CN100396760C - 插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电流变液材料，特别涉及一种插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液，该电流变液材料的分散相为以甲酰胺插层高岭土微米颗粒为核，铬离子改性氧化钛纳米颗粒为包覆层的微米/纳米核壳结构颗粒，这种颗粒有利于提高电流变液材料的τE/η0值、电场激励下的力学值，提高电流变液的抗沉淀性能，降低电流变液的制备成本，制备过程简单对设备无特殊要求，同时兼有微米和纳米颗粒的双重优点，显示出较好的协同作用。附图中显示了不同结构的分散相颗粒电流变液剪切应力与电场强度的关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流变液材料，特别涉及一种插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液。
背景技术
电流变液(Electrorheological Fluids简称ERF)是一种重要的智能材料，它具有受控变化的品质，其屈服应力、弹性模量随外加电场的变化而变化。电流变液在很多领域如：减震器、离合器、阻尼器、驱动器、无级调速等装置中具有广泛的潜在的应用价值。在电流变器件的设计中，通常使用在某剪切速率下的场致剪切应力和电流变液零电场粘度的比值τE/η0来衡量电流变液的性能好坏和确定电流变器件的力调控范围(τE为电流变液的剪切屈服应力，η0为电流变液的零电场粘度)。另外也希望足够大，从而可以减小电流变器件的体积，使之可以很方便地替换原有机械执行部件，甚至可以比原有部件更小，以减小整机的体积。目前所报道的各种电流变液的τE/η0都比较小。因此研究具有高电流变效应的分散相材料成为电流变领域亟待解决的问题。近年来的相关研究集中在具有高电流变性能的分散相的制备方面，并且取得了一定的成果。微米颗粒电流变液的最大的应用阻碍来自于其较差的抗沉降性能；而纳米颗粒电流变液由于其较高的力学值和良好的抗沉降性能受到了越来越多的关注。因此，在微米结构上修饰的纳米结构能够得到一种微米/纳米包覆结构材料，可以同时兼有微米和纳米颗粒的双重优点，配制的电流变液的力学及剪切性能也比微米颗粒电流变液有了较大提高。
微米颗粒电流变液的应用阻碍来自于其较差的抗沉降性能；而纳米颗粒电流变液由于其较高的静态力学值和良好的抗沉降性能受到了越来越多的关注。本发明的目的提供一种具有微纳结构的微米/纳米核壳结构材料，可以同时兼有微米和纳米颗粒的双重优点，配制的电流变液具有较高τE/η0值，优良的抗沉淀性能。性能比微米颗粒及纳米颗粒电流变液都有较大提高。且本制备方法选用我国储量丰富的高岭土作原料，成本低。制备过程采用插层法和水解法，制备过程简单，易操作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种插层高岭土/改性氧化钛纳米复合电流变液，该电流变液材料的分散相为以甲酰胺插层高岭土微米颗粒为核，铬离子改性氧化钛纳米颗粒为包覆层的微米/纳米核壳结构颗粒，这种颗粒有利于提高电流变液材料的τE/η0值、电场激励下的力学值，提高电流变液的抗沉淀性能，降低电流变液的制备成本，制备过程简单对设备无特殊要求，同时兼有微米和纳米颗粒的双重优点，显示出较好的协同作用。特殊要求，同时兼有微米和纳米颗粒的双重优点，显示出较好的协同作用。
为解决上述问题本发明提出了以高介电常数的甲酰胺对高岭土插层改性，再选用本身就具有较好电流变效应的铬离子改性氧化钛纳米颗粒做包覆层，从而制得了具有超强电流变效应的插层高岭土/改性氧化钛电流变液。
本发明方法的制备步骤如下：
1.量取10ml～70ml甲酰胺、30ml去离子水到100ml烧杯中，加入1.3～1.7g高岭土，磁力搅拌48小时～60小时，离心分离并用去离子水冲洗1～2次得甲酰胺插层高岭土；
2.将插层好的的高岭土分散在200ml去离子水中并加4g十二烷基苯磺酸钠搅拌3小时，得到分散均匀的插层高岭土水溶液；
3.将5ml钛酸丁酯、50ml无水乙醇、1ml冰醋酸、0.6g硝酸铬按次序加入到100ml烧杯中，搅拌1小时得到透明含铬的钛酸丁酯醇溶液；
4.将(3)中含铬的钛酸丁酯醇溶液缓慢滴加入(2)中的分散均匀的插层高岭土水溶液中，滴加完后继续反应10小时～14小时，使生成的改性氧化钛纳米颗粒充分沉积在插层高岭土微米颗粒上，真空抽滤得疏松绿色滤饼；
5.将滤饼在60℃～90℃下干燥3～5小时，在研钵中磨成粉状后再在60℃～80℃下干燥2小时～4小时，经充分研磨后即可得插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒；
6.将所制得的纳米复合颗粒与甲基硅油按2g/1ml、1.6g/4.5ml混合均匀，配成两种不同浓度的插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液。
该电流变液原料来源丰富易得，成本低，制备方法简单易操作，制得的分散相材料结构独特为微纳结构的微米/纳米核壳型颗粒：即用高介电常数的甲酰胺插层改性高岭土颗粒为核，铬离子改性纳米氧化钛为包覆层。由这种分散相配成的电流变液材料的介电性能有很大的提高，具有一些优异的特性，如：极强的电流变效应尤其是动态剪切应力、很高的τE/η0，较好的抗沉淀稳定性、宽的工作温区、电流密度低、化学稳定性好。
附图说明
图1插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液、甲酰胺插层高岭土/氧化钛纳米复合颗粒电流变液、高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液、改性氧化钛纳米电流变液、纯高岭土电流变液电流变液的剪切应力与电场强度的关系。
图2插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液的剪切应力与剪切速率的关系。
具体实施例
所用化学原料除高岭土、钛酸丁酯为化学纯外，其余全为分析纯，去离子水为实验室自制。
下面结合实施例及附图说明对本发明作进一步详细说明：
实施例一：(插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液)
量取10ml～70ml甲酰胺、30ml去离子水到100ml烧杯中，加入1.5g高岭土，磁力搅拌48小时～60小时，离心分离并将产物用去离子水冲洗1～2次得甲酰胺插层高岭土。将插层后的高岭土分散在200ml去离子水中并加4g十二烷基苯磺酸钠搅拌5小时。另将5ml钛酸丁酯、50ml无水乙醇、1ml冰醋酸、0.6g硝酸铬依次加入到100ml烧杯中搅拌3小时后缓慢滴入到上述200ml水溶液中，滴加完后继续反应10小时～14小时，真空抽滤得疏松绿色滤饼。将滤饼在60℃～90℃下干燥3小时～5小时，在研钵中磨成粉状后再在60℃～80℃下干燥2～4小时，经充分研磨后即可得插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒。将所制得的纳米复合颗粒与甲基硅油按2g/1ml混合均匀，配成电流变液的剪切应力与电场强度的关系如图1所示。将所制得的纳米复合颗粒与甲基硅油按1.6g/4.5ml混合均匀，配成电流变液的剪切应力与剪切速率的关系如附图2。
实施例二：(甲酰胺插层高岭土/氧化钛纳米复合颗粒电流变液)
量取10ml～70ml甲酰胺、30ml去离子水到100ml烧杯中，加入1.5g高岭土，磁力搅拌48小时～60小时，离心分离并将产物用去离子水冲洗1～2次得甲酰胺插层高岭土。将插层后的高岭土分散在200ml去离子水中并加4g十二烷基苯磺酸钠搅拌5小时。另将5ml钛酸丁酯、50ml无水乙醇、1ml冰醋酸依次加入到100ml烧杯中搅拌3小时后缓慢滴入到上述200ml水溶液中，滴加完后继续反应10小时～14小时，真空抽滤得疏松滤饼。将滤饼在60℃～90℃下干燥3～5小时，在研钵中磨成粉状后再在60℃～80℃下干燥2小时～4小时，经充分研磨后可得甲酰胺插层高岭土/氧化钛纳米复合颗粒。将所制得的纳米复合颗粒与甲基硅油按2g/1ml混合均匀，配成电流变液的剪切应力与电场强度的关系如图1所示。
实施例三：(高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液)
将1.5g高岭土分散在200ml去离子水中并加4g十二烷基苯磺酸钠搅拌5小时。另将5ml钛酸丁酯、50ml无水乙醇、1ml冰醋酸、0.6g硝酸铬依次加入到100ml烧杯中搅拌3小时后缓慢滴入到上述200ml水溶液中，滴加完后继续反应10小时～14小时，真空抽滤得疏松绿色滤饼。将滤饼在60℃～90℃下干燥3小时～5小时，在研钵中磨成粉状后再在60℃～80℃下干燥2～4小时，经充分研磨后即可得高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒。将所制得的纳米复合颗粒与甲基硅油按2g/1ml混合均匀，所配电流变液的剪切应力与电场强度的关系如图1所示。
实施例四：(改性氧化钛纳米电流变液)
将10ml钛酸四丁酯、1ml冰醋酸、1.2g硝酸铬加入到100ml乙醇中，搅拌3小时，配成醇相溶液；同时将7.5g十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、4g丙烯酰胺加入到400ml去离子水中，搅拌3小时，配成水相溶液；然后在强力搅拌的情况下把醇相溶液缓慢滴入水相溶液中，滴完后继续搅拌6小时，真空抽滤后将滤饼在80℃下抽真空干燥9小时，取出经仔细研磨得光滑的铬离子改性氧化钛纳米颗粒。将所制得的纳米复合颗粒与甲基硅油按2g/1ml混合均匀，配成电流变液的剪切应力与电场强度的关系如图1所示。
实施例五：(纯高岭土电流变液)
将在120℃下干燥2小时后的高岭土与甲基硅油按2g/1ml混合均匀，配成纯高岭土电流变液，测量其剪切应力与剪切速率的关系如图1所示。
Claims (4)
1.一种插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液材料，其特征在于该材料的分散相是一种微米/纳米核壳型颗粒：其核为甲酰胺插层高岭土复合物，壳为铬离子改性氧化钛纳米颗粒，连续相为二甲基硅油，分散相的含量范围为1.6g/4.5ml～2g/1ml。
2.根据权利要求1所述插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液材料，其特征在于甲酰胺插层高岭土复合物的制备条件如下：将1.3g～1.7g粒径为500nm～3μm的层状结构高岭土分散在60ml～100ml浓度为25％～70％的甲酰胺去离子水溶液中进行插层反应。
3.根据权利要求1所述插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液材料，其特征在于壳层铬离子改性氧化钛纳米颗粒中Cr/Ti摩尔比为0.08～0.11。
4.根据权利要求1所述插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液材料，其特征在于制备工艺包括以下步骤：
(1)量取10ml～70ml甲酰胺、30ml去离子水到100ml烧杯中，加入1.5g高岭土，磁力搅拌48小时～60小时，离心分离并用去离子水冲洗1～2次得甲酰胺插层高岭土；
(2)将插层好的的高岭土分散在200ml去离子水中并加4g十二烷基苯磺酸钠搅拌3小时，得到分散均匀的插层高岭土水溶液；
(3)将5ml钛酸丁酯、50ml无水乙醇、1ml冰醋酸、0.6g硝酸铬按次序加入到100ml烧杯中，搅拌1小时得到透明含铬的钛酸丁酯醇溶液；
(4)将(3)中含铬的钛酸丁酯醇溶液缓慢滴加入(2)中的分散均匀的插层高岭土水溶液中，滴加完后继续反应10小时～14小时，使生成的改性氧化钛纳米颗粒充分沉积在插层高岭土微米颗粒上，真空抽滤得疏松绿色滤饼；
(5)将滤饼在60℃～90℃下干燥3～5小时，在研钵中磨成粉状后再在60℃～80℃下干燥2小时～4小时，经充分研磨后即可得插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒；
(6)将所制得的纳米复合颗粒与甲基硅油按2g/1ml、1.6g/4.5ml混合均匀，配成两种不同浓度的插层高岭土/改性氧化钛纳米复合颗粒电流变液。
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