表面活性剂对磁流变液沉降稳定性的影响

表面活性剂对磁流变液沉降稳定性的影响

0表面活性剂的选取磁浮液是由具有磁性能的磁性颗粒混合而成的稳定悬浮液。它是由圈子控制的。在零磁场状态下,类似于牛顿流体;在有外加磁场的状态下,磁流变液立刻转化为类固体。它的转化时长为毫秒级自从1948年Rabinow发明磁流变液以来本文探究了具有不同大小HLB值的表面活性剂对磁流变液的沉降稳定性的影响。在前人研究基础上采用了3种表面活性剂作为研究对象,以进一步研究不同HLB值表面活性剂对磁流变液沉降稳定性的影响。选取的表面活性剂有:油酸(HLB值为1,具有很强亲油性),聚乙二醇(HLB值为20,具有很强的亲水性),十二烷基苯磺酸钠HLB值为10.6。选取这3种表面活性剂具有一定的研究代表性。此外,本文还针对不同种类的表面活性剂进行了接触角测量实验,探究其对磁流变液的基液的湿润性的影响,提出了一种基于接触角大小的评价抗沉降稳定性的方法。11.1表面活性剂hlb值的测定磁流变液的组成成分如下:羰基铁粉、二甲基硅油、石墨粉、纳米二氧化硅以及表面活性剂:聚乙二醇、油酸和十二烷基苯磺酸钠。表面活性剂的亲水或亲油程度可由HLB值的数值来判断,HLB值越大越亲水,HLB值越小越亲油,一般而言表面活性剂的HLB值在1～40之间,3种表面活性剂的HLB值如表1所示。这3种表面活性剂的分子结构如图1所示。1.21.2.1磁强计的制造磁流变液的制备实验主要使用到的仪器如表2所示。1.2.2测试试剂本文磁流变液制备实验所涉及的试剂主要如表3所示。1.31.3.1影像分析法测量接触角本文使用的接触角测量仪为影像分析法接触角测试仪,该仪器利用影像分析法来测量接触角。影像分析法是通过滴出一滴满足要求体积的液体于固体表面,通过影像分析技术,测量或计算出液体与固体表面的接触角值。影像分析法接触角测量仪包括光源、样品台、镜头、图像采集系统和进样系统(图2)1.3.2主要技术参数本次实验所使用的接触角测量仪为动态接触角测量仪(CA100D型,上海盈诺精密仪器有限公司),全自动进样器,全自动计算接触角,其主要技术参数如表4所示。22.12.1.1实验结果与分析磁流变液的制备一般是按照设计好的配方,将分散颗粒、基液以及各类添加剂混合均匀,但是对于其混合过程,目前存在各种不同的混合方式。本文所采用的是,基于基液置换的二次球磨工艺。该制备方式是目前较为常用且制备工艺较为完善的方法,其思路是将分散颗粒和表面活性剂溶于有机溶剂中,通过球磨使得表面活性剂较好的包覆在分散颗粒表面,再通过基液置换,将有机溶剂换为磁流变液的基液,并加入其它种类的添加剂,最终制备出性能较为优异的磁流变液以3种表面活性剂为基础,设计出了一系列配方,同时,根据当前的研究可以得知,当各添加剂的质量分数在0.5%～1.5%时,磁流变液的整体性能能够达到较好的水平,因此本次实验在设计配方的过程中,对于每种表面活性剂都使用1%和1.5%两种质量分数。其中,配方1不添加表面活性剂,配方2～8中表面活性剂的总质量分数均为1%,配方9～15中表面活性剂的总质量分数均为1.5%。具体配方如表5所示。2.1.2沉降率的变化由于静置观察法操作简单,可行性高且实验成本较低,同时实验结果能够保持较高的精准度,能够直观的观察到样品的沉降,故本文采用此方法来检测磁流变液的沉降特性实验结果如图4所示。由图4(a)和(b)所展示的沉降曲线,在一个沉降周期(35d)后各配方的沉降率如表6所示。根据图4可知,未添加任何表面活性剂的磁流变液,在抗沉降稳定性方面表现较差,和其它磁流变液配方样品相比,其在配置完成的10h内就产生了较为严重的沉降现象,沉降率约为2.1%。而其它加入表面活性剂的产品,在10h的时候表现相对于配方1有较大改善,其中,除了只添加聚乙二醇作为表面活性剂的配方2和9产生了约1%的沉降,其它配方,在前10h之内,沉降率均在0.5%以内。在一个沉降周期之后,由表6可知,配方2和9(添加聚乙二醇),沉降率分别达到了25.19%和22.37%;配方3和10(添加十二烷基苯磺酸钠)的沉降率分别为14.79%和13.9%;配方4和11(添加油酸)的沉降率分别达到了10.02%和9.68%。故在单一表面活性剂的条件下,当表面活性剂HLB值较小时,磁流变液的抗沉降稳定性较高,且随着聚乙二醇、十二烷基苯磺酸钠以及油酸的HLB值依次降低,磁流变液在到达一个沉降周期之后的沉降率也会降低。此外,当表面活性剂复合使用时,磁流变液的抗沉降稳定性得到了更大的提升。当聚乙二醇、油酸及十二烷基苯磺酸钠复合使用时,即对配方8和15,其最终的沉降率相对于只使用油酸时反而更高。而使用十二烷基苯磺酸钠和油酸作为复合表面活性剂即配方7和14时,在经过一个沉降周期时磁流变液的沉降率甚至能够达到4%和3.87%,其抗沉降稳定性十分优异。使用聚乙二醇和油酸复合产生的表面活性剂即配方6和13,磁流变液的沉降率最终达到8.8%和8.2%,明显高于使用油酸作为单一表面活性剂时的抗沉降稳定性。这可解释为,单一油酸作为完全亲油性的表面活性剂,其亲水基过少,无法对羰基铁粉颗粒形成较好的包覆层。因此,当其它亲水基含量较多的表面活性剂如聚乙二醇、十二烷基苯磺酸钠与油酸复合使用时,油酸和其它表面活性剂一方面能够提供足够的亲水基附着在羰基铁粉表面;另一方面能够提供足够的亲油基分散在基液中,且由于不同表面活性剂中亲油基的碳链长度不同,因此能够在基液中形成长短不一的鞭鞘结构,提高了三维骨架结构的稳定性2.22.2.1湿性试验的步骤(1)改性基铁粉的制备由于影像分析法无法直接测量粉末的接触角,因此需要先将改性羰基铁粉制成固体形状。由于羰基铁粉的特性,因此本文采取将羰基铁粉压制成固体的手段。选择拉伸实验机(MJDW-300B,济南迈捷实验设备有限公司),取一定量的改性羰基铁粉,将其置于模具内。对拉伸机而言,虽然其主要功能为拉伸,但同时该机器也可以进行反向压缩,因此可以利用其压缩原理进行压片,拉伸机如图5。设置压力为30kN,并在该压力下,保压5min。得到制备好的压片试样,并将压制好的样品放入事先准备好的样品槽中,如图6。由此,得出各不同配方下的改性羰基铁粉的压片试样。(2)最佳注射液滴大小对接触角的影响在接触角测量过程中,设置不同的注射参数,会对实验结果产生较大影响,因此,为了能够降低实验误差,在开始测定经过活化和未经活化的羰基铁粉压片之前,首先要对注射基液设置不同大小的注射参数并观察接触角大小,以得出最佳参数注射参数。本处选择经过油酸改性的羰基铁粉压片作为选择最佳注射液滴大小的实验对象,实验结果如图7所示。当注射参数达到10μL时,接触角测量值达到谷值,随着注射参数的继续增大,接触角测量值不再变化。因此,本次实验中基液的注射参数设定为10μL。(3)甲基硅油加在待测试样上的接触角将各制备好的压片试样放置于接触角测量仪的样品槽中,使用水滴加在待测试样上,静止30s后测其接触角。同样对于各压片试样,使用二甲基硅油加在待测试样上,静止30s后测其接触角。最终得到各配方下改性羰基铁粉的表面接触角图像,如图8所示。2.2.2羟基铁粉压片的润湿性分析由于实验主要目的在于探究不同HLB值表面活性剂对羰基铁粉的改性状况,探讨了分别使用聚乙二醇、十二烷基苯磺酸钠和油酸进行表面活化的3种配方。为了使得实验效果更加明显,实验选择了表面活性剂质量分数较大的配方。即以配方9,10和11所留羰基铁粉样品作为实验对象。测量结果如表7所示。表7所示为配方9,10,11的羰基铁粉压片与二甲基硅油进行湿润性实验所得到的各接触角大小。通过比较其接触角的大小,来分析其亲油性:以油酸改性的羟基铁粉压片,其平均接触角大小约为11.75°,可以认为其与二甲基硅油是完全润湿的,即使用油酸对羰基铁粉进行表面改性可以使其与二甲基硅油润湿。对于十二烷基苯磺酸钠改性的羟基铁粉压片,其平均接触角大小约为58.37°,可以认为其与二甲基硅油是部分润湿的,即使用十二烷基苯磺酸钠对羰基铁粉进行表面改性可以使其与二甲基硅油部分润湿;对于聚乙二醇改性的羟基铁粉压片,其平均接触角大小约为148.69°,可以认为其与二甲基硅油是不能润湿的,即使用聚乙二醇对羰基铁粉进行表面改性不能使与二甲基硅油润湿。将所有经过表面活性剂改性的羰基铁粉的接触角值进行比较,不难发现,随着所使用的表面活性剂的HLB值的减小,其接触角也在减小,即表面活性剂越是亲油,改性羰基铁粉对二甲基硅油的润湿性越好。3沉降稳定性影响因素的选取结合试验分析表面活性剂的HLB值以及质量分数对磁流变液抗沉降稳定性的影响,并测定了不同表面活性剂条件下改性羰基铁粉的接触角值。得出以下结论:(1)表面活性剂的亲水亲油特性的确和磁流变液的抗沉降稳定性有着较为密切的联系,单一表面活性剂条件下,表面活性剂的HLB值越小,磁流变液的抗沉降稳定性越高。(2)当磁流变液使用复合表面活