CN101538502B - 一种具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液，其分散相为具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒，连续相基液为甲基硅油；其特征在于分散相铬离子掺杂二氧化钛的颗粒直径为1-2微米，表面生长有直径为10-20纳米的刺状结构，铬离子的摩尔掺杂量为5％。测试结果表明用具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液的电场诱导的剪切应力比光滑外形的铬离子掺杂二氧化钛电流变液提高1倍以上(如附图电流变液的场致剪切应力(剪切速率＝100s-1)与电场强度关系所示，其中曲线1为光滑外形的铬离子掺杂二氧化钛电流变液；曲线2为具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒电流变液)，同时具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒电流变液的剪切应力随剪切速率变化较光滑外形的铬离子掺杂二氧化钛电流变液更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流变液，特别涉及一种具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液。
背景技术
电流变液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而形成的悬浮体系。该体系在电场的作用下可在瞬间实现液—固相转变(称电流变效应)，且这种转变行为具有快速、可逆、可调控等优点，故在自动化、减振器、离合器、阻尼器、无级调速装置及光学与印刷设备上有重要的应用价值。
然而，目前阻碍电流变技术应用的主要问题之一便是电流变液的屈服强度过低。过去几十年人们曾经开发了许多种电流变材料，其中包括无机颗粒、有机颗粒、有机/无机复合颗粒等。在这些颗粒的研究中人们特别关注对颗粒晶体结构和化学结构等的研究，通过调节结构实现对颗粒电导率和介电性能的控制，从而来改善电流变性能。此外，根据理论分析，除了颗粒的固有结构及其物理化学性质对电流变性能有影响外，颗粒的外形也对颗粒间作用力产生影响，以前对于颗粒外形的研究主要集中在合成球形颗粒和棒状颗粒上，利用棒状颗粒作电流变液分散相被发现比用球形颗粒作分散相具有更强的电流变效应，然而目前对其他形貌颗粒的电流变性能研究甚少。由于高介电常数，二氧化钛被认为是一种重要的电流变材料，但是其电流变性能较弱无法满足应用要求，中国专利99115944.6曾经报道的离子掺杂改性的二氧化钛电流变液，这些材料显示出了比纯二氧化钛更强的电流变性能。但这些电流变液的屈服强度仍待提高已满足工业应用要求。
发明内容
本发明提供了一种用具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒作分散相的电流变液，其分散相为具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒，连续相基液为甲基硅油；其特征在于分散相铬离子掺杂二氧化钛的颗粒直径为1-2微米，表面生长有直径为10-20纳米的刺状结构，铬离子的摩尔掺杂量为5％；测试结果表明用微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液的电场诱导的剪切应力比具有光滑外形的铬离子掺杂二氧化钛电流变液提高近1倍，同时微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液的剪切应力随剪切速率变化较光滑外形的铬离子掺杂二氧化钛电流变液更加稳定。
附图说明
图1实施例一所得的具有光滑外形的铬离子掺杂二氧化钛颗粒的扫描电镜照片
图2实施例二所得的具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒的扫描电镜照片
图3由实施例所得的不同颗粒电流变液的剪切应力与剪切速率的关系对比图(电场强度＝3kV/mm，23℃)
图4由实施例所得的不同颗粒电流变液的场致剪切应力(剪切速率＝100s-1)与电场强度关系对比图(23℃)
图5由实施二所得的具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒电流变液的剪切模量在不同电场下与剪切频率的关系(23℃)
图6由实施例所得的不同颗粒浓度电流变液的场致剪切应力(剪切速率＝100s-1)与电场强度关系对比图(23℃)
具体实施方式
本发明所提供了的一种具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液是由以下实施方式得到的：
1)将1克氯化铬溶解在和13.5毫升3摩尔/升的四氯化钛水溶液中形成溶液一；
2)将13.5毫升钛酸正丁酯溶解在100毫升甲苯中形成溶液二；
3)在搅拌条件下，将溶液一快速倒入溶液二中，并进一步搅拌1小时获得沉淀；
4)将沉淀连同甲苯溶液全部移入高压釜中，放入150℃烘箱中反应48小时，产物经过滤、无水乙醇洗涤三次除掉未反应物，即得到黄色的具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒；
5)将颗粒在150℃下真空干燥8小时后与经150℃烘制2小时的黏度为50mPas甲基硅油混合，混合物经研磨获得均匀分散的用微纳米结构的颗粒作分散相的电流变液，在直流电场下，用HAAKE RS600电流变仪测量其流变学性能。
为进行对比，具有光滑外形的铬离子掺杂二氧化钛颗粒电流变液也被制备，见实施例一。
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：(对比样：具有光滑外形的铬离子掺杂二氧化钛颗粒电流变液)
将0.3克氯化铬、6.8毫升钛酸正丁酯和0.25克聚乙二醇400溶解在200毫升无水乙醇中形成溶液一；将1毫升水溶解在50毫升无水乙醇中形成溶液二；在60℃和搅拌条件下，将溶液一快速倒入溶液二中，并进一步搅拌，当溶液出现混浊；停止搅拌并进一步沉化24小时；沉淀经过滤、无水乙醇洗涤三次除掉未反应物，放入马弗炉中600℃下煅烧2小时，即得到黄色的具有光滑外形的铬离子掺杂二氧化钛颗粒；它的外形如附图1所示，可见颗粒外径为1-2微米，表面光滑；称取2克该颗粒在150℃下真空干燥8小时后与10毫升经150℃烘制2小时的黏度为50mPas甲基硅油混合，混合物经研磨获得均匀分散的具有光滑外形的铬离子掺杂二氧化钛颗粒电流变液。在直流电场下，用HAAKE RS600电流变仪测量其流变学性能，电流变液的剪切应力与剪切速率的关系如附图3中的曲线1所示，电流变液的场致剪切应力与电场强度的关系如附图4中的曲线1所示。
实施例二：
将1克氯化铬溶解在和13.5毫升3摩尔/升的四氯化钛水溶液中形成溶液一；将13.5毫升钛酸正丁酯溶解在100毫升甲苯中形成溶液二；在搅拌条件下，将溶液一快速倒入溶液二中，并进一步搅拌1小时获得沉淀；将沉淀连同甲苯溶液全部移入高压釜中，放入150℃烘箱中反应48小时，产物经过滤、无水乙醇洗涤三次除掉未反应物，即得到黄色的具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒；它的外形如图2所示，可见颗粒外径为1-2微米，颗粒表面生长有直径为10-20纳米的多刺结构；称取2克该颗粒在150℃下真空干燥8小时后与10毫升经150℃烘制2小时的黏度为50mPas甲基硅油混合，混合物经研磨获得均匀分散的具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液。在直流电场下，用HAAKE RS600电流变仪测量其流变学性能，电流变液的剪切应力与剪切速率的关系如附图3中的曲线2所示，电流变液的场致剪切应力与电场强度的关系如附图4中的曲线2所示。比较图3和图4中的曲线，可见用具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒作分散相的电流变液的场致剪切应力比用光滑外形的铬离子掺杂二氧化钛颗粒作分散相的的电流变液提高近1倍，同时用具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒作分散相的电流变液的剪切应力随剪切速率变化较用光滑外形的铬离子掺杂二氧化钛颗粒作分散相的的电流变液更加稳定。
实施例三：
称取2克由实施例二制备的具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒在150℃下真空干燥8小时后与10毫升经150℃烘制2小时的黏度为50mPas甲基硅油混合，混合物经研磨获得均匀分散的具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液。在直流电场下，用HAAKERS600电流变仪测量其剪切模量与电场的关系如附图5所示。
实施例四：
称取4克由实施例二制备的具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒在150℃下真空干燥8小时后与10毫升经150℃烘制2小时的黏度为50mPas甲基硅油混合，混合物经研磨获得均匀分散的具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液。在直流电场下，用HAAKERS600电流变仪测量其场致剪切应力与电场强度的关系如附图6中的曲线2所示。
实施例五：
称取6克由实施例二制备的具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒在150℃下真空干燥8小时后与10毫升经150℃/2小时烘制过的黏度为50mPas甲基硅油混合，混合物经研磨获得均匀分散的具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液。在直流电场下，用HAAKERS600电流变仪测量其场致剪切应力与电场强度的关系如附图6中的曲线3所示。
Claims (2)
1.一种具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液，其分散相为具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒，连续相基液为甲基硅油；其特征在于分散相具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛的颗粒直径为1-2微米，表面生长有直径为10-20纳米的刺状结构，铬离子的摩尔掺杂量为5％。
2.如权利要求1所述一种具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液，其特征在于该微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛电流变液由以下步骤制备：
1)将1克氯化铬溶解在和13.5毫升3摩尔/升的四氯化钛水溶液中形成溶液一；
2)将13.5毫升钛酸正丁酯溶解在100毫升甲苯中形成溶液二；
3)在搅拌条件下，将溶液一快速倒入溶液二中，并进一步搅拌1小时获得沉淀；
4)将沉淀连同甲苯溶液全部移入高压釜中，放入150℃烘箱中反应48小时，产物经过滤、无水乙醇洗涤三次除掉未反应物，即得到黄色的具有微纳米结构的铬离子掺杂二氧化钛颗粒；
5)将颗粒在150℃下真空干燥8小时后与经150℃烘制2小时的黏度为50mPas甲基硅油混合，混合物经研磨获得均匀分散的用微纳米结构的颗粒作分散相的电流变液。
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