具有阻尼功能的锂基磁流变脂的稳定性及流变性能

胡志德, 晏 华, 郭小川, 王雪梅, 文 昊

(后勤工程学院 化学与材料工程系， 重庆 401311)

具有阻尼功能的锂基磁流变脂的稳定性及流变性能

胡志德, 晏 华, 郭小川, 王雪梅, 文 昊

(后勤工程学院 化学与材料工程系， 重庆 401311)

采用一步法制备锂基磁流变脂，考察了制备工艺条件对其基本性能和流变性能的影响。结果表明，在皂化时间2 h、常温水浴冷却、最高炼制温度190～200℃、稀释阶段加入羰基铁粉条件下制得的锂基磁流变脂具有良好的稳定性、流动性和较好的磁流变效应。磁场强度对其流变性能的影响与剪切速率密切相关。当磁场强度达到某一值时，在较低剪切速率下磁场强度对锂基磁流变脂剪切应力的影响较小，在较高剪切速率下锂基磁流变脂的剪切应力与磁场强度的大小密切相关。

润滑脂；磁流变脂；制备工艺；沉降稳定性；流变性能

磁流变液材料是一种具有奇特流变性能的智能材料[1]，即在磁场调节下，其黏度可在瞬间(毫秒级)发生几个数量级的变化[2-3]。这种特性使其在扭矩传递、阻尼控制等领域备受人们的青睐，但磁性颗粒的沉降问题已逐渐成为制约其工程应用的重要因素之一。借助润滑脂的结构骨架来稳定磁性颗粒为解决这一问题提供了较好的思路。磁流变润滑脂(简称磁流变脂)是一种基于润滑脂结构的以磁性材料为分散相、润滑脂为连续相的新型磁流变智能材料[4]。它的出现为磁流变材料在大型建筑物、重要桥梁、海洋平台等的抗震减震[5]方面的应用奠定了基础。

2003年，Lord公司[4]提出将磁性颗粒分散于商业润滑脂中制备磁流变脂的方法。Gordaninejad等[6-10]研究了磁流变脂的流变特性，建立了在磁场和温度复合场下磁流变脂的屈服应力模型，并研制了磁流变脂减振器和离合器。Park等[11]发现在磁场作用下，磁流变脂表现出具有屈服应力的宾汉流体特性。浙江大学等[12-17]也相继开展了磁流变脂的研究工作。但这些研究主要集中在磁流变脂流变行为的理论模型分析及器件应用上，对其制备工艺的研究尚未涉及。从润滑脂的角度来看，不同制备工艺对其纤维结构和流变性能的影响较大[18-20]。因此，开展磁流变脂制备工艺的研究具有重要的意义。

笔者采用一步法制备锂基磁流变脂，考察了制备工艺条件对其稳定性能和流变行为的影响，分析了不同磁场强度下该脂的剪切应力随剪切速率的变化趋势，得出了锂基磁流变脂较适宜的制备工艺条件。

1 实验部分

1.1 原料

晨光201甲基硅油，运动黏度(40℃)68.4 mm2/s，四川晨光化工有限公司产品；12-羟基硬脂酸，分析纯，成都格雷西亚化学技术有限公司产品；氢氧化锂，分析纯，成都市科龙化工试剂厂产品；羰基铁粉，羰基型(DT-5)，陕西兴化化学股份有限公司产品，执行标准Q/SXHG-JS149.1-2004。

1.2 锂基磁流变脂制备

锂基磁流变脂的制备工艺流程示于图1。首先将一定量的基础油分为3份，取1份加热至60℃，加入12-羟基硬脂酸，继续升温至80～100℃，使之熔化，再缓慢加入饱和氢氧化锂水溶液，皂化1～3 h；升温至120～130℃，脱水30 min。加入第2份基础油，升温至最高炼制温度190～220℃，保温5～7 min。加入第3份基础油，使温度降低至170℃，保温5～7 min。再经冷却，研磨，即得锂基磁流变脂。图1中①②③分别表示不同的加入羰基铁粉时机。

1.3 锂基磁流变脂性能测定

分别依据国家标准GB/T269-1991、GB/T3498-2008测定锂基磁流变脂的锥入度和滴点。采用离心试验机在转速10000 r/min、时间30 min条件下测定锂基磁流变脂的沉降率[21]。采用改装后的成都仪器厂NXS-11A型旋转黏度计测定锂基磁流变脂在固定磁场条件下的流变特性。采用奥地利安东帕公司MCR301型旋转流变仪测定不同磁场强度下锂基磁流变脂的剪切应力随剪切速率的变化。参照SH/T 0325-1992标准方法，采用氧弹法在温度99℃和O2压力0.770 MPa下，测定锂基磁流变脂和基础脂经历100 h氧化后的压力变化。

图1 锂基磁流变脂制备工艺流程

2 结果与讨论

2.1 制备工艺条件对锂基磁流变脂理化性能的影响

2.1.1 皂化时间的影响

表1列出了不同皂化时间制备的锂基磁流变脂的理化性能。从表1可见，随着皂化时间的延长，锂基磁流变脂的滴点逐渐增大，锥入度逐渐减小，稠度增加，沉降率逐渐降低。皂化时间延长，皂化反应更充分，制得的磁流变脂形成的结构稳定，从而其稠度增大。锂基磁流变脂的滴点较高可能是由于加入的羰基铁粉颗粒过多所致。皂化时间2 h时制备的锂基磁流变脂滴点较高，沉降稳定性较好，能耗较低。

2.1.2 羰基铁粉加入时机的影响

从润滑脂的角度看，磁流变脂中的羰基铁粉类似于润滑脂中的添加剂，其加入时机对磁流变脂的性能可能会产生较大的影响。分别在皂化时、稀释时、冷却时加入羰基铁粉制备的锂基磁流变脂理化性能列于表2。

表1 皂化时间对锂基磁流变脂理化性能的影响

Room temperature water bath cooling; Refining temperature of 200-210℃; Carbonyl iron addition in dilute step

表2 羰基铁粉加入时机对锂基磁流变脂理化性能的影响

Room temperature water bath cooling; Refining temperature of 200-210℃; Saponification time of 1 h

由表2可见，皂化时和冷却时加入羰基铁粉制得的锂基磁流变脂之滴点、锥入度及沉降率均较接近，而在稀释时加入羰基铁粉制得的锂基磁流变脂的滴点、锥入度和沉降率均较低。从实验现象可以发现，皂化时加入羰基铁粉，制备时容易出现铁粉飞溅，且皂化较慢，皂的颗粒度较大。这可能是羰基铁粉的加入影响了皂化反应的进行，从而使得皂化率较低，磁流变脂的皂含量较少，稠度较小，易产生沉降。而在冷却阶段加入羰基铁粉使得皂纤维的生长受阻，且皂纤维对甲基硅油的稠化能力较差，导致羰基铁粉在此环境下易产生沉降。在稀释过程中加入羰基铁粉，铁粉较容易在皂纤维熔融状态时悬浮于纤维结构中，提高其沉降稳定性，制得的锂基磁流变脂稠度较大，沉降稳定性较好。

2.1.3 最高炼制温度的影响

表3列出了不同最高炼制温度制备的锂基磁流变脂的理化性能。从表3可以看出，最高炼制温度高于200℃时制得的锂基磁流变脂的滴点较接近且较低，稠度较小，但其沉降性能较差；在190～200℃范围制得的磁流变脂的滴点较高，离心沉降率最小，能耗最低。

2.1.4 冷却方式的影响

表4列出了不同冷却方式制备的锂基磁流变脂的理化性能。从表4可以看出，冰水浴冷却得到的锂基磁流变脂的沉降性能最差，锥入度无法测得，滴点较高；采用自然冷却和常温水浴冷却方式得到的锂基磁流变脂性能比较接近，沉降率较低，稠度较小。这可能是急冷条件下，制得的锂基磁流变脂稠度太小，所形成的皂纤维对羰基铁粉的吸附能力较弱；而在自然冷却和常温水浴冷却条件下形成的皂纤维结构较为稳定，不易产生沉降。常温水浴冷却制得的锂基磁流变脂沉降稳定性较好，耗时较短。

表3 最高炼制温度对锂基磁流变脂理化性能的影响

Room temperature water bath cooling; Carbonyl iron addition in dilute step; Saponification time of 1 h

表4 冷却方式对锂基磁流变脂理化性能的影响

Refining temperature of 190-200℃; Carbonyl iron addition in dilute step; Saponification time of 1 h

2.2 制备工艺条件对锂基磁流变脂流变特性的影响

图2为不同制备工艺条件制备的锂基磁流变脂在磁场强度60 mT时的剪切应力随剪切速率的变化。从图2可见，在磁场强度60 mT下，不同工艺条件制备的锂基磁流变脂的剪切应力随剪切速率的变化趋势相同，即剪切应力随着剪切速率的增大而增大，表现出典型假塑性非牛顿流体的特征。在相同剪切速率下，稀释过程中加入羰基铁粉制得的锂基磁流变脂具有较高的剪切应力，而在皂化时加入羰基铁粉制得的锂基磁流变脂的剪切应力较小；最高炼制温度200～210℃下制备的磁流变脂具有较高的剪切应力，而210～220℃下制备的锂基磁流变脂的剪切应力小；常温水浴和自然冷却方式制备的锂基磁流变脂的剪切应力均高于冰水浴冷却方式制备的脂；相对于其他3种影响因素，皂化时间对锂基磁流变脂流变性能的影响较小，在3种皂化时间下制得的磁流变脂的剪切应力比较接近。这可能与磁流变脂的皂含量、皂纤维结构以及羰基铁粉在其中的分散能力有关，其机理还有待进一步研究。在相同磁场强度下，在稀释阶段加入羰基铁粉、最高炼制温度190～200℃、常温水浴冷却、皂化2 h条件下制备的锂基磁流变脂具有较高的剪切应力。

图2 磁场强度60 mT时不同制备工艺制备的锂基磁流变脂的剪切应力随剪切速率的变化

2.3 磁场强度对锂基磁流变脂流变性能的影响

图3为不同磁场强度下采用最优条件制备的锂基磁流变脂的剪切应力随剪切速率的变化。从图3可以看出，剪切速率相同时，锂基磁流变脂的剪切应力随磁场强度的增强而增大；磁场强度相同时，锂基磁流变脂的剪切应力均随剪切速率的增大而增大。

有磁场时与无磁场时锂基磁流变脂剪切应力的比值(τH/τ0)随剪切速率的变化见图4。从图4可以看出，在不同磁场强度下，τH/τ0值均大于1，且随剪切速率的增大而增大；磁场强度为200 mT时，τ200/τ0值较小；当磁场强度大于200 mT时，τH/τ0值明显高于τ200/τ0值；当磁场强度≥500 mT时，在较低剪切速率(≤100 s-1)下，3种磁场强度下的τH/τ0值比较接近。表明在剪切速率较低时，当磁场强度达到某一值后，磁场强度的大小对锂基磁流变脂的剪切应力影响较小；但随着剪切速率的继续增大，τH/τ0呈现出较明显的随磁场强度增大而增大的趋势，表明在较高剪切速率下，锂基磁流变脂的剪切应力显著依赖于磁场强度的大小。

图3 不同磁场强度下锂基磁流变脂剪切应力随剪切速率的变化

图4 有磁场时与无磁场时锂基磁流变脂剪切应力的比值(τH/τ0)随剪切速率的变化

在有磁场条件下，锂基磁流变脂中的磁性颗粒能够迅速磁化成链，并沿磁场方向取向，使得阻碍磁流变脂流动的力增大，故τH/τ0大于1。在磁场强度较低时，磁性颗粒链中颗粒之间的吸引力较弱，容易被剪断，故τ200/τ0较小；当磁场强度大于某一值后，磁性颗粒链的强度足以抵抗较低剪切速率(≤100 s-1)下的剪切作用，使锂基磁流变脂的剪切应力与磁场强度的相关性差。但剪切速率超过某一值后，相对较低的磁场强度下形成的磁性颗粒链又容易被剪断，使得锂基磁流变脂的τH/τ0值又表现出随磁场强度的增大而增大的变化。

2.4 锂基磁流变脂的氧化安定性

为简化影响因素，锂基磁流变脂和基础润滑脂两个样品均未添加任何添加剂，进行氧化安定性实验，以压力-时间曲线中压力出现显著下降时对应的时间作为氧化诱导期，结果示于图5。由图5可以看出，锂基磁流变脂对应的氧化诱导期约为50 h，而基础润滑脂的在70 h左右，明显高于前者。在氧化加速阶段，锂基磁流变脂样品的压力随时间变化的斜率较大，表明其氧化速率明显快于基础润滑脂；在氧化100 h后，锂基磁流变脂样品的压力基本稳定，并达到最低值，压力下降了525 kPa，而基础润滑脂的压力下降值为335 kPa，表明羰基铁粉的加入使得锂基磁流变脂的氧化安定性变差。

图5 锂基磁流变脂和基础润滑脂在氧弹实验中的压力随氧化时间的变化

3 结 论

(1)皂化时间2 h、常温水浴冷却、最高炼制温度190～200℃、稀释阶段加入羰基铁粉条件下制得的锂基磁流变脂具有较好的稳定性和流动性。

(2)在相同磁场强度下，锂基磁流变脂的剪切应力随着剪切速率的增大而增大，制备工艺条件对其磁流变效应具有较大的影响。

(3)锂基磁流变脂的剪切应力随着磁场强度的增大而增大，当磁场强度达到某一值后，相比低剪切速率，高剪切速率下锂基磁流变脂的剪切应力对磁场强度的依赖性更大。

(4)羰基铁粉的加入使得锂基磁流变脂的氧化安定性变差，需进一步探索有效解决这一问题的办法。

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Rheological Properties and Stability of Lithium-Based Magnetorheological Grease With Damping Effect

HU Zhide， YAN Hua， GUO Xiaochuan， WANG Xuemei， WEN Hao

(DepartmentofChemical&MaterialsEngineering,LogisticsEngineeringUniversity,Chongqing401311,China)

A lithium-based magnetorheological(MR) grease with damping effect was prepared by one-step process. The effect of preparation process condition on properties of MR grease was investigated. The results showed that MR grease had excellent rheological properties and sedimentation stability, when it was prepared under the conditions of saponification time 2 h, room temperature water bath cooling, refining temperature not exceeding 190-200℃, and carbonyl iron addition in dilute step. The effect of magnetic field strength on rheological properties of MR grease was closely related to the shear rate. When the magnetic field strength exceeded a certain value, the magnetic field strength was of less effect on shear stress of MR grease at low shear rate, but the shear stress of MR grease was more closely related to the magnetic field strength at high shear rate.

lubricating grease; magnetorheological grease; preparation process; sedimentation stability; rheological property

2014-07-22

国家科技支撑计划(2012BAF06B04)、后勤工程学院研究生创新专项资助项目(2013BB0803)资助 第一作者： 胡志德，男，博士研究生，从事磁流变材料研究；Tel：023-86731757; E-mail: huzd6503@163.com

晏华，男，教授，博士，从事功能高分子材料和智能材料研究；E-mail: yanhuacq@sina.com

1001-8719(2015)01-0166-06

TB381

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.01.026