CN101469286B - 一种聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液 - Google Patents

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本发明涉及一种电流变液，特别涉及一种聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液。其特征在于该电流变液分散相为纳米管状的、并插层有聚苯胺的氧化钛介电颗粒，连续相基液为甲基硅油。该聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液保持了和纯氧化钛纳米管电流变液一样好的悬浮稳定性，但具有比纯氧化钛纳米管电流变液更好的电流变效应和温度效应。

Description

一种聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液 
技术领域  本发明涉及一种电流变液，特别涉及一种聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液。 
背景技术  电流变液通常由高介电常数的颗粒分散在绝缘油中组成。受到电场作用时电流变液自身粘度可发生突变，当电场强度大于某一值时电流变液可由液态转变为固态，从而具有较强的抗剪切能力。特别是电流变液的这些变化可受外场大小调制，具有响应快可逆等特点。因此电流变液在许多工业领域具有广泛的应用前景，如减震器、阻尼器、机器人控制、力矩传递装置等。八十年代后期无水电流变液研制成功，如英国专利1501635、2100740A、2170510B等所报道的聚苯胺及改性聚苯胺等电流变液；美国专利4,879,056所报道的硅铝酸盐类电流变液；日本专利63-97694、7-90287等所报道的含碳类电流变液，中国专利99115944.6所报道的稀土掺杂改性的二氧化钛电流变液等。这些材料所配制的电流变液较好地克服了含水电流变液温度稳定性差的缺点。 
然而，目前阻碍电流变技术应用的一些关键问题如屈服强度过低、抗沉降能力差等仍未被很好克服。研究者曾应用纳米颗粒作为电流变液的分散相发现可很好的改善抗沉降能力差的缺点，然而纳米颗粒电流变液的力学值较传统的微米颗粒电流变液在理论和实验上均较小。最近，研究者进一步开发了极性分子修饰的纳米电流变液，发现有强的电流变效应，然而极性分子修饰的纳米颗粒电流变液必须在颗粒浓度很高的条件下才会表现出强电流变效应，而高浓度往往导致高的零场黏度和差的剪切稳定性；此外，由于外在的分子修饰，它的温度稳定性仍值得怀疑。 
发明内容  本发明提供了一种具有悬浮稳定性好、电流变效应和热稳定性均较好的聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液，其特征在于该电流变液分散相为纳米管状的、并插层有聚苯胺的氧化钛介电颗粒，连续相基液为甲基硅油。其中分散相以高介电常数的氧化钛多层纳米管为基体，层间插层有导电聚苯胺分子以提高颗粒的电导性能，从而提高颗粒的极化响应和极化能力，使该纳米电流变液具备强电流变效应；由于导电聚苯胺分子插层在热稳定的氧化钛多层中，该纳米管电流变液还表现出了好的温度稳定性；此外，由于材料具备了一维纳米结构，导致该材料具备良好的悬浮稳定性。 
附图说明
图1材料的投射电镜照片 
图2材料的x射线衍射图谱 
图3电流变液的剪切应力与剪切速率的关系(23℃) 
图4电流变液的屈服应力与电场强度关系(23℃) 
图5电流变液的电流变效率与温度变化关系 
图6电流变液的沉降率与时间变化关系(25℃) 
具体实施方式
本发明具体实施如下： 
1)首先配制300毫升10摩尔/升的氢氧化钠溶液，投入到500毫升的聚四氟乙烯杯中，接着称取3克粒径为30nm的二氧化钛粉末加入到该氢氧化钠溶液中，混合物在磁力搅拌器上搅拌2小时，而后将聚四氟乙烯杯密封投入到125℃烘箱中反应72小时，即得到钛酸钠纳米管；抽滤并水洗该钛酸钠纳米管直到滤液的pH值等于7，获得除去残留在钛酸钠纳米管表面的氢氧化钠；用200毫升pH值等于2的盐酸浸泡该钛酸钠纳米管，即获得除去层间钠离子的酸化的氧化钛纳米管； 
2)取5毫升苯胺分散在由50毫升无水乙醇和50毫升去离子水组成的100毫升混合溶液中，超声溶解苯胺获得透明的苯胺溶液；取3克由步骤1)制取的酸化的氧化钛纳米管加入到该苯胺溶液中，超声1分钟使之分散均匀，经过室温搅拌48小时获得悬浮液，此过程已通过酸碱反应实现苯胺在钛酸纳米管中的插层；将悬浮液过滤、水洗三次除去表面吸附苯胺，即获得苯胺插层的氧化钛纳米管； 
3)将苯胺插层的氧化钛纳米管加到50毫升去离子水中，超声3分钟使之分散均匀，然后将50毫升溶有5克过硫酸铵的水溶液加入到该分散液中，室温搅拌24小时，得到蓝绿色悬浮液；蓝绿色悬浮液经抽滤、水洗三次，150℃下真空干燥12小时后得到淡绿色的聚苯胺插层的氧化钛纳米管粉体；将该粉体与经150℃/2小时烘制过的黏度为50mPas甲基硅油混合，混合物经研磨并超声5小时，即获得均匀分散的聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液。在直流电场下，用HAAKE RS600电流变仪测量其流变学性能。 
为实现对比，用步骤1)可制备出未插入聚苯胺的纯氧化钛纳米管对比样，如实施例一。 
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：(未插入聚苯胺的纯氧化钛纳米管对比样) 
首先配制300毫升10摩尔/升的氢氧化钠溶液，投入到500毫升的聚四氟乙烯杯中，接着称取3克粒径为30nm的二氧化钛粉末加入到该氢氧化钠溶液中，混合物在磁力搅拌器上搅拌2小时，而后将聚四氟乙烯杯密封投入到125℃烘箱中反应72小时，即得到钛酸钠纳米管；抽滤并水洗该钛酸钠纳米管直到滤液的pH值等于7，获得除去残留在钛酸钠纳米管表面的氢氧化钠；用200毫升pH值等于2的盐酸浸泡该钛酸钠纳米管，即获得去取层间钠离子的酸化的氧化钛纳米管，它的投射电镜如图1(a)所示，x射线衍射图谱如图2(a)所示。称取2克该纳米管粉体在150℃下真空脱水12小时后与经150℃/2小时烘制过的黏度为50mPas甲基硅油按颗粒体积分数7％混合，混合物经研磨并超声5小时，获得均匀分散的纯氧化钛纳米管电流变液。在直流电场下，用HAAKE RS600电流变仪测量其流变学性能，其剪切应力与剪切速率的关系如附图3(a)所示，屈服应力与电场强度关系如图4(a)所示。 
实施例二： 
首先配制300毫升10摩尔/升的氢氧化钠溶液，投入到500毫升的聚四氟乙烯杯中，接着称取3克粒径为30nm的二氧化钛粉末加入到该氢氧化钠溶液中，混合物在磁力搅拌器上搅拌2小时，而后将聚四氟乙烯杯密封投入到125℃烘箱中反应72小时，即得到钛酸钠纳米管；抽滤并水洗该钛酸钠纳米管直到滤液的pH值等于7，获得除去残留在钛酸钠纳米管表面的氢氧化钠；用200毫升pH值等于2的盐酸浸泡该钛酸钠纳米管，即获得除去层间钠离子的酸化的氧化钛纳米管；取5毫升苯胺分散在由50毫升无水乙醇和50毫升去离子水组成的100毫升混合溶液中，超声溶解苯胺获得透明的苯胺溶液；取3克由步骤1)制取的酸化的氧化钛纳米管加入到该苯胺溶液中，超声1分钟使之分散均匀，经过室温搅拌48小时获得悬浮液，此过程已通过酸碱反应实现苯胺在钛酸纳米管中的插层；将悬浮液过滤、水洗三次除去表面吸附苯胺，即获得苯胺插层的氧化钛纳米管；将苯胺插层的氧化钛纳米管加到50毫升去离子水中，超声3分钟使之分散均匀，然后将50毫升溶有5克过硫酸铵的水溶液加入到该分散液中，室温搅拌24小时，得到蓝绿色悬浮液；蓝绿色悬浮液经抽滤、水洗三次，150℃下真空 干燥12小时后得到淡绿色的聚苯胺插层的氧化钛纳米管粉体，它的投射电镜如图1(b)所示，可见聚苯胺插层的氧化钛纳米管的直径约为10nm，长度为100-200nm。经聚苯胺插层后纳米管形状未被破坏，同时纳米管表面没有发现独立的聚苯胺颗粒或包覆层，说明聚苯胺可能进入到纳米管的多层间隙中。它的x射线衍射图谱如图2(b)所示，可见表征纳米管的多层间隙的小角度衍射峰进一步向低角度方向移动，表明聚苯胺确实进入了纳米管的多层间隙。通过热重分析聚苯胺在插层的氧化钛纳米管中的重量含量为6.5％。称取2克该纳米管粉体在150℃下真空干燥12小时后与经150℃/2小时烘制过的黏度为50mPas甲基硅油按颗粒体积分数7％混合，混合物经研磨并超声5小时，获得均匀分散的聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液。在直流电场下，用HAAKE RS600电流变仪测量其流变学性能，其剪切应力与剪切速率的关系如附图3(b)所示，屈服应力与电场强度关系如图4(b)所示，可见聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液具有比纯氧化钛纳米管电流变液更强的电流变效应。 
实施例三： 
分别选取23℃、50℃、75℃、95℃四个温度点分别测量由实施例一和实施例二所得到的电流变液在直流电场下的剪切应力与剪切速率关系，调查温度效应。图5为在3kV/mm电场、300s-1剪切速率下的电流变效率(电流变效率定义为在一定剪切速率下，加电场后电流变液的剪切应力与零电场下的剪切应力之比，为减小误差，通常剪切速率取值应大于100s-1)与温度变化关系。可见聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液具有好的温度稳定性。 
实施例四： 
取5毫升上述由实施例一制得的纯氧化钛纳米管电流变液和实施例二制得的聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液放入量筒中，静置并用直接观察法测量两种电流变液的悬浮稳定性如图6所示，其中纵坐标越小代表沉降越大，可见纯氧化钛纳米管电流变液具有好的悬浮稳定性，而插层聚苯胺后氧化钛纳米管电流变液的悬浮稳定性基本没有变化。 

Claims (2)

1.一种聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液，其分散相为纳米管状的、并插层有聚苯胺的氧化钛介电颗粒，连续相基液为甲基硅油；其特征在于分散相导电聚苯胺插层的氧化钛纳米管的直径为10nm，长度为100-200nm，聚苯胺的插层重量含量为6.5％。
2.如权利要求1所述一种聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液，其特征在于该聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液是由以下步骤制备的：
1)首先配制300毫升10摩尔/升的氢氧化钠溶液，投入到500毫升的聚四氟乙烯杯中，接着称取3克粒径为30nm的二氧化钛粉末加入到该氢氧化钠溶液中，混合物在磁力搅拌器上搅拌2小时，而后将聚四氟乙烯杯密封投入到125℃烘箱中反应72小时，即得到钛酸钠纳米管；抽滤并水洗该钛酸钠纳米管直到滤液的pH值等于7，获得除去残留在钛酸钠纳米管表面的氢氧化钠；用200毫升pH值等于2的盐酸浸泡该钛酸钠纳米管，即获除去层间钠离子的酸化的氧化钛纳米管；
2)取5毫升苯胺分散在由50毫升无水乙醇和50毫升去离子水组成的100毫升混合溶液中，超声溶解苯胺获得透明的苯胺溶液；取3克由步骤1)制取的酸化的氧化钛纳米管加入到该苯胺溶液中，超声1分钟使之分散均匀，经过室温搅拌48小时获得悬浮液，此过程已通过酸碱反应实现苯胺在钛酸纳米管中的插层；将悬浮液过滤、水洗三次除去表面吸附苯胺，即获得苯胺插层的氧化钛纳米管；
3)将苯胺插层的氧化钛纳米管加到50毫升去离子水中，超声3分钟使之分散均匀，然后将50毫升溶有5克过硫酸铵的水溶液加入到该分散液中，室温搅拌24小时，得到蓝绿色悬浮液；蓝绿色悬浮液经抽滤、水洗三次，150℃下真空干燥12小时后得到淡绿色的聚苯胺插层的氧化钛纳米管粉体；将该粉体与经150℃/2小时烘制过的黏度为50mPas甲基硅油混合，混合物经研磨并超声5小时，即获得均匀分散的聚苯胺插层的氧化钛纳米管电流变液。 
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