專利名稱：電流變流體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于主動減振、潤滑、密封、力矩傳遞、液壓控制等的電流變流體，屬基本電氣元件技術(shù)領(lǐng)域。
已有的電流變流體，如美國專利4，772，407中報導的，在相同電場強度下屈服剪應(yīng)力較低，最大屈服剪應(yīng)力也只有2.4KPa，而且在溫度升高時，性能不穩(wěn)定。
本發(fā)明的目的就是針對目前應(yīng)用的需要，研制一種電流變流體，其宏觀粘度(或屈服剪應(yīng)力)在電場作用下有巨大的變化，比以往電流變流體有很大的提高，在很大的溫度范圍及剪切率范圍內(nèi)流變特性長期穩(wěn)定，電流變效應(yīng)具有完全可重復性，造價低、無毒、無環(huán)境污染。
本發(fā)明的內(nèi)容是電流變流體包括電絕緣的液體作為連續(xù)相，一種孔狀的固體顆粒作為分散相。流體成分中至少有一種成分選自多元醇或水或它們的混合物;至少有一種成分選自酸、堿、鹽或氨基酸或它們的混合物。這些連續(xù)相具有很廣的范圍，任何具有電絕緣特性的液體都可以使用，例如礦物油及合成潤滑油均可使用，特別是甲基硅油、變壓器油、電纜油、雙酯或機械油。它們在50℃時的粘度從5厘沲到300厘沲。
電流變流體中的分散相為孔狀的固體顆粒，它們可以是硅膠、硅藻土、萄聚糖、纖維素、藻酸，特別是鋁硅酸鹽。這些鋁硅酸鹽選自沸石分子篩，特別是3A，4A，5A，13X，ZSM-5，NaY，人造沸石或天然沸石，這些孔狀固體顆粒的直徑為10納米至200微米，特別是10至30微米。它們占整個流體重量的0.1%至50%。如果重量百分比小于0.1%，電流變效應(yīng)就會很低;如果重量百分比大于50%，其分散性常常很差。
電流變流體成分中有一種成分選自酸、堿、鹽或氨基酸或它們的混合物，其中酸選自硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸、醋酸、高氯酸、鉻酸、甲酸、丙炔酸、丁酸、異丁酸、戌酸和丙二酸。其中的堿選自NaOH，KOH，Ca(OH)2，Na2CO3，NaHCO3，K3PO4，Na3PO4，苯胺，烷基胺或2-二羥基乙胺。其中的鹽由金屬與堿和酸組成，它們常常溶于多元醇或水或其混合物中而使用。例如，這些鹽可選自LiCl，NaCl，MgCl2，CaCl2，BaCl2，LiBr，NaBr，MgBr，LiI，NaI，KI，AgNO3，Ca(OH3)2，NaNO2，NH4NO3，K2SO4，Na2SO4，NaHSO4，(NH4)2SO4以及甲酸、醋酸、草酸和琥珀酸的堿金屬鹽。其中的氨基酸可以是任何一種。
這些酸、堿、鹽或氨基酸或它們的混合物占整個流體重量的0.01%至5%，特別是0.1%至2%。如果含量低于0.01%，則電流變效應(yīng)應(yīng)下降;如果含量高于5%，則流過電流變流體的電流將增加，從而增加能量的消耗。
電流變流體成分中有一種成分選自多元醇或水或它們的混合物。在無水情況下其高溫(150℃)電流變效應(yīng)較好。在本發(fā)明中，多元醇常常采用二元醇或三元醇，例如它們可選自乙二醇，丙三醇，丙二醇，丁二醇，己二醇，二甘醇和三甘醇。這一成分的含量為分散相重量的1%至30%，特別是2%至15%。如果含量低于1%，則電流變效應(yīng)下降;如果含量高于30%，則電流增大。
電流變流體還可以包含有分散劑，用以阻止多相液體分相，使混合均勻，電流變效應(yīng)重復性好。這種分散劑為非離子型分散劑，它們可選自硫酸鹽、石丁酸鹽、磷酸鹽、琥珀酰胺或琥珀酰亞胺，特別地，這些分散劑選自硫酸鎂，硫酸鈣，石碳酸鈣，磷酸鈣，聚丁烯琥珀酰胺，單油酸山梨醇或二分之三油酸山梨醇，分散劑占整個流體重量的百分比為0.1%至10%。當然，如果多相流體能很好地混合，則分散劑并不是必須的。
電流變流體，其分散相還可選自帶有過渡金屬陽離子的硅酸鹽，特別地這些金屬陽離子選自IB族金屬。例如鑭Ⅲ、鎂Ⅱ、鈷Ⅱ、鎳Ⅱ、銅Ⅱ或它們的混合物。特別是鑭Ⅲ、鈷Ⅱ或銅Ⅱ或它們的混合物對提高電流變流體的屈服剪應(yīng)力大有益處，并且在較大的溫度及剪切率范圍內(nèi)長期穩(wěn)定。
在前述的各種沸石分子篩中，金屬離子是可以交換的，所以采用離子交換的方法就可以把其中的金屬離子置換成過渡金屬陽離子，特別是La(Ⅲ)，Co(Ⅱ)或Cu(Ⅱ)或它們兼而有之。
本發(fā)明中電流變流體分散相中的金屬陽離子占分散相重量的百分比為1%至50%，特別是5%至30%。
在進行金屬離子置換時，可以使用氣體或液體或它們的混合物或溶液，它們可以是離子型的，也可以是非離子型的。
通常情況下這些置換物可以是單體，也可以是它們的非離子鹽溶液。例如，含有有上述金屬陽離子的鹽可以以硫酸鹽、鹽酸鹽、磷酸鹽或硝酸鹽溶液的形式進行置換。
下面用實例和附圖對本發(fā)明加以說明。
圖1為RV20型流變儀(Haake，德國)的示意圖，用它來測試施加直流電場前后本發(fā)明的電流變流體的屈服剪應(yīng)力以及在不同剪切率和不同溫度下的電流變特性。


圖1流變儀的工作原理2～圖15實施例1～8的各種測試結(jié)果流變儀的工作原理如下如圖1所示，自動控溫儀21自動控制調(diào)溫油箱20的溫度，從而自動控制被測電流變流體17的溫度;間隙調(diào)節(jié)器22用來調(diào)整旋轉(zhuǎn)測頭10與固定測頭18之間的間隙;旋轉(zhuǎn)測頭10上部的圓環(huán)槽內(nèi)裝有導電液11，通過電極12將高壓電源1的直流正極引入旋轉(zhuǎn)測頭10，引線2將高壓電源1的直流負極引入固定測頭18，從而在兩測頭10，18之間形成給定的電場強度。絕緣軸套9及絕緣層19用以將電壓信號與上下兩部分隔離。測量時，由計算機13通過RV20測量儀14和控制器15來自動控制電機6的轉(zhuǎn)速，然后力矩傳感器7通過控制器15將數(shù)據(jù)送入計算機13進行處理，最后由打印機16輸出。其它元件如下3-電極12的夾具;4-絕緣夾層;5-支架;8-電機軸;23-底座。該流變儀的剪應(yīng)力測量誤差為0.1Pa，測量用樣品量少于5毫升。
以下按本發(fā)明配制一系列電流變流體。
例1NaY型沸石分子篩，水懸浮法去掉雜質(zhì)，顆粒直徑2nm至20μm，真空蒸干(-0.1MPa，100℃)96小時。以下所述NaY分子篩的重量均為蒸干后的重量。
取8克氯化鉀，溶于20毫升去離子水中，再溶入10克丙三醇，充分混勻。將160克NaY分子篩與以上混合物充分攪拌，真空蒸干(-0.1MPa，100℃)72小時。
以上混合物作為分散相，取50＃二甲基硅油作為連續(xù)相，按重量百分比(分散相/連續(xù)相)5%，10%，20%，30%，40%混合。RV20流變儀(圖1)測試電流變特性(20℃，100℃)。圖2給出了測量結(jié)果?？v坐標為靜態(tài)屈服剪應(yīng)力(千帕，KPa)，橫坐標為外加直流電場強度(兆伏·米-1，MV/m)。
例2其它條件不變，將氯化鉀改為碘化鉀。
圖3給出了測量結(jié)果。
例3其它條件不變，將氯化鉀改為季戌四醇，結(jié)果如圖4所示。
例4其它條件不變，將氯化鉀改為L-谷氨酸鈉，結(jié)果如圖5所示。
例5其它條件不變，將氯化鉀改為甘氨酸，結(jié)果如所6所示。
例6取100克NaY分子篩，加入1000毫升(0.5M)硝酸鑭溶液中，充分攪拌48小時，然后用去去年離子水清洗數(shù)次，真空抽干(-0.1MPa，100℃)72小時，常壓下200℃加熱2小時。
取2克丙三醇溶于15毫升水，加入以上混合物，真空抽干(-0.1MPa，100℃)96小時，過篩，使顆粒直徑小于30微米，所得產(chǎn)物作為分散相。
50＃機械油加入5%重量的聚丁烯琥珀酰亞胺，將其作為連續(xù)相。
按重量百分比(分散相/連續(xù)相)5%，10%，20%，30%，40%混合，RV20流變儀測試電流變特性(20℃，100℃)。結(jié)果如圖7所示。
例7其它條件均與例6同，將0.5M硝酸鑭溶液改為2M氯化鈷溶液。圖8給出測試結(jié)果。
例8將例6中0.5M硝酸鑭溶液改為2M硫酸銅溶液，并且最后在常壓下115℃加熱24小時。圖9給出測試結(jié)果。
為了節(jié)省篇幅，其它相關(guān)結(jié)果僅以例4和例6為例給出結(jié)果。
圖10給出了例4和例6在100℃，重量百分比30%時的屈服剪應(yīng)力結(jié)果。
圖11和圖12給出了例4和例6中相對應(yīng)的電流強度與電場強度的關(guān)系。縱坐標為電流強度(毫安·米-2，mA/m2)，橫坐標為電場強度(MV/m)。
圖13和圖14給出了例4和例6在不同剪切率情況下的電流變效應(yīng)(電場強度E＝1MV/m，重量百分比40%)?？v坐標剪應(yīng)力(Pa)，橫坐標為剪應(yīng)變(1/S)。
圖15給出了例6中，重量百分比為30%，無外加電場時流體的流變特性。
以上所有測量的重復性誤差小于1.5%。大部分流體均做過240小時以后的重復試驗，誤差最大為4%。
權(quán)利要求
1.一種電流變流體，其特征在于電流變流體由四種成分組成，一種是電絕緣的液體作為連續(xù)相，占流體重的50%～99.9%；一種是孔狀的固體顆粒作為分散相，占流體重量的0.1%～50%；一種是多元醇、水以及它們的混合物中的任意一種，占分散相重的1～30%；一種是酸、堿、鹽、氨基酸以及它們的混合物中的任意一種，占流體重量的0.01～5%。
2.一種如權(quán)利要求1所述的電流變流體，其特征在于其中所述的電絕緣液體是甲基硅油、變壓器油、電纜油、雙酯以及機械油中的任意一種，所述的任意一種電絕緣液體，在50℃時的粘度為5～300厘沲。
3.一種如權(quán)利要求1所述的電流變流體，其特征在于其中所述的孔狀固體顆粒是沸石分子篩。
4.一種如權(quán)利要求3所述的電流變流體，其特征在于其中所述的沸石分子篩是3A，4A，5A，13X，ZSM-5，NaY，人造沸石和天然沸石中的任意一種，顆粒尺寸為20納米～200微米。
5.一種如權(quán)利要求1所述的電流變流體，其特征在于其中所述的孔狀固體顆粒是帶有IB屬金屬陽離子的沸石分子篩。
6.一種如權(quán)利要求5所述的電流變流體，其特征在于其中所述的IB屬金屬是La(Ⅲ)，Mg(Ⅱ)，Co(Ⅱ)，Ni(Ⅱ)，Cu(Ⅱ)以及它們的混合物中的任意一種。
7.一種如權(quán)利要求1所述的電流變流體，其特征在于其中所述的酸是硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸、醋酸、高氯酸、鉻酸、甲酸、丙快酸、丁酸、異丁酸、戌酸、草酸和丙二酸中的任意一種。
8.一種如權(quán)利要求1所述的電流變流體，其特征在于其中所述的堿是NaOH，KOH，Ca(OH)2，Na2CO3，Na2CO3，NaHCO3，K3PO4，Na3PO4，苯胺，烷基胺以及乙-二羥基乙胺中的任意一種。
9.一種如權(quán)利要求1所述的電流變流體，其特征在于其中所述的鹽是LiCl，NaCl，MgCl2，CaCl2，BaCl2，LiBr，NaBr，MgBr，LiI，NaI，KI，AgNO3，Ca(NO3)2，NaNO2，NH4NO3，K2SO4，Na2SO4，NaHSO4，(NH4)2SO4以及甲酸、醋酸、草酸、琥珀酸的堿金屬鹽中的任意一種。
10.一種如權(quán)利要求1所述的電流變流體，其特征在于其中所述的多元醇是乙二醇、丙三醇、丙二醇、丁二醇、己二醇、二甘醇以及三甘醇中的任意一種。
11.一種如權(quán)利要求1所述的電流變流體，其特征在于所述的電流變流體還包含有分散劑，所述的分散劑是硫酸鎂、硫酸鈣、石碳酸鈣、磷酸鈣、聚丁烯琥珀酰胺、單油酸山梨醇以及二分之三油酸山梨醇中的任意一種，所述的分散劑占流體重量的百分比為0.1～10%。
全文摘要
一種用于主動減振、潤滑、密封、力矩傳遞和液壓控制等的電流變流體，它包括一種電絕緣的液體作為連續(xù)相，一種孔狀的鋁硅酸鹽固體顆粒作為分散相。這種分散相中可包含有過渡金屬陽離子，特別是IB族金屬。在流體成分中，至少有一種物質(zhì)選自多元醇或水或它們的混合物；至少還有一種物質(zhì)選自酸、堿、鹽或氨基酸或它們的混合物。本發(fā)明還包括制備這些材料的工藝過程，并且流體可在較大的溫度范圍內(nèi)(-20℃～150℃)和較高剪切率情況下(0～6800i/s)長時期穩(wěn)定。
文檔編號C10M125/26GK1064304SQ9210196
公開日1992年9月9日 申請日期1992年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月26日
發(fā)明者楊繼斌, 溫詩鑄 申請人:清華大學