磁流变塑性体及其减震器研制

张 承 文

(东南大学，江苏 南京 211189)

磁流变塑性体及其减震器研制

张 承 文

(东南大学，江苏 南京 211189)

通过对磁流变塑性体传统制备方法的研究，从反应物性质出发，对制备方案进行了优化创新，并根据实验方案进行了制备尝试，初步确定了减震器的工作机理，定性设计出了减震器的大体外观，以供参考。

磁流变塑性体，塑性聚氨酯，自供式，磁流变减震器

近些年，建筑物抗震能力方面的研究已有很多。人们跳出了传统增强梁、柱、墙提高抗振动的能力的观念，结合结构的动力性能，利用阻尼器吸收这种突然袭来的地震能量。如今质量共振阻尼系统和主动控制减震体系都是已经走向了工程实际。而阻尼器中的填充材料则是研究的重中之重，磁流变材料则是如今研究的热门方向之一。

1 磁流变塑性体研究背景

磁流变材料是一种能够通过改变磁场来控制流变性能的新型智能材料。目前，磁流变液是在磁流变材料中研究的一个主流方向，但是有关磁流变塑性体的研究则少之又少。

磁流变塑性体自愈性较好，在外力作用下仍能保持形态，相对于磁流变液和磁流变弹性体，磁流变液的传统颗粒沉降问题磁流变塑性体能够解决。因此，基于磁流变塑性体减震器的研究是很有前景的，本文将提出一种磁流变塑性体基体的制备方式，并且给出一种磁流变阻尼器的初步功能及外观设计方案。

2 磁流变塑性体制备方法

2.1 磁流变塑性体简介

磁流变塑性体的组分为基体，羰基铁粉[2]，以及一些其他的添加剂。需要寻找一种密度大于硅油、粘度较大，能够有效预防铁磁性颗粒沉降的，物理性质类似泥一样的基体。

由于聚氨酯弹性体与天然橡胶相比具有较好的降解稳定性，与硅橡胶相比较具有更优异的机械性能。所以经过调查后，初步决定以聚氨酯材料作为磁流变材料的基体[3]。

2.2 制备原料的选用

1)羰基铁粉。铁磁颗粒是磁流变材料中的重要组成部分，其自身属性的优劣直接影响到磁流变液的力学性能。目前采用最多的是羰基铁粉，由于羰基铁粉具有较大的磁饱和度、较高的磁化率、较低的磁滞率和较小的矫顽力，故其具有非常优良的软磁特性[4]。

2)聚氨酯基体。聚氨酯是目前一种相对成熟的材料，尽管如此，聚氨酯合成方法、配方、合成条件还是有许多分支，这些因素略有不同便会导致聚氨酯材料的物理性质有非常大的差异，所以如何控制反应物的比例和种类是实验能否成功的关键。

聚氨酯合成的通用方法一般为：

异氰酸酯+聚醇+二醇类扩链剂——聚氨酯

其中热塑性聚氨酯为嵌段共聚物结构，其结构式如下：

—[A—B]m——[C—B]n—

其中，A为聚醇类；B为二异氰酸酯类；C为二醇或二胺类扩链剂；A—B段为柔性链段，是无定型软质链段，具有低温柔顺性；B—C为刚性链段，低温时，刚性链段的氢键交联形成结晶区，加热后氢键被破坏产生塑性。

我们需要的磁流变塑性体基体要求常温下就能表现出塑性特征。通过查阅文献《聚氨酯材料手册》[5]可知，反应物总的—NCO基团与—OH基团之比要求为1∶1。当软段与硬段之比为1∶1～1∶2.5之间时，聚氨酯表现出介于固体与液体之间的塑性体特征。

2.3 实验方案

表1给出的是基体部分及铁磁颗粒部分的实际选用材料与说明，及实验中主要运用到的仪器。

表1 磁流变塑性体制备材料

以下为详细的制备步骤:1)将羰基铁粉、润滑剂(异丙醇，羰基铁粉的4%)加入到球磨机的球磨罐中以160 r/min的球磨线速度球磨50 min，将球磨后的混合液置于真空干燥箱中，在真空度为-0.1 MPa，温度为200 ℃下烘干6 h，制得净化羰基铁粉。2)将重量为羰基铁粉2%的表面活性剂(十二烷基硫酸钠)加入到净化的羰基铁粉中，并加入足量无水乙醇作为反应剂，球磨机按照250 m/s高速球磨5 h，静置6 h后，去掉上层清液，然后70 ℃烘干，得到表面处理后的羰基铁粉。3)将称量好的甲苯二异氰酸酯和聚氧化丙烯二醇混合在容器中并用搅拌机进行搅拌，待混合物温度稳定到75 ℃后开始聚合反应。2 h后，将反应温度降低到65 ℃，将作为扩链剂的1,4—丁二醇加入反应物中进行扩链反应，持续1 h。然后加两滴辛酸亚锡作为催化剂滴入反应物中，反应过程中适当加入丙酮作为反应溶剂使得产物呈现塑性，当反应物搅拌阻力增大且呈现塑性特征时，停止反应(注：加入溶剂丙酮是为了防止塑性体胶凝化,第一步反应温度设为75 ℃是因为甲苯二异氰酸酯熔融加工温度大于67 ℃)。4)将铁粉与基体按照一定质量比混合在一起，剧烈搅拌至铁粉混合均匀，便制得磁流变塑性体。

3 实验记录

基于以上的分析设计进行了两次实验，尝试制备出合格的磁流变塑性体。

第一次实验拟定软硬段比例为1∶2，对应各原料用量为：聚氧化丙烯二醇100 g，甲苯二异氰酸酯130 g，1,4—丁二醇45 g，见图1。

在经过了几个小时的实验后，制备出了实验产品，但是并没有完全达到预期，在实验即将结束时，由于产品温度较高，其表现为塑性。然而产品冷却到室温以后其硬度增大，并没有表现出良好的塑性，产品只具有热塑性。

第二次实验中调整了原材料配合比，将软硬段调整为1∶1。另外，调整了实验时间，并不严格按照原方案中的2 h，1 h进行实验，因为第一次实验中后半段实验时间内并没有明显反应，于是在第二次实验中缩短时间，见图2。

实验原材料配合比如下：聚氧化丙烯二醇100 g，甲苯二异氰酸酯130 g，1,4—丁二醇45 g。

按照步骤，本次实验制得的产品比上一次要软，更接近塑性。但是也出现了一些新的问题，由于添加1,4—丁二醇速度过快，导致最终的产品呈现出了片状特点。

分析总结后可以认为：按照目前这个原料配合比例进行一次实验，实验过程中缓慢加入1,4—丁二醇，待产品展现出良好塑性后停止并记录下1,4—丁二醇的用量，以此进一步探索出最为合适的实验方案。

4 磁流变阻尼器研制

磁流变阻尼器主要分为以下模式：压力驱动模式，剪切模式，挤压模式[6]。

事实上目前的磁流变阻尼器大多应用的是磁流变液，而磁流变阻尼器工作性能的好坏在很大程度上是取决于选用的磁流变材料，在磁流变塑性体中因为基体是高聚物材料，使得材料的弹性范围大大增加。

地震来临的时候，电力系统常常会遭受到破坏，通常的基于电力系统工作的阻尼器就没有实用价值。因此，自功能式阻尼器就是一种很好的解决办法。

压电材料[7]是一种能量转换介质，能通过挤压压电材料的方式，通过弹簧将外界振动作用力施加到安装在弹簧座的压电能量捕获结构上[8]，利用振动过程中的机械能使材料表面产生电位差，然后经过一系列处理将压电材料上的电位差变为稳定的输出电能，并运用于作用在磁流变材料上的电磁场。

装配体模型见图3。活塞杆模型和弹簧模型见图4，图5。

5 结语

磁流变塑性体材料具有较为明朗的前景，其在减震器领域具备很大的应用潜力。本文研究的优化方案发现塑性聚氨酯的反应对时间及1,4—丁二醇的添加速率很敏感。并且，制备出的材料具有热塑性，这些是需要未来进一步研究的问题。关于减震器，本文已经给出了外观设计，以及工作原理的初步确定，其细部构造则是下一步研究的重点。

[1] 徐阳光，龚兴龙，宣守虎.新型磁敏智能软材料(磁流变塑性体)的制备，表征及机理研究[D].合肥：中国科技大学，2014:22-23.

[2] LLOYD J R，HAYESMICHEL M O，RADCLIFFEC J.Internal organizational measurement for control of magnetorheological fluid properties[J].Journal of Fluids Engineering·Transactions of the ASME，2007，129(4)：423-428．

[3] 伍金奎．新型聚合物基磁流变材料的制备及其性能研究[D]．成都：四川大学，2011.

[4] 郭维阳，徐赵东.高性能磁流变液的性能试验及智能减震[D].南京:东南大学，2013:6-7.

[5] 徐培林，张淑琴．聚氨酯材料手册[M]．第2版.北京：化学工业出版社，2011．

[6] 廖 华.深入理解磁流变阻尼器的工作原理[J].磁流变阻尼器的基本原理和结构，2008(2):47-49.

[7] 周龙亭.自供能磁流变阻尼器原理及其能量管理电路研究[D].重庆:重庆大学,2011.

[8] 罗 伟.自供能式磁流变液减震器的结构设计及实验方案设计[Z].2014.

Research of the magnetorheological plastomer and its shock absorber

Zhang Chengwen

(SoutheastUniversity,Nanjing211189,China)

Through the research of the magnetorheological plastomer traditional preparation method, from the properties of the reactants, the optimization and innovation of the preparation method has been carried out, and the preparation experiments has been done based on the experimental method. According to the properties of the magnetorheological plastomer, the appearance of the absorber is designed qualitatively and its working mechanism is determined.

magnetorheological plastomer, polyurethane, self-supply, shock absorber

1009-6825(2017)22-0137-02

2017-05-24

张承文(1996- )，男，在读本科生

TU112.59

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