二聚酸对磁流变液流变性能及稳定性的影响*

丁　丁，晏　华，杨健健，胡志德，王雪梅，张寒松，廖梓珺

(后勤工程学院 化学与材料工程系，重庆 401331)



二聚酸对磁流变液流变性能及稳定性的影响*

丁丁，晏华，杨健健，胡志德，王雪梅，张寒松，廖梓珺

(后勤工程学院 化学与材料工程系，重庆 401331)

摘要：以羰基铁粉作为悬浮介质，硅油为分散相，二聚酸为表面活性剂制备了磁流变液，使用MCR302流变仪对磁流变液进行稳态剪切，考察了二聚酸种类及含量对磁流变液流变性能的影响，并通过自然沉降法对体系沉降稳定性进行测试。结果表明，二聚酸组分内的二聚体、三聚体可有效在磁流变液内部，与羰基铁粉颗粒建立吸附连接，形成空间结构，从而影响磁流变液的流变性能及沉降性能。

关键词：二聚酸；磁流变液；流变性能；稳定性；结构

0引言

磁流变液(magnetorheologicalfluid)是近年来得到广泛重视的一种新型的智能材料，是由磁性颗粒、载液、表面活性剂及其它助剂组成的悬浮液体。在无外磁场作用时，磁流变液具有良好的流动性，而在强磁场作用下，磁流变液可以在毫秒级时间内连续、可逆地实现从液态到固态的转变，呈现类似固体的力学性质[1-2]。且可实现实时主动控制，耗能极小[3-4]，这种固-液转换特性的智能流体，孕育着许多工程应用创新。目前，已被应用于机械制造、汽车工业、航空航天、精密加工、医疗器械、建筑等领域[5-11]。

磁流变液的流变性能是其工作的主要依据[12]，随着磁流变液的应用和器件的发展，人们对其流变性能的要求也越来越高。如何进一步提升磁流变液的流变性能一直是磁流变液研究的热点和重点，也是拓展其有效应用所必需解决的关键性问题，多年来科学界和工程界均在为此努力。目前国内外的研究者较多集中于对磁性颗粒的研究，并取得了诸多有价值的成果[13-15]。而对表面活性剂的研究相对较少，尤其是对具有双极性基团的研究较少，本文在前期研究中发现二聚酸对磁流变液的流变性能具有显著影响[16]。本文主要研究了二聚酸种类及含量对磁流变液零场黏度、流动及屈服应力的影响，考察了加入二聚酸后磁流变液体系的稳定性，并对二聚酸在磁流变液中的作用机理进行了探讨。

1实验

1．1实验材料及制备

本文所用磁性颗粒为德国BASF公司生产的OP型羰基铁粉(平均粒径为4.8μm)；二聚酸为江西艾图瑞克实业有限公司生产，各组分含量详见表1；基础油选用石家庄中蓝科技有限公司所产的350cs二甲基硅油(实测黏度值为367mP·s)。

表1　二聚酸组分含量

将一定量的二聚酸加入到量取的40mL硅油中，经超声和机械搅拌10min使其混合均匀；而后称取75g铁粉颗粒加入混合均匀的液体中，再次进行超声和机械搅拌10min；将混合溶液装入球磨罐中，以300r/min的转速机械球磨12h即得磁流变液样品。

1．2样品的表征

磁流变液样品的流变性能使用奥地利安东帕PhysicaMCR302模块化智能型高级流变仪进行测试。测量头选择PP20，转子直径为20mm，测试间隙为1mm，测试温度为25 ℃。

采用自然沉降法衡量磁流变悬浮液的沉降稳定性。将配置的样品放入直径为1.5cm的25mL量筒中，观察其沉降情况，记录不同时间下层羰基铁粉体积b和上层基础油体积a，则磁流变液沉降率ν可以表示为

2结果与讨论

2.1二聚酸种类对磁流变液的影响

2.1.1零场黏度

图1为剪切速率为1和500s-1时，各组试样的零场黏度值。

图1　含不同种类二聚酸磁流变液样品的零场黏度

Fig1Off-sateviscosityforMRfluidswithdifferentdimeracids

由图1可知，无场条件下，二聚酸的加入对磁流变液样品的黏度值均有一定的影响。其中二聚体含量较高的1001样品黏度最大，三聚体及多聚体含量较高的1006样品次之，而单体酸含量最高的1017样品黏度值最小，因此二聚体对磁流变液零场黏度的影响最为明显，而单体酸对黏度值的影响相对较弱[17]。在低剪切速率下，含二聚酸的磁流变液样品与空白样相比，黏度相差较大，而当剪切速率较高时，这一差距值减小，含二聚酸的样品剪切速率增大后黏度大幅降低，表现出明显的非牛顿流体特性。使用HITACHIS-3700N型扫描电子显微镜对铁粉颗粒进行观察，图2(a)为实验所用铁粉颗粒的SEM图，图2(b)为1001样品中的铁粉颗粒SEM图，对比发现二聚酸可对磁性颗粒进行吸附连接。

图2　磁流变液中羰基铁粉颗粒的SEM照片

Fig2SEMimagesofcarbonylironinMRfluidsandMRfluidswithdimeracid

二聚体为油酸和亚油酸等单体酸聚合而成，具有两个强极性羧基基团，其对样品零场黏度的显著增加很可能是因为，分子两端的强极性基团能有效吸附在铁粉表面，将磁性颗粒连接在一起，在载液中形成链状或网状结构，如图2(b)。当剪切速率较低时，因颗粒之间结构的存在，增大了扰动时磁流变液的内摩擦力，从而增加了黏度。当剪切速率较高时，样品内部各组分运动剧烈，破坏了二聚酸与磁性颗粒形成的结构，导致黏度大幅降低。因此含二聚酸样品的磁流变液样品非牛顿特性更为明显，尤其是二聚体含量最高的1001样品。

为进一步探究二聚酸对黏度值影响的原因，对未添加磁性颗粒的样品进行考察。表2中1#为基础油，2#为加入1%(质量分数)高纯二聚1001的基础油，3#为未加二聚酸的磁流变液样品，4#为加入1%(质量分数)高纯二聚1001的磁流变液样品。对比1，2#样品黏度值可知，二聚酸对于基础油黏度的影响不大，其黏度值仅增加了8mPa·s，而将3，4#样品黏度值进行对比发现，二聚酸大幅增加了磁流变液样品黏度，增幅为67 800mPa·s，远大于对基础油黏度的提升。因此，二聚酸对磁流变液零场黏度的影响主要是二聚酸与羰基铁粉颗粒的作用，而非与基础油形成空间结构。

表2　各组样品黏度

2.1.2屈服应力

磁流变液在稳态剪切条件下的流动，主要由斯托克流体动力及磁性作用力决定[17-18]。图3为不同磁场强度下，各组磁流变液的剪切应力随剪切速率的变化曲线图，可以看出随着磁场强度的增加，磁致剪切应力成数量级增大，具有较好的磁流变效应。值得关注的是，各组样品在0及14mT下的剪切应力曲线呈逐渐接近趋势，这可能是因为剪切速率较低时，其磁性作用力作用较为明显，低剪切速率下剪切应力值相差较大，当剪切应力达到一定值后，其斯托克流体动力逐渐占主导地位，这一流体动力与剪切速率成线性关系而与磁场强度无关，故各组样品有场与无场的流变曲线呈开口缩小趋势。对于含二聚酸的样品，因样品内部具有二聚酸与磁性颗粒结构的存在，所以随着剪切速率变化的应力曲线波动较大。随着磁场强度增大，流变曲线变化逐渐平缓，显现出了Bingham流体特性。根据测试得到的样品剪切应力随剪切速率的变化曲线，对其使用Bingham模型公式进行回归，得到剪切屈服应力值，其拟合结果如图4所示。

图3磁场作用下磁流变液的剪切应力随剪切速率变化曲线

Fig3ShearstressasfunctionofshearrateforMRfluidsunderdifferentmagneticfield

图4　不同磁场强度下磁流变液的屈服应力

Fig4YieldstressforMRfluidsunderdifferentmagneticfield

从图4可以看出，二聚酸的加入对磁流变液样品的屈服应力有着不可忽视的影响，随着磁场强度的增加影响效果越来越明显。当磁场强度达到974mT时，含二聚酸样品的屈服应力分别达到了84.46，74.23和71.85kPa，与空白样54.71kPa相比，分别增加了54.38%，35.69%和31.33%。其中加入了高纯二聚酸的1001样品屈服应力增幅最大，三聚体含量较高的1006样品次之，单体酸含量高的1017增幅最小。

实验结果表明各类二聚酸的加入，均可显著提高磁流变液的屈服应力，其中二聚体含量较高的1001二聚酸作用效果最为突出。这可能是因为：二聚酸中的二聚体及三聚体含两个或两个以上的极性集团，这种多官能团分子可对羰基铁粉颗粒进行吸附连接，在磁场作用下，更易形成粗壮的链结构。另一方面在垂直于磁场方向上，由于二聚酸的作用也使得相邻粒子之间发生相互吸引作用，这种作用使链结构更加紧密地结合在一起，当对固化的磁流变液进行剪切时，则需施以额外的力，所形成的链结构才会被破坏，因此使得磁流变液的力学性能增强。

2.2二聚酸含量变化的影响

为进一步探索二聚酸对磁流变液屈服应力的影响，选用作用效果较好的高纯二聚酸1001作为添加剂，选择了4个含量梯度(0.1%，0.5%，1%，1.5%，质量分数)进行流变性能测试。测试结果如图5所示，随着二聚酸含量的增加，零场黏度值逐渐增大。当加入量小于0.5%时，黏度由15.8Pa·s迅速增加至79.7Pa·s，质量分数大于0.5%(质量分数)之后，黏度值随二聚酸质量分数增加变化趋于平缓，由79.7Pa·s增至89.6Pa·s。所选用的高纯二聚酸黏度值为6.5～8Pa·s，加入后对磁流变液样品黏度值的提升却大于自身黏度，这说明二聚酸对黏度值的提升主要是其与磁性颗粒形成的吸附结构，而随着含量的增加，其在铁粉颗粒表面的吸附逐渐趋于饱和，因而当质量分数达到0.5%以后，磁流变液零场黏度增加速度降低。

图5　含不同含量二聚酸磁流变液的零场黏度

Fig5Off-sateviscosity(at1s-1)forMRfluidswithdifferentmassofdimeracid

对各含量梯度的磁流变液样品使用Bingham模型拟合，得到各组样品的屈服应力值如图6。从图中可以看出，二聚酸加入对样品屈服应力均有一定影响，样品在各磁场下屈服应力普遍有所提升。其中二聚酸含量为1%及1.5%时，样品屈服应力提升最为明显，在707mT下已高达55.13，55.84kPa，与空白样33.3kPa相比分别提升了65.55%，67.7%。而在含量较低(0.5%(质量分数)以下)时，对屈服应力提升不明显，这与零场黏度的变化趋势并不相同，说明其对屈服应力的提升并不依赖对样品表观黏度的增加。

图6　含不同含量二聚酸磁流变液的屈服应力

Fig6YieldstressforMRfluidswithdifferentmassofdimeracid

分析二聚酸含量变化对屈服应力的影响原因可能是：对于二聚酸含量相对较高的样品，当施加磁场后，磁流变液中的颗粒沿磁感线方向迅速聚集成链，大幅增大了颗粒与颗粒之间的接触；同时因静磁作用力的存在，使接触的磁性颗粒之间的二聚酸更易吸附在磁性颗粒表面。在这两种因素的共同促进下，二聚酸在颗粒之间的吸附连接被进一步形成。当含量较低时，羰基铁粉表面及载液中存在的二聚酸分子较少，磁场的施加对二聚酸分子的进一步吸附作用效果不大，因此各组样品与空白样屈服应力值相差不明显。

2.3二聚酸对体系稳定性的影响

磁流变液的沉降稳定性是其重要的指标之一，体系的稳定性直接关系到磁流变液的流变性能。定义前5d的平均沉降速率为磁流变液的初始沉降速率，表3为各组样品的初始沉降速率及30d后的最终沉降率。

表3磁流变液样品的初始沉降速率和最终沉降率

Table3InitialsettlingratesandfinalsedimentationratiosforMRfluids

磁流变液样品初始沉降速率/%·d最终沉降率/%空白样849.51001-1wt%5251006-1wt%5.730.51017-1wt%527.51001-0.1wt%6.239.51001-0.5wt%5.8251001-1wt%5251001-1.5wt%5.830

整体而言，二聚酸的加入均改善了磁流变液的沉降稳定性，降低了初始沉降速率，且减小了样品的最终沉降量。其中加入1001二聚酸对沉降稳定性改善效果最好，当含量为1%(质量分数)时与空白样性比，沉降率降低了49%。对1001二聚酸进一步考察发现，前期随着二聚酸含量的增加，最终沉降率降低，当达到0.5%(质量分数)时趋于缓和，这一变化趋势与对零场黏度的影响较吻合。以上结果表明，二聚酸在磁流变液体系内形成的空间结构可有效减缓颗粒沉降，提高磁流变液的沉降稳定性。无论是二聚酸种类或是含量的变化，其沉降稳定性均与零场黏度形成了较好的对应关系，这进一步说明了二聚酸作为一种双极性基团表明活性剂，分子两端的强极性基团可与铁粉颗粒建立吸附连接，从而影响着磁流变液的流变性能及稳定性能。

3结论

(1)二聚酸对磁流变液的零场黏度、屈服应力均具有明显的影响作用。二聚酸各组分中二聚体、三聚体及多聚体占主导，而单体酸含量的增加会减弱其影响作用。各种类二聚酸样品中，二聚体含量较高的作用效果最为显著，其对磁流变液的屈服应力提升可达54.38%。

(2)二聚酸的加入对基础油黏度的影响较小，其对磁流变液零场黏度、屈服应力的增加，主要是与羰基铁粉颗粒的相互作用。当二聚酸含量较小时，零场黏度、屈服应力随含量的增加变化较大，达到1%(质量分数)后趋于平缓。

(3)二聚酸可有效吸附在羰基铁粉颗粒表面，可在磁流变液内部形成空间结构，不但对磁流变液流变性能具有一定的影响作用，而且对沉降稳定性具有较好的改善作用。对比各类型、含量作用结果，仍是含量1%(质量分数)的1001二聚酸效果最为突出。

参考文献：

[1]LiuQi,TangLong,ZhangPing.Studyonpracticalmagnetorheologicalfluid[J].JournalofFunctionalMaterials, 2004, 35(3): 291-292.

刘奇, 唐龙, 张平. 实用型磁流变体材料研究[J]. 功能材料, 2004, 35(3): 291-292.

[2]FuLi,ChengTao.Magneto-rheologicalfluidanditsapplicationinengineering[J].JournalofShenyangAerospaceUniversity, 2011, 28(1): 19-22.

傅莉, 程涛. 磁流变液及其在工程中的应用[J]. 沈阳航空航天大学学报, 2011, 28(1): 19-22.

[3]KordonskyWI.Magnetorheologicaleffectasabaseofnewdevicesandtechnologies[J].JournalofMagnetismandMagneticMaterials, 1993, 122(1): 395-398.

[4]deVicenteJ,KlingenbergDJ,Hidalgo-AlvarezR.Magnetorheologicalfluids:areview[J].SoftMatter, 2011, 7(8): 3701-3710.

[5]YangChaojun,ChenLan.Designofmagnetorheologicalfluiddamperwithaxial-windingstructure[J].MachineryDesign&Manufacture, 2010,(3): 29-31.

杨超君, 陈澜. 轴向绕组磁路结构磁流变液阻尼器设计[J]. 机械设计与制造, 2010,(3): 29-31.

[6]ShiFeng,DaiYifan,PengXiaoqiang,etal.Removalofsubsurfacedamageingrindingbymagnetorheologicalfinishing[J].OpticsandPrecisionEngineering, 2010, 18(1): 162-168.

石峰, 戴一帆, 彭小强, 等. 磁流变抛光消除磨削亚表面损伤层新工艺[J]. 光学精密工程, 2010, 18(1): 162-168.

[7]JuRui,LiaoChangrong,ZhouZhijiang,etal.CarMRfluidshockabsorberwithmono-tubeandcharged-gasbag[J].JournalofVibrationandShock, 2014, 33(19): 86-92.

鞠锐, 廖昌荣, 周治江, 等. 单筒充气型轿车磁流变液减振器研究[J]. 振动与冲击, 2014, 33(19): 86-92.

[8]ZhangWei,ZhangJiwen,TuYongming,etal.Earthquakeavoidancemechanismandseismicresponseanalysisforsemi-rigidsuspendedstructuresystemsusingMRdampers[J].EngineeringMechanics, 2012, 29(4): 141-149.

张伟, 张继文, 涂永明, 等. 基于磁流变阻尼器的半刚性悬挂结构体系避震机理及地震响应分析 [J]. 工程力学, 2012, 29(4): 141-149.

[9]YaoLiming,WangZhuxuan,GuLing,etal.MagnetorheologicalfluidandItsengineeringapplication[J].ChineseHydraulics&Pneumatics, 2009 (7): 64-66.

姚黎明, 王竹轩, 顾玲, 等. 磁流变液及其工程应用[J]. 液压与气动, 2009 (7): 64-66.

[10]BaharA,PozoF,AchoL,etal.Parameteridentificationoflarge-scalemagnetorheologicaldampersinabenchmarkbuilding[J].Computers&Structures, 2010, 88(3): 198-206.

[11]KangGuiwen,ZhangFeihu.Surfaceshapecontrolinopticsmanufacturingusingmagnetorheologicalfinishing[J].Diamond&AbrasivesEngineering, 2010,(5): 77-79.

康桂文, 张飞虎. 磁流变抛光光学表面加工面形控制技术研究[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2010,(5): 77-79.

[12]GinderJM,ElieLD,DavisLC.Magnetizablecarrierfluidwithmultiplicityofsuspendedspheroidalmagnetizableparticles[P].US:Patent5,549,837,1996-8-27.

[13]GorodkinSR,KordonskiWI,MedvedevaEV,etal.Amethodanddeviceformeasurementofasedimentationconstantofmagnetorheologicalfluids[J].ReviewofScientificInstruments, 2000, 71(6): 2476-2480.

[14]UlicnyJC,GoldenMA,NamuduriCS,etal.Transientresponseofmagnetorheologicalfluids:shearflowbetweenconcentriccylinders[J].JournalofRheology(1978-present), 2005, 49(1): 87-104.

[15]deVicenteJ,VeredaF,Segovia-GutiérrezJP,etal.Effectofparticleshapeinmagnetorheology[J].JournalofRheology(1978-present), 2010, 54(6): 1337-1362.

[16]WangXuemei,YangJianjian,YanHua,etal. [P].China:ZL201310533365.6, 2013.

王雪梅, 杨健健, 晏华, 等. 一种能增强磁流变效应的羰基铁粉及其制备的磁流变液[P]. 中国专利:ZL201310533365.6, 2013.

[17]VolkovaO,BossisG,GuyotM,etal.Magnetorheologyofmagneticholescomparedtomagneticparticles[J].JournalofRheology(1978-present), 2000, 44(1): 91-104.

[18]deVicenteJ,López-LópezMT,DuránJDG,etal.Shearflowbehaviorofconfinedmagnetorheologicalfluidsatlowmagneticfieldstrengths[J].Rheologicaacta, 2004, 44(1): 94-103.

Effectofdimeracidonrheologicalpropertiesandstabilityofsiliconoil-basedmagnetorheologicalfluid

DINGDing,YANHua,YANGJianjian,HUZhide,WANGXuemei,ZHANGHansong,LIAOZijun

(DepartmentofChemistry&MaterialEngineering,LogisticEngineerUniversity,Chongqing401331,China)

Abstract：Anovelsiliconoil-basedmagnetorheologicalfluidswaspreparedwithcarbonylironpowderformagneticparticles，dimeracidsforsurfactants.Themagnetorheologicalpropertieswereinvestigatedwithacontrolledratemagnetorheometer.Inaddition,Theeffectsoffattyacidsonthestabilityofthemagnetorheologicalfluidwereinvestigatedbysedimentationratio.Theresultsindicatedthatthedimeracidcannotonlychangetherheologicalpropertiesofmagnetorheologicalfluid,butalsobooststhestabilityofMRFsettlement.

Keywords：dimeracid;magnetorheologicalfluid;rheologicalproperties;stability;structure

文章编号：1001-9731(2016)06-06103-05

* 基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA03Z104)；国家科技支撑计划资助项目(2012BAF06B04)

作者简介：丁丁(1989-)，男，河南正阳人，硕士，师承晏华教授，从事磁流变材料研究。

中图分类号：TB381

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.06.018

收到初稿日期：2015-07-08 收到修改稿日期：2015-10-28 通讯作者：晏华，E-mail:yanhuacq@sina.com