТл), модуль упругости в электрическом поле напряженностью 2000 В/мм (Е=2 кВ/мм), модуль упругости (Е_н+Е_э) в магнитном поле 200 мТл и электрическом поле 2кВ/мм. В последней колонке приведены данные по изменению модуля упругости в магнитном и электрическом полях относительно исходного модуля упругости, в процентах. Как видно из представленных данных, оптимум концентрации наполнителя находится в интервале концентраций 70-80% масс. Максимальное абсолютное и относительное увеличение модуля упругости приходится на концентрацию наполнителя 75% масс. При увеличении и уменьшении концентраций реологический эффект уменьшается. При увеличении концентрации упругость материала увеличивается, и он становится неэластичным, исходный модуль упругости резко возрастает, и относительный реологический эффект уменьшается. При уменьшении концентрации наполнителя, модуль упругости материала уменьшается, эластичность растет, но общий реологический эффект также снижается вследствие малого количества активного наполнителя. Поскольку реологический эффект определяется силой взаимодействия между частицами под действием магнитного и электрического полей, то при малых концентрациях взаимодействие между частицами не происходит, и реологический эффект в полях пропадает.

Таким образом, достигается технический результат изобретения.

Достоинством предлагаемого магнитоэлектрореологического эластомера является универсальный характер применимости материала и высокие реологические эффекты, достигаемые при совместном воздействии на эластомер магнитного и электрического полей.

Изобретение относится к области композиционных магнитных материалов, конкретно к магнитоэлектрореологическим эластомерам, обратимо изменяющим свои физические характеристики под действием магнитного и электрического поля, и может быть использовано в машиностроении, электротехнике, приборостроении. Увеличение силы взаимодействия между частицами под действием магнитного и электрического поля, и как следствие повышение чувствительности модуля упругости эластомера в зависимости от воздействия магнитного и электрического полей, является техническим результатом изобретения. Технический результат достигается в композиционном магнитном эластомере, который состоит из полимерной матрицы и наполнителя из магнитных частиц, при этом каждая частица магнитного наполнителя покрыта, по крайней мере, одной диэлектрической оболочкой, и/или, по крайней мере, одной зарядополяризующейся оболочкой. Материал диэлектрической оболочки предпочтительно выбирают из ряда оксидов, фосфатов, сульфатов, сульфидов материала наполнителя. В качестве материала для изготовления поляризуемой оболочки могут использоваться полимеры, в том числе имеющие в своем составе полярные группы, в результате чего в целом оболочка будет обладать поляризуемыми свойствами. 6 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Магнитоэлектрореологический эластомер, характеризующийся тем, что сформирован в результате полимеризации, состоит из матрицы в виде эластичного полимера и наполнителя из магнитных частиц, в концентрации от 10 до 90% общей массы, причем каждая частица наполнителя покрыта, по крайней мере, одной диэлектрической оболочкой, и/или, по крайней мере, одной поляризующейся оболочкой.

2. Магнитоэлектрореологический эластомер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используются частицы из следующего ряда: Fe, FeNi, Со, Ni, FeNdB, FeNbB, FeNbBSi, SmCo, Alniko.

3. Магнитоэлектрореологический эластомер по п. 1, отличающийся тем, что размер частиц наполнителя расположен в диапазоне от десятков нанометров до десятков микрон.

4. Магнитоэлектрореологический эластомер по п. 1, отличающийся тем, что полимеризация осуществлена в присутствии внешнего магнитного поля 0.1-1 Тл.

5. Магнитоэлектрореологический эластомер по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая оболочка выполнена на основе или фосфатов, или сульфатов, или сульфидов, или оксидов материала частицы.

6. Магнитоэлектрореологический эластомер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве матрицы используется или натуральный каучук, или акрилатный каучук, или бутадиен-нитрильный каучук, или бутадиеновый каучук, или бутадиен-стирольный каучук, или бутилкаучук, или винилпиридиновый каучук, или изопреновый каучук, или карбоксилатный каучук, или кремнийорганический каучук, или полисульфидный каучук, или уретановый каучук, или фторкаучук, или хлоропреновый каучук, или хлорсульфированный полиэтилен, или этилен-пропиленовый каучук

7. Магнитоэлектрореологический эластомер по п. 1, отличающийся тем, что поляризующаяся оболочка выполнена на основе полимеров с полярными группами.