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文档简介
磁性橡胶的结构与性能
磁体橡胶是由精细磁粉、橡胶和少量配合剂制成的弹性磁性材料。其性能主要取决于所用磁粉的类型和用量以及制造工艺等。本文将分别作以介绍。1磁粉由于磁性橡胶的磁性主要取决于磁粉的性能与用量,与橡胶聚合物的类型关系不大,故对磁粉的组成结构和性能有一个概括的了解是十分必要的。1.1应用磁性材料的方法磁性是物质的基本属性之一。物质在外磁场的作用下,呈现出不同的磁性,可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质,其余的为弱磁性物质。实用的磁性材料属于强磁性物质。按其特性和应用常分为软磁和硬磁。硬磁性能主要是矫顽力高,经饱和磁化后,能储存一定的磁性能,长时间内保持强而又稳定的磁性,在一定空间内提供恒定的磁场。1.2在磁财上磁较强的磁矩中产生磁矩的方法磁性物质内部的原子磁矩,在没有外磁场的作用时,已在每一个小区域内按照一个方向排列,自发达到饱和而形成一合磁矩。这些小区域称为磁畴。磁性物质内分为许多磁畴,这些磁畴的磁矩各取不同的方向,磁性作用相互抵消,不呈现宏观的磁性。若将该磁性物质置于外磁场中,在外磁场的作用下,使已高度自发磁化了的许多磁畴的磁矩从各自不同的方向改变为外磁场的方向,则该物质呈现出很强的磁性。这就是磁性物质的磁化过程。在磁性物质磁性达到饱和时,所有原不同方向的磁畴磁矩完全改变到外磁场的方向;移去外磁场后,磁畴的磁矩由于磁晶各向异性的作用,其磁矩方向不回到磁化前各自的方向,故在磁场方向上仍有分量,呈现出强而稳定的磁性,这就是剩磁。1.3磁粉磁粉是指能够在磁场中磁化,呈现出磁性,除去磁场后仍能保留磁性的固体粉末状物质。磁粉就是制造磁性橡胶的填料。(1)铁的金属混合物粉末铁钴、铁镍、铁锶、铁钡、铁钕硼、铁铝镍和铝镍钴的金属混合物粉末,均为强磁性物质。铁钴金属混合物粉末的剩余磁性强度是铁氧体磁粉的4倍。但由于加工工艺和价格的原因,实际应用的较少。(2)磁粉的磁粉种类铁氧体是经过加工制成的氧化铁磁半导体即高铁酸盐,是由氧化铁与某些2价金属化合物生成的二元或三元氧化物。通式为:MO·(Fe2O3)n铁氧体的种类较多,按晶体结构可分为:尖晶石型、磁铝石型和石榴石型,按性质和用途可分为硬磁、软磁、矩磁和旋磁等。硬磁铁氧体性能较好的有钴铁氧体、锶铁氧体、钡铁氧体和铁铁氧体。用单位质量体积的饱和磁性强度δs和剩磁强度Ms来比较:钴铁氧体:δs=80GS·cm3/gMs=425GS钡铁氧体:δs=72GS·cm3/gMs=380GS数据表明:钴铁氧体的磁性能优于钡铁氧体,但钴铁氧体价格昂贵,热稳定性及保磁性差,实际应用的较少。常用的是钡铁氧体。磁粉的磁性取决于磁粉的种类;同一类磁粉,其磁性取决于结晶构造,主要是结晶形状、粒子大小和均匀性。磁粉的种类较多,根据化学组成,其类型归纳见表1。生产磁粉的厂家也很多,用途不同,其性能指标也不同,国内一些厂家的性能指标见表2。2橡胶制造工艺2.1制造过程设计指标磁性橡胶的原料是磁粉、橡胶及少量配合剂。根据使用要求,在制造过程中,应掌握2个指标:(1)磁性强;(2)保持一定的弹性。因此,选择原料的类型和用量,是配合研究的内容。2.1.1磁粉用量对磁性橡胶性能的影响磁粉主要选用高铁酸盐,即铁氧体MO(Fe2O3)n,因为铁氧体磁粉价格低廉,原料易得,制造简单,综合性能优异,密度较低。制造软磁性橡胶,可参照表1选择磁粉作为填料。主要有镍锌铁氧体、锰锌铁氧体等。要求磁粉细、均匀,粒径约100μm,比表面积为0.14~0.50m2/g。制造硬磁磁性橡胶,选用的磁粉有:钡铁氧体、锶铁氧体、钴铁氧体和铁铁氧体。最为常用的是前2种。要求磁粉均匀,粒径约100μm,比表面积0.14~0.50m2/g。磁粉对磁性橡胶的性能影响如下:硬度:Fe>Co>Ba拉伸强度:Co>Ba>Fe拉断伸长率:Ba>Co>Fe拉断永久变形:Fe>Co>Ba磁性:Co>Fe>Ba以上表明,用铁铁氧体磁粉制造的磁性橡胶,磁性一般,物理机械性能差,拉断伸长率、强度较低、拉断永久变形大;用钴铁氧体磁粉制造的磁性橡胶,磁性与物理机械性能均好;用钡铁氧体磁粉制造的磁性橡胶,虽然磁性较差,但综合性能好,并且来源丰富,价格低廉,适用于制造普通的磁性橡胶。在磁性橡胶制造过程中,磁粉用量是一个重要环节。因为磁粉用量越大,磁性越强,而物理机械性能越差。因此,必须根据综合性能,参照图1和图2准确控制磁粉用量。也可以根据磁性能指标,用经验公式计算磁粉用量。Br=2.28×10-3·C+0.003(1)式中,Br——剩磁感(T);C——磁粉体积分数(%);由已知剩磁感,用(1)式计算出磁粉用量。HC=14C+70(2)式中,HC——矫顽力(Oe);C——磁粉用量体积分数(%);由已知矫顽力,用(2)式计算出磁粉用量。2.1.2胶的选用磁性与橡胶类型关系不大,各种橡胶均可制造磁性橡胶。通常从加工工艺性能的角度选择橡胶,天然橡胶用的较多,因为它易于加工,填充磁粉量较大。电冰箱门磁性密封条选用的橡胶有:丁腈橡胶、氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、天然橡胶、氯化聚乙烯和聚氯乙烯等。每100份橡胶中,磁粉的极限填充量,对于不同类型的橡胶也是具有差别的(见表3)。2.1.3高分子糖质复合材料根据橡胶选用配合剂。用NR,NBR制造磁性橡胶,选用硫黄、促进剂为硫化体系,硬脂酸和氧化锌为活性剂,少量的防老剂。以CR,CSM制造磁性橡胶,选用氧化镁、氧化锌作硫化剂。以硅橡胶制造磁性橡胶,选用有机过氧化物作交联剂。以CM、PVC和PE制造磁性复合材料,无需加入交联剂。表4列出了几种磁性橡胶的配方和性能。2.2橡胶制造工艺根据橡胶类型,采用适宜的制造工艺,可制造出满足各种性能要求的磁性橡胶。,4-二氯-4-甲基苯甲酰甲酰甲酰甲酰的制备将甲基乙烯基硅橡胶(粘均相对分子质量50万以上)100份、钡铁氧体磁粉875份在开炼机上混炼均匀,胶料放置7d后,进行返炼,并加入1.5份2,4-二氯过氧化苯甲酰为交联剂,混炼均匀后,将胶料置于模具中,在125℃加压硫化20min,然后进行二段硫化,在150℃烘箱中硫化4h,再于200℃硫化16h。硫化后的橡胶进行充磁,便制成了磁性硅橡胶。胶料、稳定剂用粉状聚降冰片烯100份和磁性流体(吸附有表面活性剂的钡铁氧体磁粉以60%的浓度分散于二十烷基萘中)500份,在开炼机上混炼,并加入氧化锌5份,硬脂酸1份,硫黄1.5份和促进剂CZ5份。混炼均匀的胶料,在15MPa,180℃条件下硫化15min。制得的硫化胶充磁后,其磁感强度为340GS,矫顽力为600Oe。磁性橡胶tdi应用原料:液体橡胶(HTPB),羟基含量>44×10-4mol/g,N,N′-二(2-羟丙基)苯胺(HPA),2,4-二甲基二异氰酸酯(TDI),钡铁氧体磁粉;配比γ值(NCO与OH的当量比)为1,磁粉质量分数83%。将原料按比例和顺序置于预混器中进行混合后,转入到捏合机中,捏合15min,取出胶料。于模具中压制成型(压力20MPa)。置于磁场中充磁后,放入70℃烘箱中固化3h,脱模整形,即制成磁性橡胶5线谱教示板。制造工艺流程如图3。工艺流程及加料过程磁性橡胶密封条的配方举例见表5。9#~12#配方,不需要硫化,其制造工艺流程如下:密炼法工艺流程:磁粉筛选→原料混炼→破碎→挤出→冷却→充磁→卷盘→包装磁粉筛选→原料混炼→破碎→挤出→冷却→充磁→卷盘→包装开炼法工艺流程:原料混炼→压片→破碎→挤出→冷却→充磁→卷盘→包装原料混炼→压片→破碎→挤出→冷却→充磁→卷盘→包装2种方法的加料顺序是NBR(或CSM)、磁粉、DOP(或DBP)、氯化石蜡。炼胶机开始温度是20℃,混炼过程中控制在80~100℃,105℃下料。挤出机温度分别是:机身80~90℃,机头110℃。电流15A以下。充磁电压(交流电)460~480V,充磁长度700mm,充磁频率78。产品密封条的性能见表4中配方9#~12#。防老剂及软化剂用量d应用原料:NR100份,硫黄2份,促进剂D1.4份,防老剂D1份,氧化锌5份,硬脂酸1.5份,软化剂适量,钡铁氧体磁粉900份。经过混炼、硫化、充磁,即可制成磁性橡胶绘图板。3磁极橡胶的充磁和磁极性能3.1磁体的充磁性充磁时一般要求磁场强度大于10000GS。充磁时间20min左右,即可使磁化达到饱和程度。3.2橡胶网状结构对磁投料磁方向的影响磁性橡胶的充磁有2种方法:(A)硫化前充磁,该方法较好,因为橡胶未发生交联,磁粉的磁畴磁矩方向转为外磁场的方向不受橡胶网状结构的限制。(B)硫化后充磁。虽然橡胶的网状结构对充磁有点不利,但在很大的磁场强度下,对已经成型的硫化橡胶充磁时易于操作。3.3物质的磁性gs磁性通常有如下表征方法:(A)磁感强度;(B)剩余磁感应;(C)矫顽力;(D)磁能积。一般用(A),(C)和(D)或(B),(C)和(D)表征磁性,多数只用(A)来表征,也能说明物质的磁性性能。磁感强度,也称表面磁场强度,单位是高斯(GS)。剩余磁感应,也称剩余磁通密度(Br),单位是特斯拉(T)或千高斯(kGS);矫顽力(HC),单位是欧意(Oe),也有用安培/米(A/m)表示的;磁能积,单位是MGCOe,或用太安/米表示。4磁体橡胶的性能和应用4.1在橡胶中的应用磁性橡胶有如下性能:(1)磁性;(2)柔性、弹性;(3)电绝缘性;(4)密度小;(5)减振。它与一般磁性材料相比,其优点是能制成
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