Способ регулирования вязкости текучей композиции с электрореологическими свойствами

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЯЗКОСТИ ТЕКУЧЕЙ КОМПОЗИЦИИ С ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Коробко Евгения Викторовна Кузьмин Владимир Алексеевич Новикова Зоя Анатольевна Журавский Николай Анатольевич Глеб Владимир Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ регулирования вязкости текучей композиции с электрореологическими свойствами на основе минерального масла, мелкодисперсных частиц размером до 25 мкм диатомита и карбонильного железа, порошок которого предварительно обработан 2,5-7,5 ным раствором полистирола в толуоле, с соотношением 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,путем воздействия на нее электрическим полем, отличающийся тем, что дополнительно воздействуют на текучую композицию магнитным полем, вектор напряженности которого сонаправлен с вектором напряженности электрического поля и перпендикулярен вектору скорости течения композиции, а напряженности магнитного и электрического полей составляют до 100 кА/м и до 1,8 кВ/мм соответственно. 13267 1 2010.06.30 Предлагаемое изобретение относится к электрореологическим жидкостям, чувствительным к воздействию внешних электрических полей и применяемым в машиностроении и приборостроении для управления течением рабочей жидкости в гидравлических устройствах (приводах, дросселях, демпферах и др.). Электрочувствительные (электрореологические) жидкости (текучие композиции) обычно состоят из неполярной несущей среды с высоким электрическим сопротивлением и диэлектрической дисперсной фазы с некоторой проводимостью 1. Электрореологические жидкости проявляют электрореологический эффект - быстрое обратимое повышение эффективной вязкости в сильных электрических полях. Этот процесс является результатом взаимодействия электростатических поверхностных зарядов, поляризуемых электрическим полем, и включает в себя формирование агрегатов из частиц дисперсной фазы, взаимодействующих между собой создание мостиков из множества частиц, соединяющих электроды. При этом прочность мостиков увеличивается с повышением напряженности прилагаемого электрического поля. Но для каждой электрореологической жидкости существует предельное значение напряженности поля, при котором наступает электрический пробой между электродами, снижающий вязкость жидкости до начального значения вязкости без воздействия электрического поля. При использовании текучих композиций с электрореологическими свойствами в качестве рабочей среды в гидравлических системах диапазон изменения вязкости определяет диапазон регулирования характеристик этих устройств и влияет на эффективность работы гидравлической системы. Поэтому наиболее перспективным способом повышения эффективности работы устройств, улучшения их силовых характеристик является совершенствование методов регулирования и возможности увеличения эффективной вязкости электрочувствительных сред. Увеличение вязкости электрочувствительных жидкотекучих композиций в электрическом поле может быть достигнуто как изменением его состава, так и за счет внешних воздействий. Известен способ, при котором регулирование вязкости электрореологических композиций в сторону ее увеличения достигается при обработке поверхности частиц дисперсной фазы активатором 2. Эффективная вязкость электрореологической композиции на основе трансформаторного масла и аэросила А-380 (с массовой концентрацией аэросила 10 ) при увеличении содержания активатора (полиэтиленполиамина) с 5 до 25 возрастает с 0,1 до 0,5 Пас (в электрическом поле с напряженностью 1 кВ/мм при скорости сдвига 85,9 с-1). Недостатками данного способа являются трудоемкость технологического процесса подготовки дисперсной фазы и узкий диапазон регулирования вязкости. Известен способ получения электрореологических жидкостей, основанный на температурных воздействиях на жидкость на основе диатомита 3. Эффективная вязкость такой электрореологической жидкости в электрическом поле увеличивается на 30 при предварительной обработке ее холодом (замораживанием) при температуре 233-263 К с последующим оттаиванием при комнатной температуре. Однако использование этого способа также усложняет технологический процесс получения электрореологической жидкости(композиции) и приводит к постепенному ухудшению ее реологических свойств при эксплуатации. Известен способ, при котором увеличение эффективной вязкости в электрическом поле достигается повышением температуры электрореологической жидкости (композиции) 4. Так, для электрореологической жидкости с 10 аэросила и 5 активатора при увеличении температуры с 293 до 373 К в электрическом поле с напряженностью 1,5 кВ/мм при скорости сдвига 71,6 с-1 вязкость возрастает с 1 до 13 Пас. 13267 1 2010.06.30 Однако основное использование электрореологические композиции находят при комнатных температурах, и, кроме того, повышение вязкости путем нагрева жидкости сложнее реализовать на практике из-за необходимости поддержания постоянства температуры. Ближайшими к предлагаемому изобретению (прототип) являются текучая композиция с электрореологическими свойствами (электрореологическая композиция) и способ ее получения с возможностью повышения эффективной вязкости 5. Способ осуществляется следующим образом. В осушенное минеральное масло (например, трансформаторное) добавляют отмоченный в воде и высушенный до влажности 6 диатомит (плотностью 1,5 г/см 3, пористостью 75 , диэлектрическая проницаемость его составляет 2,2, фракционность 0,3-25 мкм). После тщательного размешивания в течение 25-30 минут в смесь добавляют заранее приготовленный порошок карбонильного железа (до 7,5 ) 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 1-2 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. Композицию вновь тщательно перемешивают в течение 10-15 минут до рабочего состояния. В состав текучей композиции, полученной спсобом смешивания компонентов,входят мелкодисперсные частицы диатомита и карбонильного железа (размер до 25 мкм) в трансформаторном масле. Возможность повышения эффективной вязкости при данном способе достигается за счет воздействия электрическим полем на введенные в электрореологическую композицию предварительно обработанные частицы карбонильного железа. Однако с увеличением концентрации карбонильного железа возрастает электрическая проводимость, и эффективная вязкость электрореологической композиции снижается. Кроме того, начальная вязкость (т.е. вязкость без воздействия электрического поля) возрастает настолько, что текучесть жидкости снижается и использование ее в гидравлических системах становится невозможным. Таким образом, дальнейшее регулирование вязкости в сторону ее увеличения становится практически невозможным. Задачей предлагаемого изобретения является расширение диапазона регулирования увеличением эффективной вязкости текучей композиции с электрореологическими свойствами, что предопределяет повышение эффективности работы любых гидравлических систем. Поставленная задача решается следующим образом. Известен способ регулирования вязкости текучей композиции на основе минерального масла, мелкодисперсных (размером до 25 мкм) частиц диатомита с добавлением порошка карбонильного железа, предварительно обработанного 2,5-7,5 -ным раствором полистирола в толуоле, с соотношением 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,путем воздействия на нее электрическим полем. Согласно предлагаемому изобретению, на полученную композицию дополнительно воздействуют магнитным полем, вектор напряженности которого сонаправлен с вектором напряженности электрического поля и перпендикулярен вектору скорости течения компо 3 13267 1 2010.06.30 зиции, а напряженности магнитного и электрического полей составляют до 100 кА/м и до 1,8 кВ/мм соответственно. Таким образом, благодаря воздействию на текучую композицию с электрореологическими свойствами указанного состава не только электрическим, но и магнитным полем решена задача увеличения эффективной вязкости, а следовательно, и расширения диапазона регулирования, и тем самым повышения эффективности работы любых гидравлических систем. На фиг. 1 показан участок канала течения электрореологической жидкости, подвергнутой воздействию электрического и магнитного полей. На фиг. 2 представлена установка для измерения эффективной вязкости электрореологической жидкости, полученной заявляемым способом. На фиг. 3 показан график зависимости эффективной вязкостиот напряженности электрического поля Е. Способ осуществляется следующим образом. Как показано на фиг. 1, текучая композиция с электрореологическими свойствами 1 указанного выше состава протекает между двумя плоскими металлическими электродами 2, расположенными на расстоянииодин от другого, к которым подводится электрическое напряжение, создающее напряженность электрического поля Е 1,8 кВ/мм. Кроме того, на указанную текучую композицию оказывают воздействие магнитным полем, создаваемым полюсамиимагнита 4, напряженностью Н 100 кА/м. При этом вектор напряженности магнитного поля параллелен вектору напряженности электрического поля и перпендикулярен вектору скорости течения композиции. Только в этом случае наиболее полно реализуется энергия электрического и магнитного полей. В том случае, при котором векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны друг другу, повышение вязкости не происходит. Присутствие в текучей композиции с электрореологическими свойствами 1 магниточувствительных частиц 3 карбонильного железа, порошок которого предварительно обработан 2,5-7,5 -ным раствором полистирола в толуоле, делает особенно эффективным дополнительное воздействие магнитным полем, вектор напряженности которого параллелен вектору напряженности электрического поля и перпендикулярен вектору скорости течения композиции. Это воздействие переориентирует частицы 3 карбонильного железа и формирует из них агрегаты, что приводит к дополнительному повышению эффективной вязкости композиции. Таким образом, предлагаемый способ регулирования и увеличения эффективной вязкости электрореологической композиции, чувствительной как к электрическому, так и к магнитному полю, путем воздействия на нее электрическим полем, отличающийся тем,что дополнительно воздействуют на текучую композицию магнитным полем, вектор напряженности которого сонаправлен с вектором напряженности электрического поля и перпендикулярен вектору скорости течения композиции, а напряженности магнитного и электрического полей составляют до 100 кА/м и до 1,8 кВ/мм соответственно, обеспечивает более широкий диапазон изменения эффективной вязкости. Для определения реологических свойств композиций, в частности, эффективной вязкости как в прототипе при воздействии только электрическим полем, так и при совместном воздействии электрического и магнитного полей использовано приведенное на фиг. 2 вискозиметрическое устройство, которое является приставкой к измерителю крутящего момента 5 вискозиметра -12 фирмы НААКЕ. Оно содержит металлический неподвижный профильный стакан 6 и вращающийся колокол 7, расположенный в полости стакана. Стакан 6, наружная поверхность которого покрыта слоем электроизолятора 8, одет на сердечник индуктора магнитного поля 9 и соединен с источником высокого напряжения 10, а колокол 7 заземлен. Миллиамперметр 11 в цепи заземления служит для определения проводимости электрореологической композиции 1 в зазоре между внутренней поверхностью 4 13267 1 2010.06.30 стакана 6 и колоколом 7. Катушка 12 индуктора подключена к источнику постоянного тока 13. Электрореологическая композиция 1 помещается в полость стакана 6, а измеритель крутящего момента 5 соединяется с валом колокола 7. При вращении последнего в узком зазоре между колоколом 7 и стаканом 6 реализуется ламинарное куэттовское течение, при котором в электрореологической композиции возникают касательные напряжения сдвига. Колокол 7 вращается с постоянной угловой скоростью, что означает постоянную скорость сдвига в измерительном зазоре. Измеритель крутящего момента 5 позволяет определять касательные напряжения сдвигана колоколе 7. Таким образом, установка позволяет получать кривые течения электрореологической композиции 1 (зависимости напряжения сдвигаот скорости сдвига). По кривым течения можно определить вязкость жидкости из соотношения/. Воздействие электрического поля осуществляется включением источника высокого напряжения 10. Воздействие магнитным полем обеспечивается включением источника постоянного тока 13, при этом в зазоре силовые линии полей параллельны друг другу и направлены перпендикулярно сдвигу. Диапазон изменения напряженности магнитного поля Н(0-100) кА/м,электрического поля Е(0-1,8) кВ/мм. Диапазон скоростей сдвига(2575) 1 . Кривые зависимости эффективной вязкости электрореологической композиции 1 при скорости сдвига 13,8 с-1 от напряженности электрического поля представлены на фиг. 3. Кривая 1 показывает зависимость эффективной вязкости от напряженности электрического поля при отсутствии воздействия магнитным полем, кривые 2, 3 и 4 получены при дополнительном воздействии магнитным полем напряженностью 20, 60 и 100 кА/м соответственно. Как видно из графика, при совместном воздействии электрическим и магнитным полями достигнуто дополнительное увеличение эффективной вязкости, определяемой как отношение касательного напряжения сдвига к скорости сдвига. При напряженности электрического поля 0,5 кВ/мм это увеличение составляет около 1,8 раз для Н 20 кА/м, более 4 раз для Н 60 кА/м и более 8,5 раз для Н 100 кА/м. Таким образом, в исследованных электрореологических композициях с дополнительным воздействием на них магнитным полем осуществляется усиление структурного взаимодействия частиц карбонильного железа, а следовательно, и возможность регулирования в сторону увеличения эффективной вязкости композиции, что позволяет расширить область их применения и повысить эффективность работы в различных устройствах и технологиях (гидравлические системы, теплообменники, устройства виброзащиты и др.). Источники информации 1. Электрореологический эффект / Под ред. А.В. Лыкова.- Минск Наука и техника,1972.- С. 176. 2. Мацепуро А.Д., Дейнега Ю.Ф. Влияние активаторов на электрореологические и электрофизические свойства суспензий аэросила в цетане//Тепло- и массоперенос. Минск, 1972, Том 3.- С. 246-249. 3. А.с. СССР 1404515, МПК 4 С 09 К 3/00. Способ получения диатомитовых электрореологических суспензий/З.П. Шульман, Р.Г. Городкин, М.М. Раготнер, З.А. Новикова,Т.А. Демиденко Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова. -4110510/31-26 Заявл. 21.08.86 Опубл. 23.06.88 // Открытия. Изобретения.- 1988.-23. 4. Новикова З.А., Мацепуро А.Д. Течение электрореологических суспензий на основе аэросила при повышенных температурах // Реофизика. - Минск ИТМО АН БССР, 1977. С. 52-56. 13267 1 2010.06.30 5. Патент 2405 1, МПК 6 С 09 К 3/00. Текучая композиция с электрореологическими свойствами/В.Л. Колик, Е.В. Коробко, И.И. Глоба, Л. Цоу, Чан-Хо Ким Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова.-960043 Заявл. 06.02.1996 Опубл. 30.09.1998//Афцыйны бюлетэнь Дзяржанага патэнтнага камтэта Рэспублк Беларусь.1998.-3 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.