CN110129112A - 一种花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变液及其制备方法 - Google Patents

一种花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变液材料及其制备方法，该电流变液的分散相是花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒，采用两步法制备而成；该二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒兼具多级结构和核壳结构的特点，还保留了纳米粒子的属性，具有显著的形貌和尺寸优点，有利于提高电流变性能。该材料与甲基硅油所配成的电流变液具有优良的特性，包括优良的电流变效应、很好的抗沉淀稳定性、电流密度低、化学稳定性好。附图中显示了由TEM拍摄得到的花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒的形貌。

Description

一种花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变液及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种电流变液及其制备方法，具体涉及一种花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变液及其制备方法。
背景技术
电流变液作为一种对电场变化快速响应的智能材料通常由低介电常数的绝缘介质与分散在绝缘介质中高介电常数的可极化颗粒组成的稳定悬浮体系。在无加电场作用下，分散颗粒产生极化形成链状或柱状结构，材料的流变性能包括剪切应力，剪切粘度，弹性模量等都会发生从液体向类固体的转变，其中剪切粘度与剪切应力在短时间内迅速提升，在撤去外加电场后其性能又恢复原样，具有快速可逆响应的特点。电流变材料因其能耗低，可控变化的特点使其在减振、机械传动、自控、机电一体化、微驱动等领域具有巨大的应用前景。
二硫化钼因其易合成，成本可控，具有优良的化学与热稳定性，对电场的敏感反应以及具有可控的导电性而成为著名的被广泛研究控制电导率的过程的过渡金属硫化物之一，在很多材料的制备过程中起着重要的作用。二氧化钛作为电流变材料具有优良的电流变性能已被广泛应用，使用二氧化钛作为包覆层可以有效的改善二硫化钼导电性过强导致的短路问题。
本发明的目的是提供一种花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变液，其分散相是花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒，连续相为二甲基硅油。花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒具有独特的形貌，扫描电镜结果表明花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒为二氧化钛包覆的花状二硫化钼纳米复合颗粒，花状二硫化钼是纳米片状二硫化钼组装成的多级结构。二硫化钼二维的纳米片具有比表面积大，多孔，组装而成的花状多级结构则有利于氧化钛纳米粒子的包覆；核壳结构发挥双组分的优点，利于丰富极化种类和数量，尤其是界面极化的强度，从而大幅提升电流变性能。可见该二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒兼具多级结构和核壳结构的特点，还保留了纳米粒子的属性，具有显著的形貌和尺寸优点，有利于提高电流变性能。制备工艺为水热法与水解法，添加聚乙烯吡咯烷酮(PVP)表面活性剂，属于软模板法，绿色环保。以该材料与甲基硅油所配成的电流变液，由于花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒的抗沉降性，赋予该电流变液优异的悬浮稳定性，解决了电流变的一大难题。该工艺还可以通过改变表面活性剂种类来调控产物的形貌，尺寸等，可调性强。
本发明的目的还在于提供一种两步法制备花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒的方法，制备工艺简单，原料易得，以该材料与甲基硅油所配成的电流变液具有一定的特性，包括优良的电流变效应、很好的抗沉淀稳定性、化学稳定性好。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明所制备电流变液，其分散相是花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒，连续相为二甲基硅油。
上述电流变液的制备工艺包括以下步骤：
(1)在70mL去离子水中分别加入2.47g仲钼酸铵，2.13g硫脲，1.08g PVP后超声20min，然后将上述溶液倒入反应釜中220℃反应18小时后，用去离子水与无水乙醇洗涤离心得到花状二硫化钼纳米颗粒，放入烘箱中烘干得到固体粉末待用；
(2)取0.4g花状二硫化钼固体粉末加入到150mL无水乙醇与1mL去离子水的混合溶液中超声20min，然后向上述溶液中加入1.5mL钛酸四丁酯搅拌反应18小时后，用无水乙醇洗涤离心得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒，放入烘箱中烘干得到固体粉末；
(2)将该样品与二甲基硅油按固体颗粒与硅油的重量比10wt％配制成电流变液。
附图说明
图1水热法以PVP为表面活性剂反应18小时制备的花状二硫化钼纳米颗粒SEM照片
图2水热法以PVP为表面活性剂反应18小时制备的花状二硫化钼纳米颗粒XRD照片
图3水解法使用1mL去离子水，1.5mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒SEM照片
图4水解法使用1mL去离子水，1.5mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒TEM照片
图5水解法使用1mL去离子水，1.5mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变性能图
图6水解法使用1.5mL去离子水，1.5mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒SEM照片
图7水解法使用1.5mL去离子水，1.5mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变性能图
图8水解法使用1.5mL去离子水，2mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒SEM照片
图9水解法使用1.5mL去离子水，2mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变性能图
具体实施方式
实施例一：
在70mL去离子水中分别加入2.47g仲钼酸铵，2.13g硫脲，1.08g PVP后超声20min，然后将上述溶液倒入反应釜中220℃反应18小时后，用去离子水与无水乙醇洗涤离心得到花状二硫化钼纳米颗粒，放入烘箱中烘干得到固体粉末待用；取0.4g花状二硫化钼固体粉末加入到150mL无水乙醇与1mL去离子水的混合溶液中超声20min，然后向上述溶液中加入1.5mL钛酸四丁酯搅拌反应18小时后用，无水乙醇洗涤离心得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒，放入烘箱中烘干得到固体粉末；将该样品与二甲基硅油按固体颗粒与硅油的重量比10wt％配制成电流变液。图1是水热法以PVP为表面活性剂反应18小时制备的花状二硫化钼纳米颗粒SEM照片，从图中可以看出颗粒的形状类似于花状，花状颗粒的表面直径在150～250nm，构成花状形貌的片状二硫化钼厚度为15nm。图2是水热法以PVP为表面活性剂反应18小时制备的花状二硫化钼纳米颗粒XRD照片，通过与标准2H相二硫化钼卡片PDF#37-1492对比可知。由图可知12.48°对应的晶面指数为(002)，32.67°对应的晶面指数为(100)，33.50°对应的晶面指数为(101)，39.53°对应的晶面指数为(103)，49.78°对应的晶面指数为(105)，58.33°对应的晶面指数为(110)表明所得花状二硫化钼为2H相，(002)的衍射峰2θ从14.37°偏移到了12.48°与PVP在花状形貌形成过程中的参与有关。图3是水解法使用1mL去离子水，1.5mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒SEM照片。图4是水解法使用1mL去离子水，1.5mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒TEM照片。由图2，图3，图4对比可得花状二硫化钼被无定形的二氧化钛均匀包覆。包覆后颗粒直径在200～300nm。图5水解法使用1mL去离子水，1.5mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变性能图，由图可得在不加电场的条件下，剪切应力随剪切速率增加而增加，体系表现为牛顿流体；施加电场后，颗粒在外加电场条件下迅速响应产生极化，电偶极子之间相互吸引排列成链状或柱状结构，随着电场强度的提高，剪切应力不断上升且在高频区出现平台，体系表现为宾汉流体，在2.5kV的电场强度下电流变效率在0.1s-1下计算为285.5，表现出优良的电流变效率。
实施例二：
在70mL去离子水中分别加入2.47g仲钼酸铵，2.13g硫脲，1.08g PVP后超声20min，然后将上述溶液倒入反应釜中220℃反应18小时后，用去离子水与无水乙醇洗涤离心得到花状二硫化钼纳米颗粒，放入烘箱中烘干得到固体粉末待用；取0.4g花状二硫化钼固体粉末加入到150mL无水乙醇与1.5mL去离子水的混合溶液中超声20min，然后向上述溶液中加入1.5mL钛酸四丁酯搅拌反应18小时后，用无水乙醇洗涤离心得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒，放入烘箱中烘干得到固体粉末；将该样品与二甲基硅油按固体颗粒与硅油的重量比10wt％配制成电流变液。图6是水解法使用1.5mL去离子水，1.5mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒SEM照片。从图中可以看出，当改变水解法所用去离子水用量为1.5mL时所得到的复合颗粒中有许多未包裹上二氧化钛的花状二硫化钼颗粒。图7水解法使用1.5mL去离子水，1.5mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变性能图。从图中可以看出，当改变水解法所用去离子水用量为1.5mL时所得产物电流过大只能加压到1.5kV，与包覆不完全使二硫化钼裸露在外有关。在1.5kV的电场强度下电流变效率在0.1s-1下计算为41.7，较实施例一下降明显。
实施例三：
在70mL去离子水中分别加入2.47g仲钼酸铵，2.13g硫脲，1.08g PVP后超声20min，然后将上述溶液倒入反应釜中220℃反应18小时后用去离子水与无水乙醇洗涤离心得到花状二硫化钼纳米颗粒，放入烘箱中烘干得到固体粉末待用；取0.4g花状二硫化钼固体粉末加入到150mL无水乙醇与1.5mL去离子水的混合溶液中超声20min，然后向上述溶液中加入2mL钛酸四丁酯搅拌反应18小时后用无水乙醇洗涤离心得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒，放入烘箱中烘干得到固体粉末；将该样品与二甲基硅油按固体颗粒与硅油的重量比10wt％配制成电流变液。图8是水解法使用1.5mL去离子水，2mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒SEM照片。从图中可以看出，当改变水解法中钛酸四丁酯用量为2mL时得到粘连成片的球形颗粒，颗粒尺寸在100nm，与图1比较得到该球型颗粒尺寸远小于所需包覆的花状二硫化钼颗粒尺寸，应为二氧化钛颗粒单独成核形球形颗粒。图9是水解法使用1.5mL去离子水，2mL钛酸四丁酯制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变性能图，电流过大只能加压到0.5kV，这与二氧化钛颗粒单独成核有关。在0.5kV的电场强度下电流变效率在0.1s-1下计算为6.51，较实施例一下降明显。

Claims (2)

1.一种电流变液，其特征在于该电流变液分散相是花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒，连续相为二甲基硅油；由两步法制备得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒，先用水热法制备得到花状二硫化钼纳米颗粒，颗粒是由片状纳米二硫化钼组装成的多级结构，再由水解法制备二氧化钛包覆花状二硫化钼纳米颗粒得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒；二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒兼具多级结构和核壳结构的特点，还保留了纳米粒子的属性，具有显著的形貌和尺寸优点；制备工艺简单，原料易得，以该材料与甲基硅油所配成的电流变液具有优良的电流变效应。
2.如权利要求1所述的状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒电流变液，其特征在于制备工艺包括以下步骤：
(1)在70mL去离子水中分别加入2.47g仲钼酸铵，2.13g硫脲，1.08g PVP后超声20min，然后将上述溶液倒入反应釜中220℃反应18小时后,用去离子水与无水乙醇洗涤离心得到花状二硫化钼纳米颗粒，放入烘箱中烘干得到固体粉末待用；
(2)取0.4g花状二硫化钼固体粉末加入到150mL无水乙醇与1mL去离子水的混合溶液中,超声20min，然后向上述溶液中加入1.5mL钛酸四丁酯搅拌反应18小时后,用无水乙醇洗涤离心得到花状二硫化钼/二氧化钛纳米复合颗粒，放入烘箱中烘干得到固体粉末；
(2)将该固体粉末样品与二甲基硅油按固体颗粒与硅油的重量比10wt％配制成电流变液。
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