CN108300555A - 巨电流变液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种巨电流变液及其制备方法，该巨电流变液包括：由尿素包被的金属盐纳米复合颗粒；分散剂，分散剂的分子包含亲水端和亲油端；和绝缘基液。其中，金属盐纳米复合颗粒悬浮于绝缘基液中，分散剂的分子吸附于金属盐纳米复合颗粒和绝缘基液构成的固液界面，且亲水端趋向于吸附在金属盐纳米复合颗粒表面，亲油端趋向于延伸至绝缘基液。通过添加两亲性分散剂，使得团聚颗粒的粒径显著减小，进而提高抗沉降性，有效阻止纳米颗粒的板结，从而提高巨电流变液的稳定性，并且有效改善巨电流变液的耐击穿性能。

Description

巨电流变液及其制备方法
技术领域
本发明涉及电流变液材料领域，具体涉及一种巨电流变液及其制备方法。
背景技术
电流变液(Electrorheological Fluids)简称ER液，是由低电导率高介电常数的微纳固体颗粒分散于低介电常数的绝缘液体中制备而成。通常状态下是悬浮液，在电场作用下可发生液固转变。具体而言，在施加1-5kV/mm的电场时，ER液表现出类似固体的性质，例如能够传递剪切应力；由类似液体的性质到类似固体的性质的转变时间约为1-10ms，并且这种状态转变在撤去电场时是可逆的。这种现象被称为ER效应。
巨电流变液是对固体颗粒经过改性后制得的具有强ER效应的新型智能材料。巨电流变液可以满足工业应用的需求，应用于阻尼器、减震器、离合器、液压制动器和控制阀等器件。现有的巨电流变液有如下缺陷：
(1)巨电流变液中固体颗粒的密度为2.3g/cm3以上，而绝缘基液的密度为0.7～1g/cm3，两者密度差异较大，久置后会发生沉降，固液分离以及固体颗粒的板结。严重阻碍了巨电流变液阻尼器、减震器、离合器、液压制动器和控制阀等中的应用。
(2)由于巨电流变液中的纳米固体颗粒尺寸较小，故具有较大的比表面积和表面能，易于发生团聚，形成较大的团聚颗粒，进一步加大了沉降速率。
(3)巨电流变液的再分散性差。由于纳米固体颗粒具有较大的比表面积和表面能，一旦发生团聚就很难再将团聚颗粒分散开来。因而，巨电流变液一旦发生团聚、沉降、板结后需要长时间的搅拌、振荡才可以将其再次分散。
(4)巨电流变液的电流密度过高，在高电场或是高温状态下极易发生击穿，影响巨电流变器件的正常运作，缩短巨电流变器件的使用寿命。同时，较高的电流密度意味更高的能耗。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种巨电流变液及其制备方法，旨在克服现有技术中的至少一点不足。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种巨电流变液，包括：
由尿素包被的金属盐纳米复合颗粒；
分散剂，所述分散剂的分子包含亲水端和亲油端；和
绝缘基液；
其中，所述金属盐纳米复合颗粒悬浮于所述绝缘基液中，所述分散剂的分子吸附于所述金属盐纳米复合颗粒和所述绝缘基液构成的固液界面，且所述亲水端趋向于吸附在所述金属盐纳米复合颗粒表面，所述亲油端趋向于延伸至所述绝缘基液。
进一步的，所述分散剂为有机硅聚醚和笼型聚倍半氧硅烷中的一种或两种的组合。
进一步的，所述分散剂占所述巨电流变液的质量分数为0.1-0.8％。
进一步的，所述分散剂占所述巨电流变液的质量分数为0.2-0.4％。
进一步的，单个所述金属盐纳米复合颗粒平均粒径范围为20nm-450nm；悬浮于所述绝缘基液中的所述金属盐纳米复合颗粒的团聚颗粒的平均粒径范围为500nm-1800nm。
进一步的，所述金属盐纳米复合颗粒占所述巨电流变液的质量分数为60～70％，所述金属盐纳米复合颗粒在所述巨电流变液中的分散密度为2×1011～3×1011个/cm3。
另一方面，本发明提供一种巨电流变液的制备方法，包括以下步骤：
将由尿素包被的金属盐纳米复合颗粒和绝缘基液进行混合，以获得初步分散的悬浮液；
向所述初步分散的悬浮液加入分散剂，所述分散剂的分子包含亲水端和亲油端；
对加入了分散剂的悬浮液进行混合，使得所述金属盐纳米复合颗粒悬浮于所述绝缘基液中，所述分散剂的分子吸附于所述金属盐纳米复合颗粒和所述绝缘基液构成的固液界面，且所述亲水端趋向于吸附在所述金属盐纳米复合颗粒表面，所述亲油端趋向于延伸至所述绝缘基液。
进一步的，所述分散剂为有机硅聚醚和笼型聚倍半氧硅烷中的一种或两种的组合。
进一步的，所述分散剂占所述巨电流变液的质量分数为0.1-0.8％。
进一步的，所述分散剂占所述巨电流变液的质量分数为0.2-0.4％。
进一步的，所述由尿素包被的金属盐纳米复合颗粒和绝缘基液通过球磨的方式进行混合，以获得所述初步分散的悬浮液；和对所述加入了分散剂的悬浮液进行球磨混合。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)通过在巨电流变液中添加具有两亲性的分散剂，在分子维度，分散剂分子吸附到尿素包被的金属盐纳米复合颗粒和绝缘基液的固液界面，产生空间位阻效应，使得纳米颗粒间不易发生团聚，增强纳米颗粒的分散性。
(2)通过添加两亲性分散剂，使得团聚颗粒的粒径显著减小，进而提高抗沉降性，有效阻止纳米颗粒的板结，从而提高巨电流变液的稳定性。
(3)通过添加适量的两亲性分散剂，显著降低电流变液工作时的电流密度，电流密度相对于未使用分散剂情况下的50％，降低50％的能耗，同时大大提升巨电流变液的耐击穿性能。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为根据本发明实施例的巨电流变液的各组分结构示意图；
图2(a)为通过纳米粒度仪测量的加入根据本发明实施例的两种分散剂后以及未添加分散剂的巨电流变液中团聚颗粒的平均粒径图；图2(b)为通过多重光散射仪测量的加入根据本发明实施例的两种分散剂后以及未添加分散剂的巨电流变液中团聚颗粒的平均粒径曲线图；
图3为加入根据本发明实施例的两种分散剂后以及未添加分散剂的巨电流变液的沉降率曲线图；
图4为电场为5kV/mm时根据本发明实施例的巨电流变液的电流密度随分散剂添加量增加的变化曲线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例提供一种巨电流变液。该巨电流变液包括：由尿素包被的金属盐纳米复合颗粒、分散剂以及绝缘基液。其中，金属盐纳米复合颗粒悬浮于绝缘基液中形成悬浮液。
图1为根据本发明实施例的巨电流变液的各组分结构示意图。如图1所示，尿素作为包被层包裹在金属纳米复合颗粒的表面。在本实施例中，金属盐纳米复合颗粒可以是钛氧基草酸钡、钛氧基草酸钙、二氧化钛等。通过尿素包被金属盐纳米复合颗粒，得到低电导率高介电常数的纳米颗粒，实验证明，由这样的复合颗粒制得的电流变液，当纳米颗粒占巨电流变液的质量分数为66.67％时，5kV/mm的电场下可获得80kPa以上的屈服强度。在本发明实施例中，尿素包被金属盐纳米复合颗粒选取BTRU(尿素包裹的钛氧基草酸钡颗粒)为例进行说明及进行各项实验测试。
在本发明实施例中，绝缘基液可以是矿物油、合成油、硅油、调和油、植物油、变压器油等绝缘液体中的一种或多种的组合。金属盐纳米复合颗粒占巨电流变液的质量分数为60～70％。
本发明实施例中的分散剂为高分子化合物，其分子包含亲水端和亲油端，如图1所示。分散剂的分子吸附于金属盐纳米复合颗粒和绝缘基液构成的固液界面。由于分散剂具有两亲性，其亲水端趋向于吸附在金属盐纳米复合颗粒表面，亲油端趋向于延伸至绝缘基液中。由于空间位阻效应作用，使得纳米颗粒间不易发生团聚，增强纳米颗粒的分散性。在本实施例中，尿素包被的金属盐纳米复合颗粒占巨电流变液的质量分数为66.67％。添加质量分数为0.4％的分散剂后，金属盐纳米复合颗粒在巨电流变液中的分散密度约为2.05×1011个/cm3。作为对比，未添加分散剂的情况下，金属盐纳米复合颗粒在巨电流变液中的分散密度约为1.24×1011个/cm3。由此可见，添加根据本发明实施例的两亲性分散剂，可显著增强纳米颗粒的分散性。
在本发明实施例中，分散剂可以为有机硅聚醚和笼型聚倍半氧硅烷POSS中的一种或两种的组合。为描述方便，以下将有机硅聚醚称为分散剂1，将笼型聚倍半氧硅烷称为分散剂2。
分散剂占巨电流变液的质量分数为0.1-0.8％；优选的，分散剂占巨电流变液的质量分数为0.2-0.4％。巨电流变液中团聚颗粒的粒径随着分散剂添加量的增加而减小。在本发明实施例中，当分散剂占巨电流变液的质量分数为0.2-0.4％时，悬浮于绝缘基液中的金属盐纳米复合颗粒的团聚颗粒的平均粒径范围为500nm-1800nm。图2示出通过两种表征方式测量出的加入分散剂1和分散剂2后团聚颗粒的平均粒径和不添加分散剂的团聚颗粒的平均颗粒的对比。
其中，图2(a)为通过纳米粒度仪测量的结果，图中4个数据点分别示出尿素包被的金属盐纳米复合颗粒、0.4％的分散剂1、0.4％的分散剂2以及未添加分散剂的团聚颗粒的平均粒径。可看出，添加分散剂1或分散剂2后，团聚颗粒的平均粒径明显小于未添加分散剂时的平均粒径。图2(a)右下角照片为BTRU颗粒的SEM图片，可知纳米颗粒的粒径范围为20nm～450nm，其中SEM图片所示的纳米颗粒的粒径约为150nm。
图2(b)为通过多重光散射仪(Turbiscan光学分析仪)测量的结果，图中5条曲线分别示出分散剂1和分散剂2的添加量为0.4％和0.8％(质量分数)时的团聚颗粒的平均粒径以及未添加分散剂的团聚颗粒的平均粒径。从图中可以看出：添加分散剂1或分散剂2后，团聚颗粒的平均粒径明显小于未添加分散剂时的平均粒径；不论是添加分散剂1抑或是分散剂2，团聚颗粒的平均粒径均随着分散剂添加量的增加而减小；分散剂1的分散效果较之于分散剂2更好。
在本实施例中，加入两亲性分散剂1或2之后，当金属盐纳米复合颗粒占巨电流变液的质量分数为60～70％，且分散剂占巨电流变液的质量分数为0.2-0.4％时，金属盐纳米复合颗粒在巨电流变液中的分散密度范围为2×1011～3×1011个/cm3。
随着巨电流变液中分散剂添加量的增加，团聚颗粒的平均粒径减小，抗沉降性能随着团聚颗粒尺寸的减小而提升。图3示出加入根据本发明实施例的两种分散剂(每种分散剂的不同添加量)后以及未添加分散剂的巨电流变液的沉降率。由图可知：添加分散剂1或分散剂2后，抗沉降率明显高于未添加分散剂的巨电流变液；不论是添加分散剂1抑或是分散剂2，抗沉降率随着分散剂添加量的增加而提升；分散剂1的抗沉降性能较之于分散剂2更好。
在本发明实施例中，通过添加两亲性分散剂，使得团聚颗粒的粒径显著减小，进而提高抗沉降性，有效阻止纳米颗粒的板结，从而提高巨电流变液的稳定性。
众所周知，巨电流变液由于在高电场及高温状态下工作极易发生击穿现象，故如何降低巨电流变液工作状态下的电流密度是业界长久研究的课题。根据本发明实施例的巨电流变液，分散剂的添加量可以作为调节巨电流变液的电流密度的手段。当少量添加分散剂时，电流密度随着分散剂添加量的增大而减小；当电流密度达到最小值后，电流密度随着分散剂添加量的增大而增大。图4即可体现这种趋势，图4为电场为5kV/mm时根据本发明实施例的巨电流变液的电流密度随分散剂添加量增加的变化曲线。由图中可以看出，对分散剂1和分散剂2而言，巨电流变液的电流密度均是随着分散剂添加量的增加先减小再增大，且电流密度均在0.3％的分散剂浓度下达到最小值，在此情况下，巨电流变液的电流密度相对于未使用分散剂情况下的50％，可降低50％的能耗，大大提升巨电流变液的耐击穿性能。而当分散剂浓度高于0.6％时，巨电流变液的电流密度有可能比未添加分散剂的电流密度还高。另外，从图4中可看出，分散剂1对于电流密度的整体改善效果优于分散剂2。
平衡考虑巨电流变液的抗沉降性和电流密度，优选的，分散剂占巨电流变液的质量分数为0.2-0.4％。当分散剂占巨电流变液的质量分数为0.4％时，巨电流变液的综合性能(综合考虑纳米颗粒的分散性、抗沉降性、电流密度)表现更优。
本发明另一方面提供一种如上所述的巨电流变液的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将由尿素包被的金属盐纳米复合颗粒和绝缘基液进行混合，以获得初步分散的悬浮液。
步骤二：向初步分散的悬浮液加入分散剂，分散剂的分子包含亲水端和亲油端。
步骤三：对加入了分散剂的悬浮液进行混合，使得金属盐纳米复合颗粒悬浮于绝缘基液中，分散剂的分子吸附于金属盐纳米复合颗粒和绝缘基液构成的固液界面，且亲水端趋向于吸附在金属盐纳米复合颗粒表面，亲油端趋向于延伸至绝缘基液。
具体的，金属盐纳米复合颗粒可以是钛氧基草酸钡，钛氧基草酸钙，二氧化钛等。尿素包被的金属盐纳米复合颗粒占巨电流变液的质量分数60～70％。绝缘基液可以是矿物油、合成油、硅油、调和油、植物油、变压器油等绝缘液体中的一种或多种的组合。分散剂可以为有机硅聚醚和笼型聚倍半氧硅烷POSS中的一种或两种的组合。添加质量分数为0.4％的分散剂后，金属盐纳米复合颗粒在巨电流变液中的分散密度约为2.05×1011个/cm3。作为对比，未添加分散剂的情况下，金属盐纳米复合颗粒在巨电流变液中的分散密度约为1.24×1011个/cm3。由此可知，添加根据本发明实施例的两亲性分散剂，可显著增强纳米颗粒的分散性。
在本发明实施例中，分散剂占巨电流变液的质量分数为0.1-0.8％；平衡考虑巨电流变液的抗沉降性和电流密度，优选的，分散剂占巨电流变液的质量分数为0.2-0.4％。当分散剂占巨电流变液的质量分数为0.4％时，巨电流变液的综合性能(综合考虑纳米颗粒的分散性、抗沉降性、电流密度)表现更优。
在本发明实施例中，参考图1，由尿素包被的金属盐纳米复合颗粒和绝缘基液可以通过球磨的方式进行充分混合，以获得初步分散的悬浮液，制备出巨电流变液。而后，向巨电流变液中加入少量分散剂有机硅聚醚或笼型聚倍半氧硅烷POSS，继续球磨，进一步打开团聚的纳米颗粒，并且使分散剂分子吸附在纳米颗粒的表面，抑制纳米颗粒间的团聚。
通过本发明实施提供的方法制备的巨电流变液，纳米颗粒的分散性增强，团聚颗粒的粒径显著减小，进而提高抗沉降性，有效阻止纳米颗粒的板结，从而提高巨电流变液的稳定性。同时，通过添加适量的两亲性分散剂，显著降低电流变液工作时的电流密度，电流密度相对于未使用分散剂情况下的50％，降低50％的能耗，同时大大提升巨电流变液的耐击穿性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种巨电流变液，其特征在于，包括：
由尿素包被的金属盐纳米复合颗粒；
分散剂，所述分散剂的分子包含亲水端和亲油端；和
绝缘基液；
其中，所述金属盐纳米复合颗粒悬浮于所述绝缘基液中，所述分散剂的分子吸附于所述金属盐纳米复合颗粒和所述绝缘基液构成的固液界面，且所述亲水端趋向于吸附在所述金属盐纳米复合颗粒表面，所述亲油端趋向于延伸至所述绝缘基液。
2.根据权利要求1所述的巨电流变液，其特征在于，所述分散剂为有机硅聚醚和笼型聚倍半氧硅烷中的一种或两种的组合。
3.根据权利要求2所述的巨电流变液，其特征在于：所述分散剂占所述巨电流变液的质量分数为0.1-0.8％。
4.根据权利要求3所述的巨电流变液，其特征在于，所述分散剂占所述巨电流变液的质量分数为0.2-0.4％。
5.根据权利要求4所述的巨电流变液，其特征在于，单个所述金属盐纳米复合颗粒的平均粒径范围为20nm-450nm；悬浮于所述绝缘基液中的所述金属盐纳米复合颗粒的团聚颗粒的平均粒径范围为500nm-1800nm。
6.根据权利要求4所述的巨电流变液，其特征在于，所述金属盐纳米复合颗粒占所述巨电流变液的质量分数为60～70％，所述金属盐纳米复合颗粒在所述巨电流变液中的分散密度为2×1011～3×1011个/cm3。
7.一种巨电流变液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将由尿素包被的金属盐纳米复合颗粒和绝缘基液进行混合，以获得初步分散的悬浮液；
向所述初步分散的悬浮液加入分散剂，所述分散剂的分子包含亲水端和亲油端；
对加入了分散剂的悬浮液进行混合，使得所述金属盐纳米复合颗粒悬浮于所述绝缘基液中，所述分散剂的分子吸附于所述金属盐纳米复合颗粒和所述绝缘基液构成的固液界面，且所述亲水端趋向于吸附在所述金属盐纳米复合颗粒表面，所述亲油端趋向于延伸至所述绝缘基液。
8.根据权利要求7所述的巨电流变液的制备方法，其特征在于，所述分散剂为有机硅聚醚和笼型聚倍半氧硅烷中的一种或两种的组合。
9.根据权利要求8所述的巨电流变液的制备方法，其特征在于，所述分散剂占所述巨电流变液的质量分数为0.1-0.8％。
10.根据权利要求9所述的巨电流变液的制备方法，其特征在于，所述分散剂占所述巨电流变液的质量分数为0.2-0.4％。
11.根据权利要求7所述的巨电流变液的制备方法，其特征在于，
所述由尿素包被的金属盐纳米复合颗粒和绝缘基液通过球磨的方式进行混合，以获得所述初步分散的悬浮液；和
对所述加入了分散剂的悬浮液进行球磨混合。
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