Электрореологическая жидкость и способ ее получения

 

Изобретение относится к области создания жидкостей, обратимо изменяющих свои физические характеристики под действием электрического поля, и может быть использовано в машиностроении, электротехнике, приборостроении. Целью изобретения является увеличение температурного диапазона работоспособности электрореологической жидкости (ЭРЖ). Поставленная цель достигается благодаря использованию в качестве загущающей дисперсной фазы пиролизованных при 400 - 450^oС в атмосфере аргона волокон полиакрилонитрила (ПАН) или отходов волокна ПАН, а в качестве диэлектрической среды - трансформаторного масла, при следующем соотношении компонентов, мас.%: пиролизованное ПАН-волокно 5-40; трансформаторное масло - остальное. Статическое напряжение течения ЭРЖ при напряженности поля 1,4 МВ/м составляет 50 -2490 Па в интервале температур от 20 до 120^oС. 2 з. п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области создания жидкостей, обратимо изменяющих свои физические характеристики под действием электрического поля, и может быть использовано в машиностроении, электротехнике, приборостроении. Эффект обратимого изменения вязкости жидкости под действием электрического поля принято называть электрореологическим эффектом (ЭРЭ).

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является электрореологическая суспензия, получаемая путем введения в диэлектрическую среду мелкодисперсного наполнителя, активированного водой - воздушно-сухих алюминий-углеродных волокон, термообработанных при 700 - 900^oС в количестве 2,6 5,4% от массы суспензии. Недостатком указанной жидкости является резкое уменьшение ЭРЭ при температуре выше 90^oС, что связано с наличием активатора воды, а также низкая седиментационная устойчивость суспензии из-за высокого удельного веса дисперсной фазы (2,5-3 г/см³)(1).

Целью изобретения является расширение температурного диапазона работоспособности электрореологической жидкости.

Поставленная цель достигается за счет использования в качестве дисперсной фазы ЭРЖ пиролизованного при температуре 400-450^oС (предпочтительно 425^oС) полиакрилонитрила (ПАН) в количестве 5-40 мас.

Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является использование в качестве дисперсной фазы пиролизованного при T=400-450^oС ПАН, который ранее не применялся для этих целей. Известно только использование пиролизованного ПАН как полупроводника.

Использование пиролизованного ПАН позволяет отказаться от введения в систему активатора и дает возможность сохранения электрореологического эффекта при температурах до 120^oС.

ЭРЖ готовили следующим образом. Полиакрилонитрил ТУ 6-06-С230-87 подвергали пиролизу при температурах от 375 до 475^oС в атмосфере аргона в кварцевом реакторе. По окончании пиролиза полиакрилонитрил извлекался из реактора, измельчался до размеров 1-50 мкм и смешивался с диэлектрическим маслом (например, ВМ-6, МРТУ 38-1-261-68, ВМ-4, ГОСТ 7903-56). Содержание дисперсной фазы в жидкости изменялось в пределах 3-45 мас.

Во избежание возможного влияния адсорбированной влаги измельченный пиролизованный ПАН перед смещением тщательно высушивался над P₂O₅, и готовая суспензия хранилась в эксикаторе.

Определение температурной стабильности предлагаемой ЭРЖ проводили в термостатируемой измерительной ячейке модифицированного ротационного вискозиметра "Реотест-2".

Пример. Пиролизованный при Т=400^oС полиакрилонитрил измельчался до размеров 1-50 мкм, тщательно высушивался и смешивался с вакуумным маслом так, чтобы содержание твердой фазы изменялось от 3 до 45 мас. Готовая суспензия помещалась в термостатируемую измерительную ячейку модифицированного вискозиметра. "Реотест-2". Измерения ЭРЭ производились при напряженности постоянного электрического поля 2,2·10⁶ В/м и температуре 20^oС.

Аналогично определялся ЭРЭ при температурах пиролиза 375, 425, 450, 475^oС (табл.1). В качестве показателя ЭРЭ использована величина достигаемого напряжения сдвига при скорости сдвига 48,6 с^-1. Перерасчет значений, приведенных в прототипе, осуществляется по формуле: где τ напряжение сдвига. Па; h эффективная вязкость, Па·с; скорость сдвига, с^-1.

Таким образом, величина максимального напряжения сдвига для ЭРЖ, описанной в прототипе (концентрация дисперсной фазы 5,4 напряженность поля 2,1 кВ/мм, температура 20^oС), составит t4,793 Па·с х48,6 с^-1 ≈ 235 Па.

Из таблицы 1 видно, что при содержании дисперсной фазы 5 мас. ЭРЭ прототипа выше, чем ЭРЭ заявляемой жидкости, однако в запредельном для прототипа диапазоне концентраций величина ЭРЭ заявляемой жидкости существенно выше: при 20 мас. в 3,5 раза, при 40 мас. в 15,4 раза.

Уменьшение концентрации дисперсной фазы в заявляемой жидкости <5 мас. резко снижает ЭРЭ, а при увеличении концентрации >40% наблюдается потеря текучести жидкости и увеличение тока через ячейку выше допустимого для источника питания.

В экспериментах по изучению температурной стабильности ЭРЭ (табл. 2) использовалась жидкость, содержащая 5 мас. ПАН 425 при напряженности поля Е= 2,2·10⁶ В/м. Температура термостатирования измерительной ячейки изменялась от 20 до 120^oС Из таблицы 2 видно, что при температурах термостатирования ≥100^oС наблюдается ЭРЭ для прототипа, тогда как заявляемая жидкость сохраняет эффект.

Увеличение температуры термостатирования свыше 120^oС приводит к уменьшению седиментационной устойчивости ЭРЖ за счет снижения плотности и вязкости дисперсионной среды. Этого можно избежать, подобрав среду с более высокой, чем у используемого вакуумного масла, плотностью (например, галогенированные углеводороды, кремнийорганические жидкости).

К достоинствам предлагаемой ЭРЖ можно отнести меньший, по сравнению с прототипом, удельный вес частиц дисперсной фазы 1,22-1,28 г/см³, что облегчает подбор дисперсионной среды. Следует также отметить, что даже в случае присутствия небольшого (1-5 мас.) количества влаги характеристики заявляемой ЭРЖ не ухудшатся.

Формула изобретения

1 1. Электрореологическая жидкость, состоящая из трансформаторного масла и углеродсодержащей дисперсной фазы, полученной путем пиролиза органических волокон, отличающаяся тем, что, с целью увеличения температурного диапазона работоспособности электрореологической жидкости, она в качестве углеродсодержащей дисперсной фазы содержит пиролизованные волокна полиакрилонитрила (ПАН) при следующем соотношении компонентов, мас.3 Пиролизованные волокна полиакрилонитрила7 5 403 Трансформаторное масло7 Остальное2 2. Способ получения электрореологической жидкости путем смешения диэлектрического масла и дисперсной фазы, отличающийся тем, что, с целью увеличения температурного диапазона работоспособности электрореологической жидкости, дисперсную фазу получают предварительным пиролизом волокон полиакрилонитрила при 400-450ºС.2 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходного волокна используют отходы производства волокна ПАН.

РИСУНКИ

Рисунок 1