復(fù)合水基磁流變液及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及智能磁性材料領(lǐng)域，具體為石墨烯OFe3O4復(fù)合水基磁流變液及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磁流變液是一種非常典型的智能磁性材料，通常是將納米級(jí)的磁性粉末經(jīng)表面活化處理后，通過采用使其在載液中均勻分散的方法形成的穩(wěn)定膠體。在無外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁流變液中的磁性顆粒由于布朗運(yùn)動(dòng)而呈現(xiàn)雜亂無章的無序狀態(tài)，表現(xiàn)為流動(dòng)良好的液體，然而在外加強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，磁流變液的表觀黏度可在短時(shí)間(毫秒級(jí))內(nèi)增加至少2個(gè)數(shù)量級(jí)，并呈現(xiàn)類似固體的力學(xué)性質(zhì)，其強(qiáng)度由剪切屈服應(yīng)力來表征；其黏度的變化是連續(xù)的、可逆的，一旦去掉外加磁場(chǎng)后，磁流變液又變成可以流動(dòng)的液體。磁流變液由于具有功耗少、阻尼力大、動(dòng)態(tài)范圍廣、頻率響應(yīng)高等特點(diǎn)，在阻尼減震、液體密封、生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。但是，磁流變液本身還存在易沉降、磁流變效應(yīng)與穩(wěn)定性難以同時(shí)提高等問題，實(shí)際應(yīng)用大大低于預(yù)期。為解決磁流變液易沉降的問題，目前，國內(nèi)外研究者或者通過在磁流變液中添加各種增稠劑、觸變劑和其他穩(wěn)定劑，或者通過降低磁性粒子的濃度與尺寸等方法解決磁流變液的沉降問題。但是，添加劑的加入會(huì)導(dǎo)致磁流變液的零場(chǎng)粘度大大提高，降低它的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；而減小磁性粒子的濃度與尺寸將降低磁流變液的剪切屈服應(yīng)力與磁流變效應(yīng)。因此，傳統(tǒng)的磁流變液的穩(wěn)定性與磁流變效應(yīng)難以同時(shí)優(yōu)化的矛盾問題依然是本研究領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的課題之一，也是實(shí)現(xiàn)磁流變液廣泛應(yīng)用亟待解決的主要問題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明解決現(xiàn)有磁流變液易沉降、穩(wěn)定性與磁流變效應(yīng)難以同時(shí)優(yōu)化的矛盾問題，提供一種石墨烯@Fe304復(fù)合水基磁流變液及其制備方法。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
石墨烯OFe3O4復(fù)合水基磁流變液的制備方法，包括以下步驟:
1)制備穩(wěn)定的Fe3O4水基磁性液體:
將 3.0-4.5g FeCl2.4Η20 和 5.8-8.0g FeCl3.6Η20 溶解于 90mL 去離子水中，置于 50°C恒溫水浴中，攪拌均勻后，在500r/min的劇烈機(jī)械攪拌下，以1~3滴/秒的速度緩慢滴加80~100mL濃度為1.34mol/L的NaOH溶液；滴加完畢繼續(xù)反應(yīng)80~95min后停止，冷卻至室溫；將上述反應(yīng)液磁分離除去上層清液，所得Fe3O4黑色粒子超聲30min分散于一定體積的去離子水中，再在2000rpm下離心1min,取上層液即得到濃度為10~50mg/mL穩(wěn)定的Fe3O4水基磁性液體；
2)制備石墨烯@Fe3O4復(fù)合水基磁流變液
a)、氧化石墨的制備:在冰浴條件下，將2g天然鱗片石墨和2g硝酸鈉加入到46mL的濃硫酸中，以600r/min的速度強(qiáng)烈攪拌30min ;進(jìn)一步將6g高猛酸鉀緩慢加入到上述混合液中，添加速度為0.5g/min,然后以600r/min的速度強(qiáng)烈攪拌60min ;將上述混合液轉(zhuǎn)移到45°C水浴中，以400r/min的速度攪拌4h后，將80mL去離子水加入到上述混合液中，然后將其轉(zhuǎn)移到95°C的油浴中；待反應(yīng)溶液的溫度達(dá)到95°C時(shí)，點(diǎn)連成線地加入200mL去離子水，再逐滴加入16mL濃度為30%的雙氧水，溶液由棕黃色逐漸生成金黃色沉淀物；依次用2mol/L HCl溶液、去離子水和無水乙醇多次離心洗滌，直到溶液的pH呈中性后，過濾，將金黃色沉淀物置于烘箱內(nèi)60°C烘干，即得氧化石墨；
b)、石墨烯OFe3O4復(fù)合水基磁流變液的制備:稱取一定量自制氧化石墨加入到30-120mL去離子水中，超聲分散l~3h，使全部氧化石墨形成穩(wěn)定的氧化石墨烯水溶液后，向其中加入一定量的表面活性劑聚乙二醇或聚乙烯吡咯烷酮或者十二烷基苯磺酸鈉和一定體積的所述穩(wěn)定的Fe3O4水基磁性液體,在N2保護(hù)下，以400r/min的速度機(jī)械攪拌30min后，在溫度70~90°C與機(jī)械攪拌的條件下，滴加氧化石墨烯質(zhì)量1.5-3倍的抗壞血酸或水合肼或者氫碘酸作為還原劑，反應(yīng)l~2h ;將所得水溶液在2000rpm下離心，用去離子水洗滌6-7次，直至上清液呈中性，然后將所得石墨烯OFe3O4復(fù)合磁性粒子分散到一定體積的去離子水中，以400r/min的速度攪拌,并同時(shí)超聲分散60min后,將上述產(chǎn)物在2000rpm下離心1min,除去沉淀物，取上層液即得到穩(wěn)定的石墨烯OFe3O4復(fù)合水基磁流變液，其中氧化石墨烯和Fe3O4的質(zhì)量比為1:19-3:2。
[0005]所述石墨烯OFe3O4復(fù)合磁性粒子占石墨烯OFe 304復(fù)合水基磁流變液的5~35wt%。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，石墨烯OFe3O4復(fù)合磁性粒子在5~35wt%范圍內(nèi)時(shí)，其磁流變性與穩(wěn)定性最好，大于35wt%時(shí)穩(wěn)定性不足,不足5wt%時(shí),其磁流變性能下降。
[0006]所述表面活性劑聚乙二醇或聚乙烯吡咯烷酮或者十二烷基苯磺酸鈉用量為氧化石墨烯的0.l~5wt%。添加一定量的表面活性劑,可大大增強(qiáng)磁流變液的穩(wěn)定性,延長磁流變液的使用壽命。
[0007]所述超聲分散的功率為80W。
[0008]所述石墨烯OFe3O4復(fù)合水基磁流變液中的磁性粒子為石墨烯OFe 304復(fù)合粒子，磁性粒子中的Fe3O4負(fù)載在石墨烯表面或者兩者形成核殼結(jié)構(gòu)。
[0009]所述2)b)步驟中氧化石墨、表面活性劑、Fe3O4水基磁性液體和去離子水的用量均為一定量或一定體積表示，具體操作時(shí)，各物質(zhì)用量經(jīng)過以下步驟推算得出:由于氧化石墨加入到去離子水中全部形成氧化石墨烯，而Fe3O4水基磁性液體濃度為10~50mg/mL,再根據(jù)氧化石墨烯和Fe3O4的質(zhì)量比為1:19-3:2，即可唯一確定的算出某一次實(shí)驗(yàn)中所需要取用的氧化石墨和Fe3O4水基磁性液體的用量。而還原劑抗壞血酸或水合肼或者氫碘酸用量為氧化石墨烯質(zhì)量的1.5-3倍，由此也可確定其用量。表面活性劑聚乙二醇或聚乙烯吡咯烷酮或者十二烷基苯磺酸鈉在本發(fā)明中只要用來使得粒子分散更加均勻，并使得磁流變液的穩(wěn)定性更加好，即使不添加表面活性劑，并不影響最終磁流變液的磁流變性，只會(huì)使磁流變液的穩(wěn)定時(shí)間更為長久，因此其添加量理論上可以是任意的。去離子水的用量也采用一定量表示，其具體用量參照現(xiàn)有技術(shù)中去離子水的用量，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別僅在于用石墨烯OFe3O4粒子替代現(xiàn)有技術(shù)中的純磁性粒子，且制備石墨烯OFe 304粒子的方法和工藝參數(shù)的區(qū)別。
[0010]本發(fā)明制備的石墨烯OFe3O4復(fù)合水基磁流變液具有良好的穩(wěn)定性、零場(chǎng)粘度低，剪切應(yīng)變高，使用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，其根本原因在于本發(fā)明使用石墨烯OFe3O4復(fù)合磁性粒子替代傳統(tǒng)的純磁性粒子制備磁流變液，由于石墨烯為片狀結(jié)構(gòu)，具有良好的力學(xué)性能，并可作為磁流變液的抗沉降劑、抗磨劑及潤滑劑，并可降低磁流變液中的固體成分含量。在制備過程中，采用改進(jìn)的方法制備Fe3O4水基磁性液體，使得Fe 304水基磁性液體的穩(wěn)定性得到了大幅度的提高，并采用改進(jìn)方法制備氧化石墨，然后利用自制氧化石墨制備高穩(wěn)定性的氧化石墨烯。高穩(wěn)定性的氧化石墨烯作為抗沉降劑，解決了石墨烯@Fe304復(fù)合水基磁流變液中的磁性粒子在外場(chǎng)作用下極易發(fā)生團(tuán)聚、沉降的問題，同時(shí)，本發(fā)明制備的氧化石墨烯具有較高的柔韌性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可保證使用其制得的石墨烯OFe3O4復(fù)合水基磁流變液在機(jī)械力作用及高溫下不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)還兼具潤滑劑和抗磨添加劑的功能。本發(fā)明的另一創(chuàng)新點(diǎn)在于，將磁性粒子負(fù)載在片狀氧化石墨烯表面，這使得在磁場(chǎng)作用下，磁性粒子有序排列同時(shí)驅(qū)動(dòng)氧化石墨稀有規(guī)則的排列，可大大提聞制得的石墨稀OFe3O4復(fù)合水基磁流變液的剪切屈服應(yīng)力與磁流變效應(yīng)。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明制備的Fe3O4磁性粒子的XRD圖；從XRD圖中可以看出，在2Θ=30.5。,35.6° ,43.6° ,57.5° 和 63.0° 處，分別對(duì)應(yīng)于 Fe3O4的(220)、(311)、(400)、(511)和(440)晶面，顯不了反尖晶石結(jié)構(gòu)Fe3O4的特征衍射峰；
圖2為本發(fā)明制備的石墨烯OFe3O4復(fù)合水基磁流變液的拉曼圖譜；從拉曼圖譜中可以看出，1360cm1和1600cm 1處為石墨烯的拉曼特征峰，300cm 1和670cm 1處的拉曼峰對(duì)應(yīng)Fe3O4,表明Fe3O4已經(jīng)負(fù)載在石墨烯上；
圖3為本發(fā)明制備的石墨烯OFe3O4復(fù)合水基磁流變液的光學(xué)照片；圖中顯示將一塊磁鐵放在磁流變液的一側(cè)，磁流變液呈現(xiàn)出較好的磁性，并且顯示了良好的穩(wěn)定性。
【具體實(shí)施方式】
[0012]實(shí)施例一:
石墨烯OFe3O4復(fù)合水基磁流變液的制備方法，包括以下步驟:
1)制備穩(wěn)定的Fe3O4水基磁性液體:
將3.0g FeCl2.4H20和6.3g FeCl3.6H20溶解于90mL去離子水中，置于50°C恒溫水浴中，攪拌均勻后，在500r/min的劇烈機(jī)械攪拌下，以2滴/秒的速度緩慢滴加85mL濃度為1.34mol/