CN100448966C - 氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉核壳型纳米电流变材料 - Google Patents
氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉核壳型纳米电流变材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种电流变液材料，特别涉及一种氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉核壳型纳米电流变材料。与以往电流变液材料相比，本发明所制得电流变液分散相材料结构独特，为多层包覆型纳米复合颗粒，即纳米氧化钛颗粒为基体核，高介电常数的甲酰胺为中间包覆层，软质羧甲基淀粉为外层。这种结构的应用改善了材料的介电性能与电导特性，使该材料与甲基硅油所配成的电流变液具有一些优异的特性，如：极强的电流变效应、很好的抗沉淀稳定性、电流密度低、化学稳定性好。附图中显示了多层包覆的氧化钛基无机/有机纳米复合电流变液其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，特别涉及一种氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉核壳型纳米电流变材料。
背景技术
电流变液是一类智能型的软物质，它通常是由高介电常数、低电导率的固体颗粒分散于低介电常数的绝缘油中形成的悬浮体系。该体系在施加电场后可瞬间实现液固转变，体系的粘度、屈服应力等可发生数量级以上的转变。因而在机电转换领域如减震器、离合器、阻尼器、驱动器、无级调速装置等领域具有重要的应用价值。根据电流变液是否依靠水作激活剂，又可将电流变液划分为含水电流变液材料和无水电流变液材料。早期的研究工作主要集中在含水电流变液上，如淀粉、明胶等，然而此种电流变液只有在水存在的条件下才具有电流变效应。由于受水的影响，用该材料配制的电流变液性能不稳定，受温度影响大；而且能耗升高、抗击穿的能力差、易腐蚀器件等。随后研究者们又成功开发了无水电流变液材料，如半导体高聚物电流变液材料，无机氧化物电流变液材料及掺杂稀土元素的无机电流变液材料等，这些材料克服了含水电流变液材料的部分缺点，优点是具有较宽的工作温区，漏电流密度小，能耗小。但其分散相颗粒尺度大多为微米级，还存在着力学值不高、抗沉淀性较差、制备工艺复杂或成本高等问题，这些都阻碍了电流变液的广泛应用，因此开拓新的方法，找寻高性能的电流变液材料成为该领域的焦点。近年来纳米科学技术迅猛发展，纳米氧化钛因在力学、电学、介电、磁学、光学以及热学性能上具有很好的应用价值而被广泛研究，因此我们设计制备了多层包覆的氧化钛基无机/有机纳米复合电流变液材料。它具有极高的力学值、很低的电流密度，又有很好的抗沉淀性，而且制作方法简单易操作，是一种极具应用价值的电流变液。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能的氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉核壳型纳米电流变材料，其分散相为以纳米氧化钛为基体，高介电常数的甲酰胺为中间包覆层，羧甲基淀粉为最外层的纳米复合颗粒电流变液材料。该材料的制备方法采用直接水解法与溶液复合法相结合，首先利用直接水解法制备纳米氧化钛基体，再用溶液复合法包覆上甲酰胺、羧甲基淀粉，然后经冷冻干燥后再在真空干燥箱中干燥即得分散相纳米复合颗粒。由该材料与甲基硅油配成的电流变液即具有极高的力学值，很好的抗沉淀性，而且成本较低，反应过程易控制，无毒无害，对设备无特殊的要求。利用多层包覆的特殊核壳结构，充分发挥了无机/有机纳米复合材料的特长，产生了较佳的协同作用，是一种综合性能优良的新一代电流变液材料。
附图说明
图1氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉包覆型纳米复合颗粒、氧化钛/羧甲基淀粉包覆型纳米复合颗粒、纯氧化钛纳米颗粒、纯羧甲基淀粉四种电流变液剪切应力与电场强度下的关系
图2氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉包覆型纳米复合颗粒电流变液剪切应力与剪切速率的关系
具体实施方式
采用水解法与溶液复合法相结合的方法，所用的原料有化学纯的钛酸四丁酯，分析纯的无水乙醇，分析纯的十六烷基三甲基溴化铵，分析纯的冰醋酸，分析纯的甲酰胺，自制的羧甲基淀粉等。反应物的质量(克数)配比为：
钛酸四丁酯∶甲酰胺∶羧甲基淀粉＝8-12∶1.76-7.06∶3-6
先将一定量的钛酸四丁酯、冰醋酸及甲酰胺加入到一定量的无水乙醇中，搅拌混合均匀，配成A溶液；同时将一定量的十六烷基三甲基溴化铵和一定量羧甲基淀粉加入到一定量的去离子水中，搅拌使固体完全融解，配成澄清溶液B；然后在强力搅拌的情况下把A溶液缓慢的滴入B溶液中，滴加完后继续搅拌两天；用真空抽滤机抽干，滤饼先在冷冻干燥机里冷冻干燥一段时间，再把滤饼在一定温度下抽真空干燥若干小时，取出在研钵中研磨成粉状后再在干燥箱中于一定温度干燥若干小时。经仔细研磨可得疏松的白色氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉包覆型纳米复合颗粒粉末。将该样品与甲基硅油按一定的重量比配成电流变液。
本发明的实现过程和材料的性能由实施例和附图说明：
实施例一：(氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉包覆型纳米复合颗粒电流变液)
先将8ml-12ml的钛酸四丁酯、1ml冰醋酸及2ml-8ml甲酰胺(相当于1.76g-7.06g，因为甲酰胺密度为1.133g/ml)加入到100ml的无水乙醇中，搅拌3小时，配成A溶液；同时将6g的十六烷基三甲基溴化铵和3g-6g羧甲基淀粉加入到400ml的去离子水中，搅拌3小时，配成溶液B；然后在强力搅拌下把A溶液缓慢的滴入B溶液中，滴加完后继续搅拌两天；静置一天使颗粒沉淀后用真空抽滤机抽干；滤饼先在冷冻干燥机里于-50℃～-55℃下冷冻干燥10-14小时，再把滤饼在70℃下抽真空干燥4小时，取出在研钵中研磨成粉状后再在干燥箱中于70℃真空干燥3小时。把样品粉末分批加入1ml甲基硅油中，每次加粉后都要充分研磨使粉与油充分浸润，最后使氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉包覆复合颗粒与甲基硅油的重量比为2∶1，配成氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉包覆型复合颗粒电流变液。测量其剪切应力与电场强度、剪切速率的关系的分别如附图1、图2所示。
实施例二：(氧化钛/羧甲基淀粉包覆型电流变液)
先将8ml-12ml的钛酸四丁酯、1ml冰醋酸加入到100ml的无水乙醇中，搅拌3小时，配成A溶液；同时将6g的十六烷基三甲基溴化铵和3g-6g羧甲基淀粉加入到400ml的去离子水中，搅拌3小时，配成溶液B；然后在强力搅拌下把A溶液缓慢的滴入B溶液中，滴加完后继续搅拌两天；静置一天使颗粒沉淀后用真空抽滤机抽干；滤饼先在冷冻干燥机里于-50℃～-55℃下冷冻干燥10-14小时，再把滤饼在70℃下抽真空干燥4小时，取出在研钵中研磨成粉状后再在干燥箱中于70℃干燥3小时。把样品粉末分批加入1ml甲基硅油中，每次加粉后都要充分研磨使粉末与油充分浸润，最后使氧化钛/羧甲基淀粉包覆型复合颗粒与甲基硅油的重量比为2∶1，配成氧化钛/羧甲基淀粉包覆型复合颗粒电流变液。测量其剪切应力与电场强度的关系的分别如附图1所示。
实施例三：(纯氧化钛电流变液)
先将8ml-12ml的钛酸四丁酯、1ml冰醋酸加入到100ml的无水乙醇中，搅拌3小时，配成A溶液；同时将6g的十六烷基三甲基溴化铵加入到400ml的去离子水中，搅拌3小时，配成溶液B；然后在强力搅拌下把A溶液缓慢的滴入B溶液中，滴加完后继续搅拌两天；静置一天使颗粒沉淀后用真空抽滤机抽干；滤饼先在冷冻干燥机里于-50℃～-55℃下冷冻干燥10-14小时，再把滤饼在70℃下抽真空干燥4小时，取出在研钵中研磨成粉状后再在干燥箱中于70℃干燥3小时。把样品粉末分批加入1ml甲基硅油中，每次加粉后都要充分研磨使粉与油充分浸润，最后使氧化钛纳米颗粒与甲基硅油的重量比为2∶1，配成氧化钛纳米颗粒电流变液。测量其剪切应力与电场强度的关系的分别如附图1所示。
实施例四：(纯羧甲基淀粉电流变液)
在三颈烧瓶中加入20g淀粉和150ml无水乙醇，30℃下充分搅拌2h。加入25g的NaOH，加入量约为NaOH总用量的一半，对淀粉进行碱化处理。反应1h后，加入25gNaOH和70g氯乙酸混合物并升温至50℃，在此温度下反应5h进行羧甲基化处理。反应完毕后，抽滤，滤饼用无水乙醇洗涤多次，干燥粉碎即可得羧甲基淀粉。把样品粉末分批加入1ml甲基硅油中，每次加粉后都要充分研磨使粉与油充分浸润，最后使羧甲基淀粉颗粒与甲基硅油的重量比为2∶1，配成羧甲基淀粉电流变液。测量其剪切应力与电场强度的关系的分别如附图1所示。
Claims (3)
1.一种氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉核壳型纳米电流变材料，其特征在于分散相是经钛酸四丁酯直接水解法制备纳米氧化钛基体，再用溶液复合法包覆上甲酰胺、羧甲基淀粉，然后经冷冻干燥后再在真空干燥箱中干燥即得分散相纳米复合颗粒，反应物的质量配比为钛酸四丁酯∶甲酰胺∶羧甲基淀粉＝8-12∶1.76-7.06∶3-6，连续相为甲基硅油。
2.如权利要求1所述氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉核壳型纳米电流变材料，其特征在于冷冻干燥的温度在-50℃～-55℃之间，冷冻时间10-14小时。
3.如权利要求1所述氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉核壳型纳米电流变材料，其特征在于制备工艺包括以下步骤：
1)先将8ml-12ml的钛酸四丁酯、1ml冰醋酸及2ml-8ml甲酰胺加入到100ml的无水乙醇中，搅拌3小时，配成A溶液；同时将6g的十六烷基三甲基溴化铵和3g-6g羧甲基淀粉加入到400ml的去离子水中，搅拌3小时，配成溶液B；然后在强力搅拌下把A溶液缓慢的滴入B溶液中，滴加完后继续搅拌两天；静置一天使颗粒沉淀后用真空抽滤机抽干；
2)滤饼先在冷冻干燥机里于-50℃～-55℃下冷冻干燥10-14小时，再把滤饼在70℃下抽真空干燥4小时，取出在研钵中研磨成粉状后再在干燥箱中于70℃真空干燥3小时；
3)把样品粉末分批加入1ml甲基硅油中，每次加粉后都要充分研磨使粉与油充分浸润，最后使氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉包覆复合颗粒与甲基硅油的重量比为2∶1，配成氧化钛/甲酰胺/羧甲基淀粉包覆型复合颗粒电流变液。
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