Текучая композиция с электрореологическими свойствами

(12) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Академический научный комплекс А.В. Лыкова НАН БеларусиИнститут тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси(57) Текучая композиция с электрореологическими свойствами на основе минерального масла, диатомита и карбонильного железа, образующих суспензию, отличающаяся тем, что она содержит карбонильное железо, предварительно обработанное 2,5-7,5-ным раствором полистирола в толуоле, при следующем соотношении компонентов, мас. диатомит 2,5-12,5 карбонильное железо, предварительно обработанное 2,5-7,5-ным раствором полистирола в толуоле до 7,5 минеральное масло остальное.(56) 1. А.с. СССР 336755, МПК 1 Н 02 1/10, 1972. 2. А.с. СССР 1685968, МПК 5 С 09 К 3/00, 1991. 3. Весц АН БССР, сер. физ.-энерг. навук, 1976,4.-С.123-127 (прототип). 4. Реология полимерных и дисперсных систем и реофизика МатериалыВсесоюзного симпозиума по реологии (Гомель, 27-31 мая 1974). Часть 2. - Минск, 1975.-С.40-47. Изобретение относится к составам текучих композиций, реагирующих на действие электрического поля возрастанием эффективной вязкости, и используемых в машиностроении, приборостроении, робототехнике для управления течением рабочей жидкости в гидравлических устройствах (демпферах, вибраторах, приводах и т.д.). Надежная работа гидравлической системы с использованием текучих композиций, реагирующих на действие электрического поля (так называемых электрореологических суспензий - ЭР-суспензий), может быть обеспечена при том условии, что такая композиция в отсутствие электрического поля имеет вязкость, обеспечивающую в процессе транспорта прохождение через демпферы, задвижки и другие устройства. В то же время вязкость такой композиции в рабочем органе (клапане, демпфере, вибраторе и др.) должна под действием поля существенно возрастать, чем обеспечивается стабильная работа гидравлической системы. Известно рабочее вещество для диэлектрических двигателей 1, состоящее из диатомита (10-0,5) и авиационного масла гидравлического (90-99,5 ). Эта ЭР-суспензия может применяться в гидравлических системах. Недостатком данной ЭР-композиции является то, что даже при максимально возможных напряженностях электрического поля, которые способна выдержать композиция до электрического пробоя, эффективная вязкость ее возрастает на более чем в 2,5 раза, а электрореологическая чувствительность в 1,5 раза. Причина этого состоит в том, что вода, как активатор, уходит с поверхности частиц диатомита, тем самым снижая количество связанных электрических зарядов и общий заряд частиц. ЭР-суспензия теряет свои электрореологические свойства. Под электрореологической чувствительностью ЭР-суспензии понимают величину К(с)/Е, где- приращение напряжения сдвига, Па, соответствующее приращению электрического напряжения Е, В, с - концентрация наполнителя, мас Известна текучая композиция с электрореологическими свойствами, не содержащая воду и приготовленная на основе минерального масла и воздушно-сухого наполнителя - оксида алюминия, образующих ЭР 2405 1 суспензию 2. В эту суспензию входят оксид алюминия (1-7 мас.), фосфат целлюлозы (1-13 мас.), остальное - минеральное масло. Такое сочетание компонентов является наиболее приемлемым и обеспечивает в лучшем случае возрастание эффективной вязкости в 2 раза по сравнению с вязкостью без электрического поля. Электрореологическая чувствительность такой суспензии (К) также повышается незначительно. Попытки увеличения суммарного содержания наполнителя свыше 20 мас. приводит к резкому возрастанию вязкости без поля и потере текучести, что является серьезным недостатком электрореологических композиций, используемых в качестве гидроносителя. С другой стороны, увеличение напряженности электрического поля выше, чем 2,6 кВ/мм, приводит к коронному разряду в композиции и потере ЭР-суспензией электрореологических свойств. Наиболее близкой по составу является текучая композиция, состоящая из диатомита (50 мас.), размешанного в веретенном масле с добавками 1,3 и 6 мас. порошка карбонильного железа 3. Эта текучая композиция принята нами за прототип. Электрореологическая чувствительность такой суспензии в электрическом поле повышается не более чем в 1,5 раза. Окисная пленка, которая образуется на частицах карбонильного железа при его изготовлении, чрезвычайно тонка и, хотя и делает карбонильное железо диэлектриком, но при напряжении 1000 В и зазоре между электродами,равном 1 мм, наблюдается сквозная электрическая проводимость и наступает электрический пробой, при котором силовое действие электрического поля на суспензию прекращается. Поэтому такая композиция незначительно повышает свою эффективную вязкость. Кроме того, столь вязкую суспензию затруднительно применять в гидравлических устройствах, поскольку не обеспечивается проток данной суспензии по гидравлическому контуру. Задачей настоящего изобретения является получение текучей ЭР-суспензии с повышенными электрореологическими свойствами. Она решается созданием текучей композиции с электрореологическими свойствами на основе минерального масла, диатомита и карбонильного железа, образующих ЭР-суспензию, которая содержит карбонильное железо, предварительно обработанное 2,5-7,5 -ным раствором полистирола в толуоле, при следующем соотношении компонентов, мас. диатомит -2,5-12,5 карбонильное железо предварительно обработанное 2,5-7,5 -ным раствором полистирола в толуоле - до 7,5 минеральное масло - остальное. В эксперименте в качестве минерального масла используют осушенное трансформаторное масло, имеющее диэлектрическую проницаемость 2,3 и электрическое сопротивление 1010 Ом.см. В качестве наполнителя применяется тонко измельченный диатомит (фракции с размерами не выше 25 мкм 6 влажности) и порошок карбонильного железа (частицы с размерами не больше 25 мкм), обработанный раствором полистирола в толуоле. Измерение эффективной вязкости проводилось на модифицированной ячейке вискозиметра Реотест-2 в диапазоне напряженностей электрического поля 0,5-2,5 кВ/мм при постоянной скорости сдвига 27,0 с-1. Рассчитывалась эффективная вязкостьпо формуле/, где- касательное напряжение сдвига, и электрореологическая чувствительность К по формуле К(с)/Е. Использование в ЭР-суспензии частиц карбонильного железа, обработанных 2,5-12,5 мас. раствором полистирола в толуоле, показало, что оптимальное содержание последнегонаходится в диапазоне 2,5-7,5 . Как меньшее, так и большее количество полистирола в толуоле значительно снижают эффективную вязкость при прочих равных условиях (скорость сдвига, интенсивность внешнего электрического поля, температура и др.) (табл. 1). Что касается количества карбонильного железа, то его введение в состав ЭР-суспензии приводит к увеличению эффективной вязкости при содержании, составляющем не более 7,5 мас. (табл. 2). Предлагаемая текучая композиция приготавливается следующим образом. В осушенное минеральное масло (например трасформаторное) добавляют отмученный в воде и высушенный до влажности 6 диатомит (плотность 1,5-1,8 г/см 3, пористость 75, диэлектрическая проницаемость 2,2, фракционность 0,325 мкм). После тщательного размешивания на лабораторной мешалке в течение 25-30 минут в нее добавляют заранее приготовленный порошок карбонильного железа марки Р-10, обработанный раствором полистирола. Обработку карбонильного железа раствором полистирола выполняют следующим образом. В раствор полистирола заданной концентрации в толуоле при его интенсивном перемешивании добавляют тонкой струйкой порошок карбонильного железа. После внесения всей массы порошка перемешивание продолжают в течение 1,5-2 часов. Затем смесь отстаивают в течение 30 минут до осаждения карбонильного железа. Раствор полистирола сливают, а оставшуюся смесь фильтруют через стеклянный фильтр, размер пор которого меньше размера частиц карбонильного железа. Осадок сушат при комнатной температуре в течение 5-6 часов. После этого частицы железа не слипаются между собой и не образуют комков, а толуол испаряется. Суспензию вновь тщательно перемешивают на лабораторной мешалке в течение 10-15 минут до рабочего состояния. В состав предлагаемой текучей композиции входят мелкодисперсные частицы диатомита и карбонильного железа (размер до 25 мкм). Сильно развитая поверхность этих частиц имеет высокую адсорбционную способность, что обеспечивает хорошую седиментационную устойчивость композиции, т.е. она не расслаивается со временем. 2405 1 Известно, что возрастание эффективной вязкости суспензий в электрическом поле происходит вследствие построения прочных структур из частиц дисперсной фазы, ориентированных вдоль силовых линий и связанных с электродами, расположенными на некотором расстоянии параллельно друг другу. Суспензия диатомита в минеральном масле повышает свою эффективную вязкость при воздействии на нее электрическим полем, т.е. ее электрореологическая чувствительность повышается. Но возрастание электрореологической чувствительности для диатомитовых суспензий, как показано в 4, не превышает 1,5 раза даже при сильных электрических полях вплоть до напряжения, при котором происходит электрический пробой ЭР-суспензии. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое решение отличается тем, что частицы карбонильного железа дополнительно содержат пленку полистирола. Это приводит к возрастанию эффективной вязкости композиции в электрическом поле в 91 раз, а электрореологическая чувствительность ее повышается более чем в 3 раза. Физическая сущность этого явления состоит в том, что покрытие пленкой из раствора полистирола в толуоле поверхности частиц карбонильного железа, толщина которой увеличивается с ростом концентрации полистирола, создает оптимальный заряд взаимодействующих частиц. При содержании полистиролав растворе до 5 тонкая пленка на частицах имеет дефекты, т.е. частицы имеют непокрытые участки. Из-за этого возникает сквозной ток проводимости в ЭР-суспензии в электрическом поле, и силовое воздействие поля на суспензию незначительно. Ток проводимости уменьшается с увеличением толщины пленки. При содержании полистирола в растворе более 5 происходит дальнейшее утолщение пленки и в результате этого диэлектрические свойства частиц карбонильного железа становятся преобладающими. Частицы как бы отодвинуты одна от другой двумя толщинами пленки, и цепочки, выстроенные из них в электрическом поле,действуют слабо и потому легко разрушаются гидродинамическим потоком ЭР-суспензии. Эффективная вязкость суспензии снижается. Оптимальное количество карбонильного железа в композиции (2,5-7,5 ) объясняется тем, что дальнейшее увеличение массы порошка в суспензии приводит к уплотнению частиц железа между собой, а следовательно, к возникновению электронной проводимости, что снижает электрореологическую чувствительность ЭР-суспензии. Кроме того, исходная вязкость суспензии возрастает настолько, что текучесть ее снижается и создает невозможность использования такой композиции в гидросистемах. Таблица 1 Зависимость эффективной вязкости ЭР-суспензии карбонильного железа е 23, обработанного раствором полистирола в толуоле, и диатомита в трансформаторном масле от процентного содержания полистирола в толуоле при подаваемом электрическом напряжении 500 В, скорости сдвига 27 с-1 ,температуре 22 С, Пас 0,60 0,81 0,95 0,8 0,75 Таблица 2 Зависимость эффективной вязкости ЭР-суспензии карбонильного железа е 23 и диатомита в трансформаторном масле от концентрации карбонильного железа, обработанного 5-ным раствором полистирола в толуоле при подаваемом электрическом напряжении 500 В, скорости сдвига 27 с -1 , температуре 22 С оставитель А.Ф. Фильченкова Редактор Т.А. Лущаковская Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 3