CN100393857C

CN100393857C - 一种无水电流变液及其制备方法

Info

Publication number: CN100393857C
Application number: CNB2005100573521A
Authority: CN
Inventors: 郑玲; 李以农; 杨隽
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: CN1752196A

Abstract

本发明涉及一种无水电流变液，其特征是：其固体分散相采用钇掺杂二氧化钛粉体颗粒材料；在电流变液体中，颗粒材料所占的体积百分比为15%～35%；在电流变液体中还包括按固体颗粒材料重量百分比的3～5%加入的添加剂。本发明还涉及利用溶胶-凝胶方法，制备了钇掺杂二氧化钛纳米粉体颗粒材料，将其作为固体分散相，制备无水电流变液体材料的方法。本发明的特点是实验条件易于控制，性能重现性好，配制的电流变液体具有较高的力学性能，零场粘度小，流动性好。

Description

一种无水电流变液及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种在机电耦合系统中应用的无水电流变液体，具体涉及钇掺杂二氧化钛无水电流变液体材料。本发明还涉及制备所述无水电流变液体方法。

背景技术

作为一种典型的智能材料，电流变液体在外加电场的作用下，粘度、模量和屈服应力等发生迅速变化，而当电场取消后，液体的性能又迅速恢复到常态。由于电流变液的这一特性，实现了电场与力矩之间的可控、无级和可逆传递，特别适合于在机电耦合系统中的应用，如减振器、离合器、制动器和隔振器等，因而显示了广阔的应用前景。

Winslow于1947年首先报道了电流变现象，随后一系列含水电流变材料被研制出来，由于含水电流变材料工作温度范围狭窄，漏电流密度高，对器件容易造成腐蚀，所以实际上未被应用。1985年，Block率先开发出了稠环芳烃类无水电流变材料，导致电流变液的工作温区大幅度提高，电流变材料的应用前景开始明朗化。其后一系列性能较好的无水电流变材料如沸石、聚合物半导体、复合钛酸锶等相继合成成功，对推动电流变技术的应用产生了积极而深远的影响。

目前，无水电流变液体的分散相有无机化合物、聚合物半导体、多层包覆材料及有机无机复合材料。其中聚合物半导体在高电场下漏电流较大，制备工艺复杂，毒性大，工业化生产困难。多层包覆材料虽然可以获得综合性能优良的电流变液体，但同样工艺复杂，成本高，厚度及均匀性不易控制，性能重现性差。相比而言，以金属氧化物和金属盐类为分散相的无机电流变材料，由于漏电流密度小，力学性能稳定，显示出了广阔的应用前景。但从无机电流变材料的综合性能来看，仍存在着力学性能偏低，抗沉降稳定性差，温度范围窄的缺点，尚不能满足工程应用的需要。

发明的目的

本发明的目的之一是提供一种能克服现有无机电流变材料存在的缺点和不足，其结构稳定，漏电流密度小，沉降稳定性好，力学性能高的无水电流变液体；本发明的目的之二是提供制备所述无水电流变液体的方法，涉及采用胶体化学方法及对二氧化钛掺杂改性方法，能使电流变液的化学组分和力学性能易于控制，提高成品率。

为实现本发明的目的之一而采用的技术方案是这样的，即一种无水电流变液体，包括固体分散相、液体介质及添加剂，其特征是：固体分散相采用钇掺杂二氧化钛粉体颗粒材料，粒径为50-500nm，其中钇掺杂量按摩尔比Y/Ti＝0.02～0.15计算；液体介质采用硅油或矿物油；在电流变液体中，颗粒材料所占的体积百分比为15％～35％；添加剂采用有机羧酸或脂肪酸多元醇脂，按固体颗粒材料重量百分比的3～5％加入到电流变液体。

为实现本发明的目的之二而采用的技术方案是这样的，即一种制备上述电流变液的工艺，包括以下的步骤：

1、采用溶胶-凝胶方法，制备作为固体分散相的纳米粉体材料：

采用钛酸正丁脂(Ti(O-Bu)₄)，水合硝酸钇(Y(NO₃)₃·6H₂O)和去离子水为反应原料；无水乙醇(Et(OH))为有机溶剂；硝酸(HNO₃(68％))为PH调节剂；

各反应物按以下摩尔比配料：(Ti(O-Bu)₄)∶Et(OH)∶H₂O∶Y(NO₃)₃·6H₂O∶HNO₃＝1∶12～16∶1～2∶0～0.15∶0.05～0.1。

将(Ti(O-Bu)₄)溶入半量无水乙醇中组成第一组分，将Y(NO₃)₃·6H₂O、H₂O和HNO₃溶入另半量无水乙醇中组成第二组分；在室温搅拌条件下，将第二组分滴加到第一组分中，控制溶液PH值为3～5，搅拌结束后得到透明溶液；将透明溶液在空气中静置4～24小时，得到湿凝胶；将上述湿凝胶在76℃真空干燥8小时，获得疏松干凝胶；将干凝胶球磨后，转入电阻炉中，按照200℃(2h)+400℃(2h)+600℃(2h)热处理6小时，得到白色的纳米粉体材料；

2、制备无水电流变液体

(1)将制备的上述纳米粉体材料作为固体分散相按体积比15％～35％与液体介质均匀混合，得到不含添加剂的无水电流变液体，其中液体介质为硅油或矿物油，体积比ρ按以下公式计算：

ρ = \frac{V_{p}}{V_{f} + V_{p}}

其中V_p是粉体颗粒材料的体积，V_f是液体介质的体积；

(2)按上述固体分散相重量百分比的3～5％向电流变液中添加有机羧酸或脂肪酸多元醇脂，得到含添加剂的无水电流变液体。

本发明的优点是：

在电场强度3kV/mm，体积比22％的条件下，剪切应力达6kPa以上。零场粘度小，流动性能好。抗沉降稳定性好。颗粒大小分布均匀。制备方法简单，化学组分及性能易于控制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明：

图1粉体颗粒的扫描电镜照片；

图2无水电流变液(体积比22％)的剪切应力与电场强度的关系曲线；

图3无水电流变液的漏电流密度与电场强度的关系曲线；

图4无水电流变液体的剪切应力与电场强度的关系曲线；

图5无水电流变液抗沉降性能；

图6无水电流变液(含添加剂)的剪切应力与电场强度的关系曲线。

从图2可以看出：随着掺杂量(摩尔比)的增加，电流变液的剪切应力显著增大，这主要与掺杂引起的结构缺陷和介电性质的变化有关，合适的摩尔比可以获得很高的剪切应力。过大的摩尔比会导致剪切应力的下降。说明通过掺杂，使颗粒材料获得合适介电性质，是制备高剪切应力电流变液体的关键。

从图4可以看出：增加固体颗粒材料的体积比，由于电场下可极化粒子的数量增加，也使电流变液体的剪切应力显著增大。

从图5可以看出：添加剂使电流变液体的抗沉降稳定性显著提高，且三油酸甘油脂的效果优于油酸。由于添加剂改变了固体颗粒与液体介质之间的界面性质，使固体颗粒的分散性和稳定性增强，电流变液体的抗沉降稳定性提高。从图6看到：加入添加剂，并没有使电流变液的剪切应力下降。

具体实施方式

实施例1：

将20ml钛酸正丁脂加入到25ml无水乙醇中，不断搅拌使之混合均匀成为第一组分；将一定量硝酸，1.75ml的去离子水，1.12g的Y(NO₃)₃·6H₂O溶入另半量25ml无水乙醇中，不断搅拌至硝酸钇完全溶解成为第二组分；在室温、搅拌条件下，采用滴定管将第二组分缓慢滴加到第一组分中，滴加完毕后，调整PH值＝3～5。继续搅拌20～30分钟，使反应物更加均匀。将反应得到的透明溶液在空气中静置数小时，使其胶凝。将凝胶放入真空干燥箱中干燥76℃/8h，获得疏松干凝胶。将干凝胶球磨(8h)后，放入坩埚，置于陶瓷纤维马弗炉中，按200℃(2h)+400℃(2h)+600℃(2h)的热处理工艺连续处理6h，得到白色钇掺杂二氧化钛纳米粉体材料。将粉体材料同硅油按体积比22％均匀混合，配成无水电流变液体。图1是粉体材料的扫描电镜照片。图2是电流变液的剪切应力与电场强度的关系。图3是电流变液的漏电流密度与电场强度的关系。

实施例2：

将20ml钛酸正丁脂加入到25ml无水乙醇中，不断搅拌使之混合均匀成为第一组分；将一定量硝酸，1.45ml的去离子水加入到另半量25ml无水乙醇中成为第二组分；在室温、搅拌条件下，采用滴定管将第二组分缓慢滴加到第一组分中，滴加完毕后，调整PH值＝3～5。继续搅拌20～30分钟，使反应物更加均匀。将反应得到的透明溶液在空气中静置数小时，使其胶凝。将凝胶放入真空干燥箱中干燥76℃/8h，获得疏松干凝胶。将干凝胶球磨(8h)后，放入坩埚，置于陶瓷纤维马弗炉中，按200℃(2h)+400℃(2h)+600℃(2h)的热处理工艺连续处理6h，得到纯的二氧化钛纳米粉体材料。将粉体材料同硅油按体积比22％均匀混合，配成无水电流变液体。图2是电流变液的剪切应力与电场强度的关系。

实施例3：

按实施例1的制备工艺过程，制备纳米粉体材料。将粉体材料同硅油按体积比15％均匀混合，配成无水电流变液体。该电流变液体的剪切应力与电场强度的关系如图4所示。

实施例4：

按实施例1的制备工艺过程，制备纳米粉体材料。将粉体材料同硅油按体积比35％均匀混合，配成无水电流变液体。该电流变液体的剪切应力与电场强度的关系如图4所示。

实施例5：

按实施例1的制备工艺过程，Y(NO₃)₃·6H₂O的加入量改为0.45g，去离子水改为1.95ml，制备纳米粉体材料。将粉体材料与硅油按体积比22％均匀混合，配制成无水电流变液体。该电流变液体的剪切应力与电场强度的关系如图2所示。

实施例6：

按实施例1的制备工艺过程，Y(NO₃)₃·6H₂O的加入量改为3.78g，去离子水改为1.03ml，制备纳米粉体材料。将粉体材料与硅油按体积比22％均匀混合，配制成无水电流变液体。该电流变液体的剪切应力与电场强度的关系如图2所示。

实施例7：

按实施例1的制备工艺过程，制备纳米粉体材料。将粉体材料与硅油按体积比22％均匀混合，得到不含添加剂的电流变液。按粉体材料重量的3％，向电流变液中加入油酸，搅拌均匀，配制成含有添加剂油酸的无水电流变液。该电流变液的抗沉降稳定性如图5所示，剪切应力与电场强度的关系如图6所示。

实施例8：

按实施例1的制备工艺过程，制备纳米粉体材料。将粉体材料与硅油按体积比22％均匀混合，得到不含添加剂的电流变液。按粉体材料重量的3％，向电流变液中加入三油酸甘油脂，搅拌均匀，配制成含有添加剂三油酸甘油脂的无水电流变液体。该电流变液的抗沉降稳定性如图5所示。

Claims

1.一种无水电流变液体，其特征是：采用如下工艺步骤制备：

①采用钛酸正丁酯Ti(O-Bu)₄，水合硝酸钇Y(NO₃)₃·6H₂O和去离子水为反应原料；无水乙醇Et(OH)为有机溶剂；以重量含量为68％的硝酸HNO₃为pH调节剂；

②各反应物按以下摩尔比配料：Ti(O-Bu)₄∶Et(OH)∶H₂O∶Y(NO₃)₃·6H₂O∶HNO₃＝1∶12～16∶1～2∶0.02～0.15∶0.05～0.1；

③将Ti(O-Bu)₄溶入半量无水乙醇中组成第一组分，将Y(NO₃)₃·6H₂O、H₂O和HNO₃溶入另半量无水乙醇中组成第二组分；在室温搅拌条件下，将第二组分滴加到第一组分中，控制溶液pH值为3～5，搅拌结束后得到透明溶液；将透明溶液在空气中静置4～24小时，得到湿凝胶；

④将上述湿凝胶在76℃真空干燥8小时，获得疏松干凝胶；将干凝胶球磨后，转入电阻炉中，热处理6小时，其中按照200℃处理2小时、400℃处理2小时、600℃处理2小时，得到粒径为50-500nm的白色的钇掺杂二氧化钛纳米粉体材料；

⑤将制备的上述纳米粉体材料作为固体分散相按体积比15％～35％与液体介质均匀混合，得到不含添加剂的无水电流变液体，其中液体介质为硅油或矿物油，体积比按以下公式计算：

ρ = \frac{V_{p}}{V_{f} + V_{p}}

其中V_p是纳米粉体颗粒的总体积，V_f是液体介质的体积；

⑥按上述固体分散相重量百分比的3～5％向电流变液中添加有机羧酸或脂肪酸多元醇酯，即得。