close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY3036

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3036
(13)
C1
6
(51) H 01F 1/28
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
(21) Номер заявки: 950441
(22) 1995.04.28
(86) PCT/US 93/09735, 1993.10.12
(31) 07/968,735
(32) 1992.10.30
(33) US
(46) 1999.09.30
(71) Заявитель: Лорд Корпорейшн (US)
(72) Авторы: Кейт Д. Вейсс, Дж. Дэвид Карлсон,
Теодор Г. Даклос (US)
(73) Патентообладатель: Лорд Корпорейшн (US)
(57)
1. Магнитореологический материал, содержащий жидкость-носитель и компонент в виде частиц, отличающийся тем, что жидкость-носитель имеет соотношение ∆η / ∆Т , менее или равное 9,0 сП/°С в диапазо-
не температур от 25 °С до -40 °С.
∆η / ∆Т
2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что отношение
менее или равно 7,0 сП/°С в диапазоне
температур от 25°С до -40°С.
3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что жидкость-носитель выбрана из группы, включающей пропиленгликоль, уксусный ангидрид, аллилизоцианат, бензилацетат, бис(2-бутоксиэтил)эфир, бис(2хлорэтил)эфир, бис(2-этоксиэтил)эфир, бис(2-этилгексил)-о-фталат, бис(2-меркаптоэтил)сульфид, бис(2метоксиэтил)эфир, 1-бромгептан, 1-бромгексан, 1-бромоктан, 1,3-бутадиол, 2-(2-бутоксиэтокси)этанол, бутилбензол, бутилциклогексан, N-бутил-диэтаноламин, масляный ангидрид, 1-хлор-2-этилбензол,
BY 3036 C1
1-хлор-4-этилбензол, 1-хлоргептан, 1-хлороктан, 3-хлорпропионитрил, 3-хлортолуол, циклогексанон, циклогексилацетат, циклооктиламин, декаментилтетрасилоксан, 1-децен, 1,2-дибромбутан, 1,2-дибром-1,1дихлорэтан, 1,2-дибутоксиэтан, дибутил дисульфид, дибутил малеат, дибутил сульфид, 2диэтиламиноэтанол, 1,4-диэтилбензол, диэтил броммалонат, диэтилсульфид, ди-(2-этилгексил)-о-фталат, диэтилмалонат, N,N-диметилбензиламин, N,N-диметил-формамид, диметил малонат, 2,4-диметилпиридин, дипропил дисульфид, 2-(2-этоксиэтокси)этанол, 2-этоксиэтилацетат, 2-(этиламино)этанол, N-этиланилин, Nэтилдиэтаноламин, 2,2’-(этилендиокси)бисэтанол, этил гептаноат, этилгексаноат, 2-этилгексановая кислота,
2-этил-1-гексанол, 2-этилгексил ацетат, этил октаноат, S-этилтиоэтанол, этилтолуол, 4-фтор-1метоксибензол, глицерин трибутират, гептакософтор-трибутиламин, гептанал, 1-гептантиол, гексафтор-2фенил-2-пропанол, цисгексагидроиндан, 2,5-гександиол, гексаннитрил, 1-гексантриол, 1-гексанол, гексил
ацетат, 3-гидроксипропионитрил, индан, 1-йодгептан, 1-йодпентан, 2-гидроксиэтилгидразин, 4-гидрокси-4метил-2-пентанон, изобутилбензол, изопропилбензол, изопропилциклогексан, изопропил-1-метилбензол, лимонен, 3-метокси-1-бутанол, 2-(2-метоксиэтокси)этанол, метил ацетоацетат, N-метиланилин метилциклопентадиен димер, метил гептаноат, метил гексаноат, 1-метилимидазол, 4-метилпентаннитрил, 2метилпентановая кислота, 2-метилпропионовая кислота, 1-нитробутан, 2-нитроэтанол, нонан, нонаил хлорид
октаннитрил, 1-октантиол, октаноил хлорид, 1,5-пентан-диамин, пентил ацетат, 1-фенилгексан, пинан, пенен,
1,2,3-пропантриол триацетат, циспропенилбензол, пропионовый ангидрид, пропилциклогексан, пропил бензоат,
сквален,
тетраэтилгерманий,
тетраэтилолово,
тетрагидропиран-2-метанол,
2,6,10,14тетраметилпентадекан, трибутиламин, трибутил борат, трибутил фосфат, 1,3,5-триметилбензол, 2,6,8триметил-4-нонанон, триметилфосфат, 1,2,4-триметилпиперазин, трипропиламин, 1-ундецен, их смеси, также как смеси пропиленгликоля и этиленгликоля с водой, где отношение алкиленгликоля к воде составляет от
60:40 до 95:5.
4. Материал по п. 1, отличающийся тем, что жидкость-носитель является полисилоксаном или перфторированным полиэфиром и имеет вязкость приблизительно между 3 и 200 сП при 25 °С.
5. Материал по п. 4, отличающийся тем, что жидкость-носитель имеет вязкость приблизительно между
5 и 100 сП при 25 °С.
6. Материал по п. 4, отличающийся тем, что полисилоксан является кремниевым гомополимером или
сополимером, содержащим силоксановую полимерную основную цепь, замещенную углеводородными радикалами в качестве боковых и концевых групп, где углеводородные радикалы могут быть либо радикалами
с прямой цепью, разветвленными, либо циклическими, также как алифатическими или ароматическими с количеством атомов углерода в пределах от 1 до приблизительно 8, где углеводородные радикалы могут содержать функциональные группы Н, N, O, S, Cl, Br или F.
7. Материал по п. 6, отличающийся тем, что полисилоксан выбран из группы, включающей полидиметилсилоксаны, полиметилфенилсилоксаны, поли(метил-3,3,3-трифторпропил)силоксаны, полихлорфенилметилсилоксаны, диметил(тетрахлорфенил)силоксановые сополимеры, диметил(-фенилметил)силоксановые
сополимеры, диметил(дифенил)силоксановые сополимеры и метил-3,3,3-трифторпропил(диметил)силоксановые сополимеры.
8. Материал по п. 7, отличающийся тем, что полисилоксан является полидиметилсилоксаном.
9. Материал по п. 4, отличающийся тем, что перфторированный полиэфир является линейным фторированным полимером, содержащим полиэфирную основную цепь, состоящую из атомов углерода и кислорода
с функциональными группами либо CF3, либо F.
10. Материал по п. 9, отличающийся тем, что перфторированный полиэфир соответствует следующей
формуле I:
F
F
C
F
[( O
A
F
C
C )
v
F
F
F
(O
C) ]
w
F
F
O
C
F
,
F
где А - F или СF3, и отношение v/w составляет приблизительно от 30 до 50.
11. Материал по п. 10, отличающийся тем, что отношение v/w составляет приблизительно 35-45.
12. Материал по п. 1, отличающийся тем, что компонент в виде частиц состоит из парамагнитного, суперпарамагнитного или ферромагнитного соединения.
13. Материал по п. 12, отличающийся тем, что компонент в виде частиц состоит из материалов, выбранных из группы, включающей железо, сплавы железа, окись железа, нитрид железа, карбид железа, карбонильное железо, двуокись хрома, низкоуглеродистую сталь, кремнистую сталь, никель, кобальт и их смеси.
14. Материал по п. 1, отличающийся тем, что компонент в виде частиц является металлическим порошком, выбираемым из группы, включающей непосредственно полученные порошки железа, порошки восстановленного железа, порошки изолированного восстановленного железа и порошки кобальта.
2
BY 3036 C1
15. Материал по п. 1, отличающийся тем, что частицы являются порошком непосредственно полученного железа, порошком восстановленного железа и смесью порошок окиси железа/порошок непосредственно полученного железа или смесью порошок окиси железа/порошок восстановленного железа.
16. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит поверхностно-активное вещество.
17. Материал по п. 16, отличающийся тем, что поверхностно-активное вещество выбрано из группы,
включающей ферроолеат и нафтенат, алюминиевые мыла, щелочные мыла, сульфонаты, фосфатные эфиры,
стеариновую кислоту, глицеролмоноолеат, сорбитансексвиолеат, стеараты, лаураты, жирные кислоты, жирные спирты, фторалифатические полимерные эфиры, мелкодисперсную гидрофобную окись кремния, преципитированный силикагель, и титанатные, алюминатные или цирконатные связующие вещества.
18. Материал по п. 17, отличающийся тем, что поверхностно-активное вещество является мелкодисперсной гидрофобной окисью кремния, полученной распылением, преципитированным силикагелем, фосфатным эфиром, фторалифатическим полимерным эфиром или связующим веществом.
19. Материал по п. 16, отличающийся тем, что преципитированный силикагель высушен в конвекционной печи при температуре приблизительно от 110 до 150 °С в течение периода времени приблизительно от 3
ч до 24 ч.
20. Материал по п. 16, отличающийся тем, что осаждение частиц минимизировано путем формирования
тиксотропной сетки.
21. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он содержит жидкость-носитель в количестве приблизительно от 50 до 95 об. % и компонент в виде частиц присутствует в количестве приблизительно от 5 до 50 об.
% от всего магнитореологического материала.
22. Материал по п. 21, отличающийся тем, что жидкость-носитель присутствует в количестве приблизительно от 60 до 85 об. %, и компонент в виде частиц присутствует в количестве приблизительно от 15 до 40
об. %.
(56)
1. AU 162371 А, МПК H 01F 1/28, 1952.
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 с низкой вязкостью, которые существенно уменьшают изменение силы, требующееся от магнитореологического устройства, в данном диапазоне
температур.
Жидкие составы, которые подвергаются изменению кажущейся 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 микрона, 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 кажущуюся вязкость или гидродинамическое сопротивление всего материала, и в отсутствие магнитного поля частицы возвращаются в неорганизованное или свободное состояние,
и кажущаяся 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 изменяющихся 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. Магнитореологические материалы изначально имеют ряд преимуществ перед
электрореологическими материалами в этих применениях. Магнитореологические жидкости проявляют более высокие усилия 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 энергии, 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 и 07/900571 и 07/900567, озаглавленных «Демпферы на магнитореологических жидкостях» и
«Устройства на магнитореологических жидкостях», соответственно, обе зарегистрированы на 18 июня 1992
года, полное содержание которых включены в описание с помощью ссылок.
3
BY 3036 C1
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 нанометров. При приложении магнитного поля коллоидная феррожидкость не
проявляет структурирования частиц или развития сопротивления потоку. Вместо этого, коллоидные магнитные жидкости испытывают объемную силу, действующую 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 № 2575360 дает описание электромеханически контролируемого устройства для приложения момента, которое использует магнитореологические материалы 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 через
использование магнитных или электрических полей, описано в патенте США № 2661825. Пространство
между подвижными частями заполнено средой, чувствительной к полю. Развитие потока магнитного или
электрического поля через эту 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 № 2886151 описывает устройства для передачи усилия, такие как сцепления и тормоза, которые используют сцепление на пленке жидкости, чувствительной либо к электрическим, либо к 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 сантипуазов (сП) при 25 °С.
Конструкция клапанов, пригодных для контроля потока магнитореологических жидкостей, описана в патентах США №№ 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 и 3010471, содержит суспензию карбонильного
железа в легком углеводородном масле. Смеси магнитных жидкостей, описанные как пригодные в патенте
США № 2670749, состоят из порошка карбонильного железа, диспергированного либо в силиконовом масле,
либо в хлорированной или фторированной суспендирущей жидкости.
Смеси различных магнитореологических материалов описаны в патенте США № 2667237. Смесь определяют как дисперсию малых парамагнитных или ферромагнитных частиц либо в жидкости, охлаждающей
жидкости, газеантиоксиданте, либо в полутвердой смазке. Предпочтительный состав магнитореологического
материала состоит из порошка железа и легкого машинного масла. Особенно предпочтительным магнитным
порошком, как утверждается, является порошок карбонильного железа со средним размером частиц 8 микрометров. Другие возможные компоненты-носители включают керосин, смазку и силиконовое масло.
Патент США № 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 изолированным порошком восстановленного карбонильного
железа, такими, как производимые GAF Corporation, являющимися особенно предпочтительными. Жидкостьноситель описана как имеющая вязкость в диапазоне от 1 до 1000 сП при 38 °С. Конкретные примеры соответствующих носителей включают масло Сопосо LVT, керосин, легкое парафиновое масло, минеральное
масло и силиконовое масло. Предпочтительная жидкость-носитель является силиконовым маслом, имеющим
вязкость в диапазоне от приблизительно 10 до 1000 сП при 38 °С.
Является желательным, чтобы сплошной компонент или жидкость-носитель магнитореологического материала проявляла некоторые базовые характеристики. Эти характеристики включают:
(а) химическую совместимость как с компонентом частиц в жидкости, так и с материалами устройства;
(b) относительно низкую стоимость;
(c) низкое температурное расширение; и
(d) высокую плотность.
Магнитореологические материалы должны также быть неопасными для окружающей среды и, что более
важно, быть способными функционировать непрерывно в широком диапазоне температур.
Большинство компонентов жидкости-носителя, которые традиционно используют в магнитореологических материалах, как описано ранее, не могут адекватно удовлетворять всем этим основным требованиям.
Например, многие из ранее описанных магнитореологических материалов вызывают большие изменения силы, показываемой с помощью магнитореологического устройства, использующего материалы, в широком
диапазоне температур. Таким образом, многие из магнитореологических материалов, приготовленных с традиционными жидкостями-носителями, не могут быть эффективно использованы в автомобильных или аэро4
BY 3036 C1
космических демпфирующих устройствах и им подобных, которые требуют непрерывного приложения точно контролируемой силы при температурах, меняющихся в широких пределах.
Характеризация рабочих характеристик магнитореологических материалов по отношению к изменению
рабочей температуры является жизненно необходимой для успешной коммерциализации большинства магнитореологических приборов, таких как сцепления, тормоза, демпферы, поглотители ударов и опоры двигателей. Все эти устройства обязательно испытывают изменения рабочей температуры за время их жизни. Например, описания автомобильных и аэрокосмических приложений обычно требуют от прибора работать и
переживать пребывание при температурах, изменяющихся от приблизительно от -40 °С до 150 °С.
Следовательно, существует потребность в магнитореологических материалах, которые проявляют ограниченное изменение свойств в широком диапазоне температур.
Данное изобретение относится к магнитореологическим материалам, которые проявляют достаточный
магнитореологический эффект при минимальном изменении механических свойств по отношению к изменениям температуры. Более конкретно, данное изобретение содержит жидкость-носитель и компонент
частиц, отличающиеся тем, что жидкость-носитель имеет изменение вязкости (η) на градус температуры (Т)
(отношение ∆ η/ ∆ T), меньшее чем или равное приблизительно 9,0 сП/°С в диапазоне температур от 25 °С
до -40 °С.
В настоящее время обнаружено, что жидкости-носители, имеющие отношение ∆ η/ ∆ Т, меньшее чем
или равное 9,0 сП/°С в диапазоне температур от 25 °С до -40 °С, могут быть использованы для приготовления магнитореологических материалов, которые имеют необычно низкое изменение механических свойств в
широком диапазоне температур. Обычные жидкости-носители, такие как минеральные масла и парафиновые
масла, обычно имеют отношение ∆ η/ ∆ Т, большее чем предел описанный выше, и, следовательно, являются неприемлемыми для использования в широком диапазоне температур. Полисилоксаны и перфторированные полиэфиры, имеющие вязкость между приблизительно 3 до 200 сП при 25 °С, имеют соответствующее
отношение ∆ η/ ∆ Т и могут быть использованы для приготовления особенно предпочтительных магнитореологических материалов, которые имеют необычно малое изменение механических свойств в широком
диапазоне температур. Более конкретно, магнитореологические материалы данного изобретения, когда они
используются в устройстве, таком как демпфер, опора или сцепление, проявляют значительно меньшее изменение выходной силы в диапазоне температур от приблизительно -40 °С до 150 °С, по сравнению с
устройствами, использующими магнитореологические материалы, приготовленные с традиционными жидкостями-носителями.
Фигура представляет выходную силу для линейного магнитореологического демпфера, представленную как функцию температуры. Данные о силе, полученные для этого демпфера для магнитного поля приблизительно 1000 эрстед с использованием магнитореологического материала с низкой вязкостью, согласно
данному изобретению (пример 1), находится в контрасте с данными, полученными с этим демпфером при
подобных условиях с использованием сравнительного магнитореологического материала с более высокой
вязкостью (пример 2).
Магнитореологический материал данного изобретения содержит жидкость-носитель и компонент в виде
частиц, отличающийся тем, что жидкость-носитель имеет изменение вязкости на градус температуры (отношение ∆ η/ ∆ Т), меньшее чем или равное 9,0 сП/°С, предпочтительно меньшее чем или равное 7,0 сП/°С, в
диапазоне температур от 25 °С до -40 °С.
Примеры жидкостей-носителей, имеющих подходящее отношение ( ∆ η/ ∆ Т), включают пропиленгликоль, уксусный ангидрид, аллилизоцианат, бензилацетат, бис(2-бутоксиэтил)эфир, бис(2-хлорэтил)эфир, бис(2этоксиэтил)эфир, бис(2-этилгексил)-о-фталат, бис(2-меркаптоэтил)сульфид, бис(2-метоксиэтил)эфир, 1бромгептан, 1-бромгексан, 1-бромоктан, 1,3-бутадиол, 2-(2-бутоксиэтокси)этанол, бутилбензол, бутилциклогексан, N-бутилдиэтаноламин, масляный ангидрид, 1-хлор-2-этилбензол, 1-хлор-4-этилбензол, 1-хлоргептан,
1-хлороктан, 3-хлорпропионитрил, 3-хлортолуол, циклогексанон, циклогексилацетат, циклооктиламин, декаментилтетрасилоксан, 1-децен, 1,2-дибромбутан, 1,2-дибром-1,1-дихлорэтан, 1,2-дибутоксиэтан, дибутил
дисульфид, дибутил малеат, дибутил сульфид, 2-диэтиламиноэтанол, 1,4-диэтилбензол, диэтил броммалонат, диэтилсульфид, ди-(2-этилгексил)-о-фталат, диэтилмалонат, N,N-диметилбензиламин, N,Nдиметил-формамид,
диметил
малонат,
2,4-диметилпиридин,
дипропил
дисульфид,
2-(2этоксиэтокси)этанол, 2-этоксиэтил ацетат, 2-этиламино)этанол, N-этиланилин, N-этилдиэтаноламин, 2,2i
-(этилендиокси)бисэтанол, этил гептаноат, этил гексаноат, 2-этилгексановая кислота, 2-этил-1-гексанол, 2этилгексил ацетат, этил октаноат, S-этилтиоэтанол, этилтолуол, 4-фтор-1-метоксибензол, глицерил трибутират, гептакософтор-трибутиламин, гептанал, 1-гептантиол, гексафтор-2-фенил-2-пропанол, цисгексагидроиндан, 2,5-гександиол, гексаннитрил, 1-гексантриол, 1-гексанол, гексил ацетат, 3-гидроксипропионитрил, индан, 1-йодгептан, 1-йодпентан, 2-гидроксиэтилгидразин, 4-гидрокси-4-метил-2-пентанон, изобутилбензол, изопропилбензол, изопропилциклогексан, изопропил-1-метилбензол, лимонен, 3-метокси-1бутанол, 2-(2-метоксиэтокси)этанол, метил ацетоацетат, N-метиланилин, метилциклопентадиен димер, метил
гептаноат, метил гексаноат, I-метилимидазол,
5
BY 3036 C1
4-метилпентаннитрил, 2-метилпентановая кислота, 2-метилпропионовая кислота, 1-нитробутан, 2нитроэтанол, нонан, нонаил хлорид октаннитрил, 1-октантиол, октаноил хлорид, 1,5-пентан-диамин, пентил
ацетат, 1-фенилгексан, пинан, пенен, 1,2,3-пропантриол триацетат, циспропенилбензол, пропионовый ангидрид, пропилциклогексан, пропил бензоат, сквален, тетраэтилгерманий, тетраэтилолово, тетрагидропиран-2метанол, 2,6,10,14-тетраметилпентадекан, трибутиламин, трибутил борат, трибутил фосфат, 1,3,5триметилбензол, 2,6,8-триметил-4-нонанон, триметилфосфат, 1,2,4-триметилпиперазин, трипропиламин, 1ундецен, и их смеси, также как смеси пролиленгликоля и этиленгликоля с водой, где отношение алкиленгликоля к воде составляет от 60:40 до 95:5.
Предпочтительными жидкостями-носителями по данному изобретению являются полисилоксаны и перфторированные полиэфиры, имеющие вязкость между приблизительно 3 и 200, предпочтительно между
приблизительно 5 и 100 сП, при 25 °С.
Полисилоксаны данного изобретения могут быть любым силиконовым гомополимером или сополимером, содержащим силоксановую полимерную основную цепь, замещенную углеводородными радикалами в
качестве боковых и конечных групп. Углеводородные радикалы могут быть либо радикалами с прямой цепью, разветвленными, либо циклическими, также как и алифатическими или ароматическими с количеством
атомов углерода в пределах от 1 до приблизительно 8. Кроме того, углеводородные радикалы могут содержать
функциональные группы Н, N, О, S, С1, Вr или F, как в случае фторированных полисилоксанов. Примеры
коммерчески доступных полисилоксанов включают полидиметилсилоксаны, полиметилфенилсилоксаны,
поли(метил-3,3,3-трифторпропил)силоксаны,
полихлорфенилметилсилоксаны,
диметил
(тетрахлорфенил)силоксановые сополимеры, диметил(фенилметил)силоксановые сополимеры, диметил(дифенил)силоксановые сополимеры, и метил-3,3,3-трифторпропил(диметил)силоксановые сополимеры,
с полидиметилсилоксанами, являющимися предпочтительными.
Перфторированные полиэфиры могут быть любыми линейными фторированными полимерами, содержащими полиэфирную основную цепь, состоящую из атомов углерода и кислорода с функциональными
группами либо CF3, либо F. Перфторированные полиэфиры данного изобретения соответствуют следующей
формуле:
(1) ,
где А может быть F или СF3 , и отношение V/ W составляет от 30 до 50, предпочтительно от 35 до 45. Примеры коммерчески доступных перфторированных полиэфиров включают фторированные жидкости как
GALDEN, так и FOMBLIN, доступные в Montedison USA, Incorporated.
Полисилоксаны и перфторированные полиэфиры данного изобретения могут быть получены с помощью
способов, известных из литературы, и многие из них являются коммерчески доступными, как описано выше.
Вязкость коммерчески доступных полисилоксанов и перфторированных полиэфиров может, если нужно,
быть уменьшена с помощью технологий, хорошо известных из литературы по производству кремниевых и
кремнийорганических соединений. Такие технологии включают термическую деполимеризацию при высоких температурах и пониженных давлениях, также как и кислотную и основную полимеризацию в присутствии соответствующего вещества, блокирующего концевые группы, такого как гексаметилдисилоксан.
Из-за их способности проявлять несколько более слабую зависимость вязкости от температуры, полисилоксаны являются более предпочтительными, чем перфторированные полиэфиры, для использования в данном изобретении с полидиметилсилоксанами, являющимися особенно предпочтительными.
Жидкость-носитель данного изобретения может также быть смесью двух или более из любых жидкостейносителей, описанных выше.
Жидкость-носитель данного изобретения обычно используется в количестве, заключенном в пределах от
приблизительно 50 до 95, предпочтительно от приблизительно 60 до 85, объемных процентов от общего
магнитореологического материала. Это соответствует приблизительно от 2 до 70, предпочтительно от приблизительно 15 до 41, весовых процентов, когда жидкость-носитель и частицы магнитореологического материала имеют удельный вес приблизительно 0,95 и 7,86 соответственно.
Является императивом, чтобы жидкости-носители данного изобретения имели (отношение ∆ η/ ∆ Т),
меньшее чем или равное приблизительно 9,0 сП/°С в диапазоне температур от 25 °С до -40 °С, поскольку
жидкости-носители, имеющие отношение ∆ η/ ∆ Т в этом диапазоне, как обнаружено, сообщают неожиданно превосходную температурную стабильность соответствующему магнитореологическому материалу. Конкретно, магнитореологические материалы с низкой вязкостью данного изобретения способны проявлять
значительно меньшее изменение механических свойств в диапазоне температур приблизительно от -40 °С до
6
BY 3036 C1
150 °С, чем магнитореологические материалы, приготовленные с более вязкими полисилоксанами, более
вязкими перфторированными полиэфирами или обычными компонентами-носителями, такими как парафиновые или минеральные масла. Следовательно, устройства (то есть, демпферы, опоры, сцепления и так далее), которые используют магнитореологические материалы данного изобретения, проявляют более постоянную выходную силу в широком диапазоне температур, чем устройства, использующие
магнитореологические материалы, приготовленные с традиционными компонентами-носителями.
Минимальное изменение механических свойств по отношению к изменению температуры данных магнитореологических материалов является преимуществом, которое позволяет конструирование более малых,
более эффективных устройств в большинстве применений. Кроме того, магнитореологические материалы с
низкой вязкостью по данному изобретению дают инженеру-конструктору большую свободу в выборе окончательной геометрии или формы устройства, также как и в способах контроля потребления энергии устройством.
Компонент частиц магнитореологического материала по данному изобретению может быть составлен из
практически любого твердого материала, о котором известно, что он проявляет магнитореологическую активность. Типичный компонент частиц, пригодный для использования в данном изобретении состоит, например, из парамагнитных, суперпарамагнитных или ферромагнитных соединений. Конкретные примеры
компонентов частиц, пригодных для использования в данном изобретении, включают частицы, состоящие из
материалов, таких как железо, окись железа, нитрид железа, карбид железа, карбонильное железо, двуокись
хрома, низкоуглеродистая сталь, кремнистая сталь, никель, кобальт и их смеси. Окись железа включает все
чистые окислы железа, такие как Fе2О3 и Fе3O4, также как и те, которые содержат малые количества других
элементов, таких как марганец, цинк или барий. Конкретные примеры окисла железа включают ферриты и
магнетиты. Кроме того, компонент частиц может состоять из любых известных сплавов железа, таких как те,
которые включают алюминий, кремний, кобальт, никель, ванадий, молибден, хром, вольфрам, марганец
и/или медь. Компонент частиц также может состоять из конкретных железо-кобальтовых и железоникелевых сплавов, описанных в заявке на патент США, озаглавленной «Магнитореологические материалы,
на основе частиц сплавов», зарегистрированной одновременно с данной заявителями J.D. Carlson и
K.D.Weiss и также предназначенной для данного представления, полное описание которой включается сюда
путем упоминания.
Компонент частиц обычно находится в форме металлического порошка, который может быть получен с
помощью способов, хорошо известных специалистам, типичные способы, для приготовления металлических
порошков включают восстановление оксидов металлов, шлифование или растирание, электролитическое
осаждение, разложение карбонила металла, быстрое отверждение или получение из расплава. Различные металлические порошки, которые являются коммерчески доступными, включают непосредственно полученные
порошки железа, порошки восстановленного железа, порошки изолированных частиц восстановленного
железа и порошки кобальта. Диаметр используемых частиц может находится в пределах от 0,1 до 50,0
мкм, и предпочтительно в пределах от 1,0 до 50 мкм.
Предпочтительными частицами данного изобретения являются непосредственно полученные порошки
железа, порошки восстановленного железа, смеси порошок окиси железа/порошок непосредственно полученного железа и смеси порошок окиси железа/порошок восстановленного железа. Смеси порошок окиси
железа/порошок железа имеют то преимущество, что порошок окиси железа при смешивании с порошком
железа, как полагают, удаляет любые продукты коррозии с поверхности порошка железа, чтобы усилить таким образом магнитореологическую активность материала в целом. Смеси порошок окисла железа/порошок
железа далее описаны в заявке на патент США, озаглавленной «Магнитореологические материалы, использующие частицы с модифицированной поверхностью», зарегистрированной совместно с данной заявителями
K.D. Weiss, J.D. Carlson и D.A.Nixon, и такие предназначенную для данного представления, полное описание
которой включается сюда путем упоминания.
Компонент частиц обычно составляет от 5 до 50, предпочтительно от 15 до 40, объемных процентов общего состава, в зависимости от желаемой магнитной активности и вязкости всего материала. Это соответствует от 30 до 89, предпочтительно от 59 до 85, весовых процентов, когда жидкость-носитель и частицы магнитореологического материала имеют удельный вес 0,95 и 7,86 соответственно.
В данном изобретении для диспергирования компонента частиц также может быть использовано поверхностно-активное вещество. Такие поверхностно-активные вещества включают известные поверхностноактивные вещества или диспергирующие вещества, такие как ферроолеат и нафтенат, металлические мыла
(например, тристеарат и дистеарат алюминия), щелочные мыла (например, стеарат лития и натрия), сульфонаты, фосфатные эфиры, стеариновую кислоту, глицеролмоноолеат, сорбитансесквиолеат, стеараты, лаураты, жирные кислоты, жирные спирты и другие поверхностно-активные вещества, обсуждаемые в патенте США № 3047507 (включенном сюда путем упоминания). Кроме того, необязательно поверхностноактивное вещество может состоять из стерически стабилизирующих молекул, включая фторалифатические
полимерные эфиры, такие как ГС-430 (ЗМ Corporation), и титанатные, алюминатные или цирконатные связывающие вещества, такие как связывающие вещества KENREACT (Kenrich Petrochemical, Inc.). Необяза7
BY 3036 C1
тельное поверхностно-активное вещество может также быть порошками гидрофобных окислов металлов, таких как AEROS IL R 972, R 974, EPR 976, R 805 и R 812 (Degused Corporation) и CABO SIL TS -530 и TS-610
(Cabot Corporation) гидрофобной мелкодисперсной окисью кремния с обработанной поверхностью. Наконец, преципитированный силикагель, такой как тот, который описан в патенте США 4992190 (включенном сюда путем упоминания), может быть использован для диспергирования компонента частиц. В порядке
уменьшения присутствия влажности в магнитореологическом материале является предпочтительным, чтобы
дисперсант на основе преципитированного силикагеля, если используется, был бы высушен в конвекционной печи при температуре от 110 °С до 150 °С в течение периода времени от 3 ч до 24 ч.
Поверхностно-активное вещество, если используется, является предпочтительно гидрофобной мелкодисперсной окисью кремния, «высушенным» преципитированным силикагелем, фосфатным эфиром, фторалифатическим полимерным эфиром или связывающим веществом. Необязательное поверхностно-активное
вещество может быть использовано в количестве, находящемся в пределах от 0,1 до 20 весовых процентов
по отношению к весу компонента частиц.
Осаждение частиц может быть минимизировано в магнитореологических материалах данного изобретения путем формирования тиксотропной сети. Тиксотропная сеть определяется как суспензия частиц, которые при низких скоростях сдвига образуют рыхлую структуру, иногда упоминаемую как кластеры или флоккуляты. Присутствие этой трехмерной структуры придает малую степень жесткости магнитореологическому
материалу, тем самым уменьшая осаждение частиц. Однако, когда сдвиговая сила прикладывается путем
легкого встряхивания, эта структура легко разрушается или диспергируется. Когда сдвиговое усилие удаляется, рыхлая сеть восстанавливается через некоторое время.
Тиксотропная сеть или структура образуется с помощью использования тиксотропного вещества, связывающего водород и/или полимерномодифицированного окисла металла. Коллоидные добавки также могут
быть использованы, для содействия в образовании тиксотропной сети. Образование тиксотропной сети, использующее тиксотропные вещества, связывающие водород, полимерномодифицированные окислы металлов и коллоидные добавки, далее описывается в заявке на патент США, озаглавленной «Тиксотропные
магнитореологические материалы», зарегистрированной совместно с данной заявителями К. D.Weiss,
D.A.Nixon, J.D.Carlson и A.J.Margidа и также предназначенную для данного представления, полное описание
которой включается сюда путем упоминания.
Магнитореологические материалы данного изобретения могут быть получены путем первоначального
совместного смешивания ингредиентов вручную (слабый сдвиг), шпателем или чем-то подобным, а затем
последующего более тщательного перемешивания (сильный сдвиг), с помощью гомогенизатора, механического миксера или шейкера, или диспергирования с помощью соответствующего измельчающего устройства, такого как шаровая мельница, песочная мельница, растирающая мельница, мельница для красок, коллоидная мельница или им подобные, в порядке создания более стабильной суспензии. Оценка механических
свойств и характеристик магнитореологических материалов данного изобретения, также как и других магнитореологических материалов, может быть получена с помощью реометрии в зазоре между параллельными
пластинками и/или концентрическими куэттовскими цилиндрами. Теории, которые обеспечивают основу
этих способов, адекватно описаны S.Oка в Rheology, Theory and Applications (Volume 3, F.R. Eiriched, Academic Press; New York, 1960), полное содержание которой включено сюда путем упоминания. Информация,
которая может быть получена от реометра включает данные, касающиеся механического напряжения сдвига
как функция скорости сдвига. Для магнитореологических материалов данные зависимости сдвигового напряжения от скорости сдвига могут моделированы на основе теории пластического течения Бингхема в порядке определения динамического напряжения текучести и вязкости. В рамках согласия с этой моделью динамическое напряжение текучести для магнитореологического материала соответствует пересечению
подгоночной кривой линейной регрессии экспериментальных данных в точке с нулевой скоростью сдвига с
вертикальной осью координат. Магнитореологический аспект при конкретном значении магнитного поля
может быть далее определен как разность между значениями динамического предела текучести, измеренными при этом магнитном поле, и динамическим пределом текучести, измеренным в отсутствие магнитного
поля.
При конфигурации ячейки в виде концентрических цилиндров магнитореологический материал размещают в круговой зазор, образованный между внутренним цилиндром радиуса R1 и внешним цилиндром радиуса R2, в то время как при простой конфигурации параллельных пластин материал помещают в плоский
зазор, образованный между верхней и нижней пластинками, обе радиусом R3. В этих методиках либо одна из
пластин, либо один из цилиндров вращают затем с угловой скоростью w, в то время как другая пластина или
цилиндр поддерживается неподвижным. Магнитное поле обычно прикладывают к ячейкам этих конфигураций 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 из этой угловой скорости и момента Т, приложенного для ее поддержания
или сопротивления ей.
8
BY 3036 C1
Испытание различных применений конкретных устройств, таких как демпферы, опоры и сцепления, которые используют магнитореологические материалы данного изобретения, либо другие магнитореологические материалы, является вторым способом оценки механических рабочих характеристик этих материалов.
Устройство, содержащее магнитореологический материал, попросту соединяют с механическим приводом, и
оно работает при конкретной амплитуде смещения и частоте. Магнитное поле соответствующим образом
прикладывают к устройству, и выходную силу определяют из получаемых в результате волнообразных зависимостей растяжения/сжатия от времени. Методология, используемая для тестирования демпферов, опор и
сцеплений является хорошо известной для специалистов по контролю вибраций.
Последующие примеры даны для иллюстрации изобретения и не должны рассматриваться как ограничивающие рамки изобретения. В примерах все вязкости установлены как являющиеся измеренными при 25 °С
и даны в сантипуазах (сП).
Пример 1.
Магнитореологический материал приготавливают путем добавления друг к другу общего количества
1257,6 г непосредственно полученного порошка карбонильного железа. (MICROPO WDER-S-1640, который
подобен старому порошку железа с обозначением ЕI от GAF Chemicals Corporation), 25,0 г Mn/Zn феррита
(# 73302-0 D.M. Steward Manufacturing, Company), 17,3 г. силоксан олигомер - модифицированной окиси
кремния (САВО S IL TS-720, Cabot Corporation) в виде полимер-модифицированного окисла металла и 25,2 г
дисперсанта на основе фосфатного эфира (EMPHO S CS-141, Witro Chemical Corporation ) с 294,7 г полидиметилсилоксанового масла (1 - 45, 10 сантистоксов, Union Carbide Chemical and Plastics Company, Inc).
Вязкость полидиметилсилоксана, как измерено с помощью реометрии на концентрических цилиндрах, составляет приблизительно 16 сП. Магнитореологический материал превращают в гомогенную смесь за период в 16 часов, используя растирающую мельницу. Материал хранят в полиэтиленовом контейнере до использования.
Сравнительный пример 2.
Магнитореологический материал приготавливают в соответствии с процедурой, описанной в примере 1.
Однако в этом примере полидиметилсилоксановое масло с вязкостью 16 сП заменяют более вязким силиконовым маслом (PS 042, 50 сантистоксов (Huls America Inc.). Вязкость силиконового масла, как измерено с
помощью реометрии на концентрических цилиндрах, составляет приблизительно 660 сП. Магнитореологический материал хранят в полиэтиленовом контейнере до использования.
Механические свойства примеров 1 и 2.
Механические рабочие характеристики магнитореологических материалов, приготовленных в примерах 1
и 2, оценивают в линейном магнитореологическом демпфере в диапазоне температур от -40° до 150 °С. Более конкретно, этот демпфер содержит примерно 250 мл магнитореологического материала, который принуждают течь с помощью движения поршня. Магнитное поле производится и контролируется поперек зазора в устройстве путем приложения электрического тока к электромагнитной катушке, содержащейся внутри
поршня. Ширина этого зазора, через который течет жидкость, составляет приблизительно 1,5 мм. Во время
тестов демпфер работает при частоте 1,0 гц с амплитудой смещений ± 1,252 см. Магнитное поле соответственно прикладывается к устройству, и выходная сила определяется из получаемой в результате волнообразной зависимости растяжения/сжатия от времени. Выходная сила этого линейного демпфера, использующего
магнитореологический материал данного изобретения с низкой вязкостью (пример 1), сравнивают на фигуре
1 с выходной силой того же демпфера, использующего сравнительный магнитореологический материал с
высокой вязкостью (пример 2). На этой фигуре измеренные данные о силе при магнитном поле приблизительно 1000 эрстед представлены графически как функция температуры. Демпфер, использующий магнитореологический материал данного изобретения, как наблюдается, обеспечивает относительно постоянную
(менее чем приблизительно 15 % изменения) выходную силу в диапазоне температур от -40 до 150 °С, в то
время как выходная сила того же демпфера изменяется приблизительно более чем на 70 % в этом диапазоне
температур, когда используют сравнительный магнитореологический материал примера 2.
Уменьшение вязкости фторированных полисилоксанов.
К реакционной колбе, снабженной магнитной мешалкой в виде бруска, добавляют 500 мл поли(метил3,3,3-трифторпропил)силоксана (PS 181, 300 сантистоксов, Huls America Inc.), 108 г концентрированной серной кислоты: (Aldrich Chemical Со.) и 51,0 г гексаметилдисилоксана (99,95 %, Aldrich Chemical Co) .
Затем реакционную колбу плотно соединяют с осушающей трубой. Реакционную смесь перемешивают в
течение 5 дней при комнатной температуре. Общее количество 100 мл дистиллированной деионизованной
воды добавляют к реакционной смеси. После перемешивания в течение двух часов органический слой удаляют и промывают три раза со 100 мл порциями дистиллированной деионизованной воды, четыре раза с 40
мл порциями 10-процентного раствора бикарбоната натрия и семь раз со 100 мл порциями дистиллированной деионизованной воды. Любой избыток гексаметилцисилоксана удаляют при пониженном давлении при
60 °С. Оставшийся поли(метил-3,3,3-трифторпропилэсилоксан характеризуют с помощью инфракрасной
спектроскопии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса 13С, и вязкость, как измерено с использова-
9
BY 3036 C1
нием реометрии на концентрических цилиндрах, составляет приблизительно 83 сП (66 сантистоксов). Этот
фторированный полисилоксан с низкой плотностью хранят в полиэтиленовой бутыле до использования.
Примеры 3-5.
Магнитореологические материалы приготавливают путем добавления общего количества 117,9 г порошка карбонильного железа {MICROPOWDER-S-1640, GdF Chemicals Corporation) к соответствующей жидкости-носителю, как указано в таблице 1. Магнитореологический материал превращают к гомогенную смесь
при помощи комбинированного использования технологии диспергирования при слабом сдвиге и при сильном сдвиге. Конкретно, частицы и жидкости-носители сначала перемешивают вручную, а затем диспергируют более тщательно, используя высокоскоростной диспергатор (?), снабженный 16-зубцевой вращающейся головкой. Весовое количество частиц железа, содержащихся в каждом магнитореологическом
материале, эквивалентно объемной доле 0,30. Магнитореологические материалы хранятся в полиэтиленовых
контейнерах.
Таблица 1
Пример №
3
4
5
Вес масла
Описание жидкости-носителя
(граммы)
44,80
83 сП, поли(метил-3,3,3-трифторпропил)-силоксан, приготовлен как описано
выше
35,00
50 сП, [88-92 %]-диметил[8-12 %]-фенилметил-силоксан (PS 061,50 сантистоксов, Huls America Inc., )
64,40
27 сантипуазов, перфторированный полиэфир (GAL DEN D -10, 12 сантистоксов, Montedision USA, Inc)
Механические свойства примеров 3-5.
Механические свойства магнитореологических материалов, приготовленных в примерах 3-5, оценивают с
помощью использования реометрии на параллельных пластинках. Все магнитореологические материалы, как
наблюдается, проявляют значительное динамическое напряжение текучести при 25 °С и магнитных полях;
2000 и 3000 эрстед. Эти значения напряжения текучести представлены ниже в таблице 2 и определяются как
пересечение с осью у подгоночной кривой линейной регрессии зависимости напряжения сдвига от скорости
сдвига по данным, полученным на реометре.
Таблица 2
Пример
3
3
4
4
5
5
Магнитное поле (эрстеды)
2000
3000
2000
3000
2000
3000
Напряжение текучести (кПа)
40,17
51,11
31,37
48,15
42,54
52,32
Как можно увидеть из приведенных выше примеров, магнитореологические материалы данного изобретения проявляют значительную магнитореологическую активность и способны проявлять стабильные рабочие характеристики в диапазоне температур от -40 °С до 150 °С. Неизменные рабочие характеристики
данных материалов при изменяющихся температурах, описанные выше, являются неожиданными в свете
сильно изменяющихся рабочих характеристик традиционных магнитореологических материалов при подобных изменяющихся температурных условиях.
Очевидно, что проведенное выше является описанием предпочтительных воплощений данного изобретения, и что рамки изобретения не являются ограниченными конкретным набором составляющих условий,
представленных выше, но определяются с помощью формулы изобретения.
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
10
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
263 Кб
Теги
by3036, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа