基于磁流變彈性體(MRE)的產(chǎn)品通常位于直接暴露于陽光和雨水的區(qū)域。然而，沒有關(guān)于MRE在加速老化后的行為的具體研究。因此，在本研究中，檢查了各向同性和各向異性MRE在加速老化后的化學(xué)和流變性質(zhì)的變化。比較處理和未處理的樣本。在沒有電流激勵的情況下制備具有40重量CIP的MRE樣品，并且用1.5 T的磁通量密度制備另一個樣品。每個樣品都在Q-Sun Xe-1氙燈加速老化機中，在紫外光照射循環(huán)和噴水下進行處理。使用FTIR和流變儀進行材料表征，以確定化學(xué)和流變性質(zhì)的變化。形貌分析結(jié)果表明，經(jīng)氣候處理后，表面粗糙，出現(xiàn)較多空洞。流變儀測試結(jié)果顯示，與未處理的MRE樣品不同，每個處理過的MRE樣品的儲能模量顯著降低。電流為0、1、2和3安培時，儲能模量值的降低分別為66.67%、78.9%、85.2%和80.5%。同時，F(xiàn)TIR測試顯示了未處理和處理的MRE樣品之間的波峰變化。熱重分析(TGA)也顯示每個樣品的MRE重量降低。然而，對于治療和未治療的MRE標(biāo)本，TGA的下降沒有顯著差異。在對MRE樣品進行的所有測試中，天氣加速處理引起了顯著的變化。對于選擇硅樹脂作為MRE基體的開發(fā)人員來說，這是一個重要的考慮因素。
橡膠產(chǎn)品的開發(fā)進展迅速。除了應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的普通橡膠產(chǎn)品，例如輪胎或其他特種橡膠產(chǎn)品，近幾十年來已經(jīng)提出了傳感器和磁場及電磁場保護材料形式的橡膠復(fù)合材料。對于這種用途，需要一種新型的橡膠復(fù)合材料，其具有非常規(guī)的填料作為整合的活性組分。實現(xiàn)這一目的的一種方法是制備一種具有特定填料如磁性顆粒的新材料。磁流變彈性體(MRE)是新一代材料，因其優(yōu)異的柔韌性、易成型性和對磁場的敏感性而被廣泛研究。然而，盡管MRE具有作為復(fù)合材料的能力，但由于周圍環(huán)境的影響，它仍然非常容易受到損壞。MRE老化影響MRE的機械性能和耐久性，導(dǎo)致?lián)p壞。一個例子是Kruzelak等人進行的研究，該研究表明，由于在氧化老化過程中橡膠鏈氧化的形成，磁性復(fù)合材料的交聯(lián)密度增加。他們觀察到，與沒有老化的樣品相比，與橡膠磁性復(fù)合材料的模量和硬度相關(guān)的機械性能增加了。Masbowski等人研究了MRE樣品的熱氧化老化。將含有羰基鐵顆粒(CIP)和炭黑填料的MRE樣品置于70℃的干燥爐中處理兩周。由于氧化老化過程，MRE的機械性能略有下降。其他研究人員也得出了類似的結(jié)論；隨著溫度和老化時間的增加，拉伸強度、撕裂強度和硬度顯著下降，降幅高達(dá)72%。這是由于伴隨著水熱劣化的分子構(gòu)型變化導(dǎo)致基體和填料/基體界面之間形成微間隙。
與MRE降解相關(guān)的處理已經(jīng)以幾種形式進行，例如熱處理，但是這些處理中的一些不能代表天氣行為。根據(jù)以前的研究，橡膠復(fù)合材料/MRE研究僅限于特定的橡膠基質(zhì)，主要集中在機械性能和交聯(lián)上。一項研究涉及使用RTV硅橡膠作為大型MRE基體，因為它易于制造。然而，對基于RTV硅酮的MRE對自然條件如陽光、熱和降雨的耐受性的深入研究沒有受到關(guān)注。同時，橡膠復(fù)合產(chǎn)品如MRE的應(yīng)用主要是在直接暴露于陽光和雨水的環(huán)境中。因此，這篇文章有助于理解老化的影響，通過使用氙燈加速老化機對各向同性和各向異性的基于硅RTV的MRE樣品。通過在紅外測試下檢查流變性能和材料劣化，實現(xiàn)了新的發(fā)現(xiàn)。這一主要發(fā)現(xiàn)對于研究人員或設(shè)計人員決定是否使用硅樹脂作為MRE基質(zhì)很重要。
2.1.樣品制備
在這項研究中，MRE樣品是基于由40 wt% CIPs和硅酮RTV作為懸浮介質(zhì)。MRS樣品的制備如圖1所示。
使用相同的設(shè)備制造各向同性和各向異性類型。對于各向異性的MRE樣品，混合的硅酮RTV和CIP在0.5 T磁通量密度的影響下固化。該磁通量值通過施加1 ADC電流獲得。為了確定該值，在用混合物填充模具之前，使用高斯計測量通量密度。MRE樣品在室溫(25 ℃)下常規(guī)攪拌約10分鐘，直到其視覺上均勻。然后，將1%的固化劑NS 625 B(新日鐵)加入到攪拌的MRE樣品中，然后將其倒入模具中。為了去除小氣泡，將混合物置于真空室中進行脫氣。
2.2.樣品表征
測試方法遵循使用人工氣候老化裝置的橡膠劣化的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。這一過程是在加速老化機Q-SUN Xe-1氙燈加速老化機和ASTM D750中進行的。Q-SUN Xe-1氙燈試驗箱是一個桌面型試驗箱，它使用一個氙弧燈和可選的噴水器和冷卻器來再現(xiàn)全光譜紫外光造成的損害，該燈由美國佛羅里達(dá)州Q-Lab制造。
如ASTM D750所述，樣品的最大厚度應(yīng)為0.75毫米，最小厚度應(yīng)為0.60毫米(0.025英寸)；然而，樣品的寬度并不重要。除了ASTM標(biāo)準(zhǔn)厚度之外，還根據(jù)流變測試的需要對厚度為1 mm的樣品進行了處理，流變測試要求最小厚度為1 mm。默認(rèn)曝光時間僅為102分鐘，隨后是18分鐘的光照，外加在正面噴水或浸入水中。在暴露于光下的干燥期間，該測試的黑面板溫度(BPT)為63 ℃,暴露期間的相對濕度為60%。輻照度水平控制在340納米。該測試在溫度為60°C的未隔熱黑色面板中進行了8小時的紫外線暴露循環(huán)，隨后在黑暗中進行了4小時的冷凝循環(huán)，潤濕且未隔熱黑色面板的溫度為50°C。獲得的樣品是經(jīng)過處理和未經(jīng)處理的MRE樣品，包括各向同性和各向異性樣品。
然后通過諸如形態(tài)學(xué)、流變學(xué)和傅立葉變換紅外光譜(FTIR)等幾項測試對制備的樣品進行表征。為了檢查處理過的和未處理的樣品的表面，使用荷蘭Arnhem的Euromex Microscopen BV的Euromex顯微鏡“F”系列，在10倍放大倍數(shù)(M10)下進行顯微照片分析的圖像捕捉。這種放大足以清楚地識別處理過的和未處理過的樣品之間的差異。對樣品表面進行顯微照片分析，因為在用加速老化機器處理期間，樣品表面直接暴露于紫外線和水中。用于流變儀測試的MRE樣品被切割成20 mm的直徑。該測試使用安東帕公司的MCR 302流變儀進行。本研究中CIPs和硅橡膠介質(zhì)之間的MRE樣品量基于重量比。將兩種成分在室溫下手動攪拌10分鐘，直至均勻。達(dá)到均勻性后，將每個樣品倒在模具上，并在凝固前拉平。在25°c下用流變儀測試樣品。除了流變儀測試，還對樣品進行了FTIR測試，以確定未處理和處理過的MRE樣品之間化學(xué)化合物的任何變化或差異。使用研缽壓模將待通過FTIR測試的MRE樣品壓碎直至光滑。FTIR測試使用日本島津Prestige 21 IR，波長規(guī)格為12500–240cm-1，精確度為0.12cm-1。這臺機器的光譜分辨率范圍為0.5至2cm-1。
3.1.顯微照片分析
處理和未處理MRE樣品表面的顯微照片研究對于分析降解程度至關(guān)重要。圖2a顯示了未處理的顯微照片樣品，圖2b顯示了使用氙燈加速老化機進行老化處理的顯微照片樣品。表面退化的影響在這些圖像中很明顯，結(jié)果顯示出明顯的差異。
處理后，MRE樣品表面比原始樣品更不規(guī)則。即使使用普通顯微鏡，處理過的樣品的粗糙度變化也很明顯。表面缺陷可能是由于低分子降解產(chǎn)物的形成，這使得水和可能的分解劑(例如酶)滲透到聚合物本體中，并促進進一步的環(huán)境降解。其他用熱老化測試MRE的研究人員也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。
使用德國耶拿的卡爾·蔡司公司的SEM(掃描電子顯微鏡)ZEISS EVO 10進行顯微照片分析。對于兩種樣品變體，分析是以1000倍的放大倍數(shù)進行的。本研究中的SEM測試旨在以更大的放大比例更清晰地描述彈性體結(jié)構(gòu)，以便在有和無氣候處理的MRE樣品之間完成比較。在樣品的表面和樣品切片的截面上進行測試，以便可以看到在MRE上形成的鏈結(jié)構(gòu)。比較的樣品是各向同性和各向異性的MRE樣品，經(jīng)過處理和未經(jīng)過老化處理。結(jié)果如圖2a、2b所示；未經(jīng)氣候處理的各向異性MRE樣品具有更整齊排列的結(jié)構(gòu)，其外觀是用1 A輸入固化的鏈狀排列線。經(jīng)氣候處理的各向異性MRE樣品顯示出更不規(guī)則(隨機)的結(jié)構(gòu)。由于樣品在處理過程中交替暴露于紫外光下并連續(xù)噴水，在經(jīng)氣候處理的MRE樣品中更容易看到拉伸網(wǎng)絡(luò)。拉伸網(wǎng)絡(luò)的存在和鏈的隨機排列導(dǎo)致MRE的流變性能顯著下降，如流變測試結(jié)果圖所示。
對于未經(jīng)氣候處理的MRE樣品，樣品切片的鏈節(jié)結(jié)構(gòu)仍然清晰地形成；而在經(jīng)天氣處理的樣品中，路徑不可見，因為它看起來更隨機。根據(jù)圖表的結(jié)果，這導(dǎo)致樣品中的性能下降。氣候處理僅在樣品的表面進行，但是發(fā)生在樣品中心的沖擊通過被測試樣品的切片顯示。SEM測試的結(jié)果如圖2所示。使用相同的方法和放大倍數(shù)收集數(shù)據(jù)。此外，表面拉伸網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和大小也有顯著差異。在相同的放大倍數(shù)下，經(jīng)氣候處理的各向異性MRE樣品的表面褪色和變灰。當(dāng)然，這是紫外線與持續(xù)噴水交替暴露于樣品的結(jié)果。就通過SEM分析的MRE樣品的表面和中間/內(nèi)部之間的顏色變化而言，內(nèi)部傾向于在處理或不處理的情況下保持相同的顏色，因為內(nèi)部沒有暴露于UV光。同時，從得到的拉伸網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和尺寸來判斷，與未處理的MRE樣品相比，經(jīng)氣候處理的MRE樣品數(shù)量更多且均勻地分布在表面的所有部分上，尺寸更小。然而，在這兩者中，鏈結(jié)構(gòu)路徑不可見，如在切片MRE樣品中清楚看到的。兩者結(jié)構(gòu)不規(guī)則。
各向同性MRE樣品也用相同的方法和放大倍數(shù)進行測試?？偟膩碚f，SEM結(jié)果顯示了相似性，如圖2c，d所示。經(jīng)老化處理的樣品有更多的氣泡。在所有的測試中，無論是在表面還是在切片上都出現(xiàn)了這種情況。然而，與形成鏈狀結(jié)構(gòu)的各向異性MRE樣品相反，在該樣品中，沒有形成結(jié)構(gòu)結(jié)合如鏈，因為制造過程沒有使用磁場。這顯示在圖2c，d中，放大1000倍的MRE切片樣品顯示了非常隨機的鍵分布。與之前的各向異性樣品相比，該各向同性MRE樣品中氣泡的數(shù)量和尺寸差異不顯著。如圖3c所示，儲能模量的降低證明了這一點，但并不顯著。該結(jié)果不同于各向異性MRE樣品中出現(xiàn)的下降。
圖3描繪了經(jīng)過和沒有經(jīng)過氣候處理的所有樣品的儲能模量。如圖3所示，各向異性和各向同性的每個MRE樣品流動強度下的儲能模量降低。在圖3c中，經(jīng)處理的各向異性MRE樣品顯示出與未經(jīng)處理的各向同性MRE樣品的儲能模量幾乎相同的儲能模量值。這表明天氣處理會破壞各向異性MRE樣品中出現(xiàn)的粒子鏈排列。顆粒鏈排列的破壞發(fā)生在所有各向異性MRE樣品中，并使所有儲能模量值接近各向同性MRE樣品的儲能模量。
圖3顯示，未經(jīng)處理的各向異性MRE樣品在4 A的電流輸入下具有1.9 MPa的峰值儲能模量值。同時，在相同電流輸入(4 A)下處理的各向異性MRE樣品的峰值儲能模量值為0.37 MPa。
這表明，由于天氣(暴露于紫外線和噴水)的影響，儲能模量值降低了80.5%，這是在一個測試循環(huán)中進行的。流變儀測試中的所有電流輸入都出現(xiàn)儲能模量值下降。電流為0、1、2和3安培時，儲能模量值的降低分別為66.67%、78.9%、85.2%和80.5%。與各向同性MRE樣品相比，這種降低非常顯著，如圖4所示。各向異性MRE樣品具有高儲能模量值，這是由于在產(chǎn)生樣品的固化過程中輸入電流時形成的顆粒鏈的排列。
斜坡頻率或頻率掃描是一種特別有用的測試，因為它能夠確定樣品的粘彈性作為時間尺度的函數(shù)。儲能模量可以用來衡量樣品的彈性成分，同樣，損耗模量也是樣品的粘性成分。無論哪個模量在特定頻率下占主導(dǎo)地位，都將表明在類似時間尺度的過程中，完全結(jié)構(gòu)化的材料表現(xiàn)出彈性還是粘性。由于懸浮固體、高添加劑濃度、膠體增稠劑等的存在，大多數(shù)分散體涂層的機械響應(yīng)是粘彈性的。，將在體相上誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
圖4顯示了對處理和未處理的MRE進行各向同性MRE樣品流變儀測試的結(jié)果。當(dāng)測試時，在4A電流輸入下，未經(jīng)處理的各向同性MRE的儲能模量的峰值僅達(dá)到0.37 MPa。該值幾乎與各向異性MRE處理樣品的儲能模量值相同。同時，各向同性處理的MRE樣品的儲能模量值僅達(dá)到0.28 MPa的峰值。這表明，在4A電流輸入下，各向同性MRE樣品的儲能模量的值降低了24.3%。這一降低值與各向異性MRE樣品的降低值不可比，后者的平均降低值高達(dá)78.3%。這是因為各向同性MRE樣品中顆粒鏈的排列是不規(guī)則的，所以對樣品進行的氣候處理不會破壞這種排列，而只會降低其流變性能。
對老化處理和未處理的MRE樣品進行表征。分析顯微照片的結(jié)果顯示了處理和未處理樣品之間的顯著差異。處理過的樣品的降解在其增加的粗糙度和顆粒排列的表面不規(guī)則性中是明顯的。使用流變學(xué)的表征測試結(jié)果顯示儲能模量顯著降低。這種下降高達(dá)80.5%，這是由于使用暴露于紫外光下的加速老化機器和連續(xù)且重復(fù)地向樣品上噴水處理的樣品的老化而發(fā)生的。這一過程的發(fā)生是由于MRE樣品中排列的顆粒鍵鏈斷裂；因此，在各向異性樣品中形成的MRE粒子鏈被破壞，類似于各向同性樣品。在FTIR測試中，每個樣品顯示出很小的差異，在相同波長下出現(xiàn)幾乎相同強度的峰。然而，一個顯著的因素是在3451cm-1的波長下，未處理樣品形成OH基團的強度非常低。甚至未經(jīng)處理的各向異性樣品也幾乎沒有在該波長形成峰。因此，基于天氣處理后的MRE表征的結(jié)果，樣品的老化更快，因此樣品性能下降。暴露于紫外光和水噴霧極大地影響了廣泛應(yīng)用于開放環(huán)境中的MREs的性能。這種性能下降在流變特性測試中是明顯的，該測試表明，與未處理的樣品相比，處理的樣品的儲能模量顯著下降。特別是在先進材料和磁流變彈性體領(lǐng)域，這給正在進行的研究帶來了新的挑戰(zhàn)。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
