Fluidos magneto-reológicos termosensibles.

Fluidos magneto-reológicos termosensibles.

La presente invención consiste en un nuevo tipo de fluidos magneto-reológicos que comprenden medios portadores termosensibles cuya viscosidad se puede controlar externamente mediante cambios en la temperatura,

evitando la sedimentación de las partículas magnéticas en ausencia de campo magnético, y al mismo tiempo permitiendo a las partículas agregarse en presencia del campo, lo cual conlleva un fuerte efecto magneto-reológico. Se presentan fluidos cuya viscosidad o módulo elástico se incrementa al calentarlos, y fluidos cuya viscosidad o módulo elástico se incrementa al enfriarlos.

FLUIDOS MAGNETO-REOLOGICOS TERMOSENSIBLES CAMPO DE LA INVENCION

La presente invención se enmarca en los sectores de la automoción, mecanica y farmaceutico. En concreto, se trata de un nuevo tipo de fluidos magnetoreológicos que pueden aplicarse en dispositivos de transmisión de torque y con especial enfasis en amortiguadores, frenos y embragues. Tambien se pueden aplicar en el desarrollo de dispositivos para liberación controlada de farmacos.

ESTADO DE LA TECNICA

Los fluidos magneto-reológicos (MR) son sistemas coloidales en los que una fase tiene respuesta magnetica, es decir, se magnetiza en presencia de campos magneticos externos. Por lo general, los fluidos magneto-reológicos estan constituidos por una fase particulada sólida y magnetizable que se encuentra dispersa en un medio portador no magnetico. Cuando se aplica un campo magnetico a dicha dispersión, las microparticulas magneticas se magnetizan y en consecuencia agregan en la dirección de las lineas de campo magnetico. Las estructuras particuladas resultantes conllevan cambios en las propiedades de flujo (reológicas) del coloide de manera que, por ejemplo, la viscosidad de cizalla aumenta, y tanto mas cuanto mayor es la intensidad del campo aplicado. Si el campo es suficientemente grande, incluso es posible la aparición de un esfuerzo umbral a la escala de tiempo explorada. Este fenómeno recibe el nombre de efecto MR y se cuantifica en la practica a traves del incremento relativo de la viscosidad con y sin campo en tanto por ciento [Vekas L 2008 Ferrofluids and magnetorheological fluids Advances in Science and Technology 54 127-136], [Park B J, Fang F F and Choi H J 2010 Magnetorheology: materials and application Soft Matter 6 5246-5253], [de Vicente J, Klingenberg D J and Hidalgo-Alvarez R 2011 Magnetorheological fluids: a review Soft Matter 7 3701-3710]. Los primeros fluidos MR salieron al mercado en el ano 2002 y desde entonces el campo de aplicación va en aumento. Sin embargo, entre las limitaciones inherentes a esta tecnologia cabe destacar el hecho de que estos sistemas no son estables desde un punto de vista cinetico y sedimentan en presencia de gravedad, debido fundamentalmente a la enorme diferencia de densidad entre las dos fases (fase particulada y fase fluida) . Los intentos por resolver este problema han sido muchos desde que en los anos 1940 se descubrieran estos materiales. Sin embargo, aun es un punto debil de esta tecnologia pues no existe en la actualidad un fluido MR cineticamente estable, desde un punto de vista coloidal, que exhiba efecto magneto-reológico.

Cuando nos referimos a estabilidad cinetica en magneto-reologia, nos estamos refiriendo a sus dos posibles manifestaciones como son la estabilidad frente a la sedimentación y la estabilidad frente a la agregación [Goncalves F D, Koo J- H and Ahmadian M 2006 A review of the state of the art in magnetorheological fluid technologies - Part I: MR fluid and MR fluid models The Shock and Vibration Digest 38 203-219] [de Vicente J, Klingenberg D J and Hidalgo-Alvarez R 2011 Magnetorheological fluids: a review Soft Matter 7 3701-3710]. En particular, los mecanismos implicados en el control de la estabilidad frente a la sedimentación dependen de la aplicación del fluido. Por lo general, las estrategias para controlar la estabilidad frente a la sedimentación se pueden clasificar entre aquellas que inciden en el medio portador mediante adición de especies, o en la fase particulada mediante funcionalización quimica superficial, variando la forma, o incluso variando su tamano.

En numerosas formulaciones se emplean agentes tixotr6picos (como son la silice o las arcillas) que forman estructuras debilmente conexas-floculadas en el fluido portador [de Vicente J, L6pez-L6pez M T, Gonzalez-Caballero F and Duran J D G 2003 A Rheological Study of the Stabilization of Magnetizable Colloidal Suspensions by Addition of Silica Nanoparticles Journal of Rheology 47 (5) 10931109] [Lim ST, Cho M S, Jang I B and Choi H J 2004 Magnetorheological characterization of carbonyl iron based suspensions stabilized by fumed silica Journal of magnetism and magnetic materials 282 170-173]. Si la concentración del aditivo es suficiente, la viscosidad a baja velocidad de deformación aumenta llegando a impedir la sedimentación total de las particulas durante tiempos aceptables. En otros trabajos, se emplean nanoparticulas ferromagneticas de Coγ-Fe203 y Cr02 que conllevan una mayor estabilidad frente a sedimentación y ademas incrementan el esfuerzo de cizalla a campos magneticos intensos (del orden de 0.60 K0e) [Chin B D, Park J H, Kwon M H and Park 0 0 2001 Rheological properties and dispersion stability of magnetorheological (MR) suspensions Rheol. Acta 40 211-219]. Tambien se describe en la literatura el uso de portadores de tipo plastico, es decir fluidos con esfuerzo umbral positivo, no nulo como pueden ser las grasas [Rankin P J, Horvath A T and Klingenberg D J 1999 Magnetorheology in viscoplastic media Rheol. Acta 38 471-477], entendiendo por esfuerzo umbral el minimo esfuerzo necesario para hacer fluir el material. En estos casos se define un parametro para cuantificar el comienzo del flujo por la acción de la gravedad ("gravity yield parameterr) , YG, como el cociente entre las fuerzas viscosas y gravitacionales. Valores elevados de YG se asocian a medios portadores con mayor capacidad para suspender particulas. El minimo para YG es variable, y usualmente del orden de YGmin = 0.1 [Chhabra R P 1993 Bubbles, drops and particles in non-Newtonian fluids (CRC Press, Boca Raton) ] [Rankin P J, Horvath A T and Klingenberg D J 1999 Magnetorheology in viscoplastic media Rheol. Acta 38471-477]. Los fluidos MR tambien mejoran su estabilidad cinetica frente a sedimentación cuando se reduce el tamano de las particulas al orden de 100 nm de diametro. Desafortunadamente, el esfuerzo umbral de estos fluidos disminuye un orden de magnitud si se compara con fluidos MR clasicos de hierro carbonilo micrometrico [Kormann C, Laun H M and Richter H J 1996 MR fluids with nanosized magnetic particles Int J Mod Phys B 10 3167-3172]. Ademas, tambien se ha descrito la utilización de particulas con geometria alargada pues mejoran la estabilidad y ademas presentan mayor respuesta MR [Bell R C, Karli J 0, Vavreck A N, Zimmerman D T, Ngatu G T and Wereley N M 2008 Magnetorheology of submicron diameter iron microwires dispersed in silicone oil Smart Mater. Struct. 17015028] [ de Vicente J, Segovia-Gutierrez J P, Andablo-Reyes E, Vereda F and Hidalgo-Alvarez R 2009 Dynamic Rheology of Sphere-and Rod-based Magnetorheological Fluids Journal of Chemical Physics 131 194902-01-10] [Kor Y K and See H 2010 The electrorheological response of elongated particles Rheol. Acta 49 741-756]. Incluso se han explorado mezclas de particulas de diferentes tamanos (suspensiones bidispersas) [Foister R T 1997 US patent 5, 667, 715] [Trendler A M and Bose H 2005 Influence of particle size on the rheological properties of magnetorheological suspensions Int. J. Mod. Phys. B 19 1416-1422] [Song K H, Park B J and Choi H J 2009 Effect of magnetic nanoparticle additive on characteristics of magnetorheological fluid IEEE Trans. Mag. 45 (10) 4045-4048] [Jonsdottir F, Gudmundsson K H, Dijkman T B, Thorsteinsson F and Gutfleisch 0 2010 Rheology of perfluorinated polyether-based MR fluids with nanoparticles J. Intel. Mat. Syst. Str. 21 (11) 1051-1060]. Finalmente, otro enfoque lo constituyen particulas magneticas funcionalizadas de baja densidad obtenidas por recubrimiento con materiales polimericos que mejoran la estabilidad, redispersibilidad y previenen la oxidación y corrosión de las superficies [Choi J S, Park B J, Cho M S and Choi H J 2006 Preparation and magnetorheological characteristics of polymer coated carbonyl iron suspensions J. Magn. Magn. Mater 304 374-376].

Es importante destacar que todos los enfoques seguidos en el pasado para reducir o minimizar la sedimentación tienen un problema asociado que consiste en que en todos los casos aumenta la viscosidad a campo nulo, lo cual reduce el efecto MR.

OBJETO DE LA INVENCION

Una posibilidad, hasta ahora no explorada, para resolver el problema de estabilidad frente a la sedimentación lo constituye la utilización de medios portadores termosensibles cuya viscosidad se puede controlar externamente mediante cambios en la temperatura. Con esta idea, es posible mantener el medio portador a una alta viscosidad en ausencia de campo y reducir su viscosidad al minimo en presencia de campo. Asi se puede evitar la sedimentación de las particulas magneticas en ausencia de campo magnetico, y al mismo tiempo permitir a las particulas agregarse en presencia del campo, lo cual conlleva un fuerte efecto MR.

La presente invención pone en practica esta idea mediante el empleo de copolimeros tribloque y dispersiones coloidales de...

1. Fluido magneto-reológico cuya viscosidad o m6dulo elastico se modifica al someterlo a un cambio de temperatura que comprende medios portadores termosensibles y particulas magneticas.

2. Fluido magneto-reológico, segun reivindicación anterior, cuya viscosidad o m6dulo elastico se incrementa al calentarlo, caracterizado porque los medios portadores comprenden soluciones de copolimeros tribloque.

3. Fluido magneto-reológico, segun cualquiera de las reivindicación 2, caracterizado porque los copolimeros tribloque son del tipo PE0x-PP0y-PE0x, donde PE0 se refiere a 6xido de polietileno y PP0 se refiere a 6xido de polipropileno.

4. Fluido magneto-reológico, segun reivindicación anterior, caracterizado porque x = 100 e y = 65.

5. Fluido magneto-reológico, segun reivindicación anterior, caracterizado porque la concentración de copolimero es superior al 10% wt, preferentemente entre 10 wt% y 30 wt%.

6. Procedimiento para preparar fluidos magneto-reológicos segun reivindicaciones 2 a 5, que comprende los siguientes pasos: i) Disolución de los copolimeros en agua destilada a una

temperatura entre 5°C y 15°C. ii) Dispersión de las microparticulas magneticas en la disolución. iii) Dispersión manual de la mezcla. iv) Aplicación de un bano ultrasonidos. v) Repetición de los pasos ii) y iv) hasta conseguir una mezcla homogenea (sin agregados de microparticulas) .

7. Fluido magneto-reológico, segun reivindicación 1, cuya viscosidad o m6dulo elastico se incrementa al enfriarlo, caracterizado porque los medios portadores comprenden dispersiones coloidales de microgeles termosensibles.

8. Fluido magneto-reológico, segun cualquiera de las reivindicación 7, caracterizado porque los las dispersiones coloidales de microgeles termosensibles son polimeros termosensibles de poli (Nisopropilacrilamida)

9. Fluido magneto-reológico, segun reivindicación anterior en el que las dispersiones coloidales de microgeles termosensibles son PNIPAM

entrecruzados con bisacr y lamida (BA) .

10.Fluido magneto-reológico, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque las particulas magneticas son microparticulas de hierro carbonilo 11.Fluido magneto-reológico, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la concentración de particulas magneticas esta comprendida entre 0.5 vol% y 30 vol%, preferentemente 30 vol%.

12.Fluido magneto-reológico, segun reivindicaciones 9 y 10 caracterizado porque la concentración de PNIPAM es del 8.66 wt% y la concentración de hierro carbonilo es del 5 vol%.

13.Procedimiento para preparar fluidos magneto-reológicos segun reivindicaciones 7 a 12, que comprende los siguientes pasos:

i) Disolución de la dispersión coloidal de microgeles o las dispersiones coloidales de microgeles en agua destilada a una temperatura entre 30°C y 60°C.

ii) Dispersión de las microparticulas magneticas en la disolución. iii) Dispersión manual de la mezcla. iv) Aplicación de un bano ultrasonidos. v) Repetición de los pasos iii) y iv) hasta conseguir una mezcla

homogenea (sin agregados de microparticulas) .

Figura 1

20 25 30 35 Te peratura [0C]

Figura 2

01234567 Tie po [h]

Figura 3

6 u o e a acena iento[º a] 6 u o e a acena iento [º a]

Te peratura[0C]

Te peratura [0C]

Figura 4

10152025303540 10 1520 25303540 105

10. 1

10. 1

10. 3

10. 3 10152025303540 10 1520 25303540

10152025303540 10 1520 25303540

Te peratura[0C]

6 u o e a acena

Figura 5.

ºGººH) -GººHº0) ) sGººHº0) [%]

104 103 102 101 100

10. 1

Te peratura[0C]

Figura 6.

Ve oci a e efor ación [S-1]

10. 1

100 101 102 103 Ve oci a e efor ación [S-1]

Figura 7

10. 1

100 101 102 103 Ve oci a e efor ación [S-1]

Figura 8.

20 25 30 35 Te peratura[0C]

Figura 9.

10. 1

100 101 102 103 Ve oci a e efor ación [S-1]

10. 2 10-1

100 101 102 103 Ve oci a e efor ación [S-1]

Figura 10

10. 1

100 101 102 103 Ve oci a e efor ación [S-1]

Figura 11.