CN114317076B - 一种同核异壳纳米颗粒电流变液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种同核异壳纳米颗粒电流变液，其分散相为核壳结构的钛酸纳米管，钛酸纳米管中有10‑50％包覆聚苯胺，50‑90％包覆氧化石墨烯；其中钛酸纳米管微粒的长度为为1‑10μm，长径比为20‑100；所述电流变液中分散相颗粒的质量比为0.5‑20wt％，优选为2‑10wt％。该电流变液具有良好的悬浮稳定性和电流变性能，在电场强度为3kv/mm时动态屈服应力能达到140kPa以上。

Description

一种同核异壳纳米颗粒电流变液及其制备方法

技术领域

本发明属于电流变液领域，具体而言涉及一种同核异壳纳米颗粒电流变液及其制备方法。

背景技术

电流变液是由可极化的微纳米尺寸的介电分散相分散在绝缘油中形成的一种智能流体。对其施加电场后，自由分散在基液中的介电颗粒将形成链状结构，这种链状结构中的分散相相互之间在电磁场的作用下互相吸引，形成稳定的柱状结构，此时电流变液的黏度显著增大，流动性逐渐变小，剪切屈服强度逐渐增大，体系由液态变为固态。

电流变液这两种状态的变化是可逆的变化，随着外加电场的撤离，电流变液能够快速恢复为初始状态。电流变液具有毫秒级的响应速率，耗散的能量(相变所需能量)也较低。电流变液的这一优异特性使其在制动系统、机械控制、阻尼系统、显示技术、液体阀门、人工肌肉、机器人等领域存在很大的应用价值。

影响电流变液流变力学性能的因素很多，分散相颗粒的几何形状、导电率，连续相液体的粘度、极性，添加剂都可以影响电流变液的性能。目前研究大多集中在分散体颗粒的改进，常见的改进方法有改变分散体颗粒的形状、改变包覆材料、改进电导率等。

CN101531945A公开了一种棒状钙钛复合物巨电流变液，所述分散相为纳米级的棒状结构的钙钛沉淀复合物颗粒，分散相的浓度为10-75％。得到的巨电流变液初始粘度大，屈服应力大，漏电流密度低。

CN104774675A公开了一种改进的巨电流变液及其制备方法。所述GER液包含：由尿素包被的金属盐纳米复合物；极性分子添加剂；和高润湿性绝缘液；其中所述金属盐纳米复合物悬浮于所述高润湿性绝缘液中。通过添加极性分子添加剂，在电场下GER液的屈服应力提高了超过50％，而电流密度降低至小于原始GER的四分之一。可逆响应时间仍然保持相同，而沉降稳定性得到明显提高。

CN112251269A公开了一种钛酸/二氧化硅核壳型纳米复合颗粒电流变液。该电流变液的分散相是钛酸/二氧化硅纳米复合颗粒。采用两步法制备，先用水热法制备空心管状的钛酸纳米管，再采用控制水解法在钛酸纳米管表面包覆一层二氧化硅膜，形成一种同时具有核壳结构和空心结构的钛酸/二氧化硅纳米复合材料，该材料制备的电流变液具有很好的电流变性能和稳定性。

发明内容

基于电流变液的基本原理，施加外加电场后，自由分散在基液中的介电颗粒将形成链状或柱状结构。而单一种类的微粒由于其微粒形状电导率等性质完全相同，形成的链状结构的微粒排列相对规则，相互之间结合力过于均衡，易被外力打破，不利于提高电流变液的最大剪切强度。本发明提出一种新的混合型电流变液，通过添加两种电导率不同的颗粒，不同的颗粒在电场下交错排列，有利于增强电流变液的剪切强度，对于电流变液的稳定性影响也较小。

本发明公开了一种同核异壳纳米颗粒电流变液，其分散相颗粒为核壳结构的钛酸纳米管，其中钛酸纳米管中有10-50％包覆聚苯胺，50-90％包覆氧化石墨烯；其中钛酸纳米管微粒的长度为1-10μm，长径比为20-100；所述电流变液中分散相颗粒的质量比为0.5-20wt％，优选为2-10wt％。该电流变液具有良好的悬浮稳定性和电流变性能，在电场强度为3kv/mm时动态屈服应力能达到140kPa以上。

所述同核异壳纳米颗粒电流变液的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化钛粉末和强碱溶液混合搅拌，在超声波搅拌下充分混合反应，加热到120-150℃反应12-36h，调节pH值到6-8，过滤分离钛酸纳米管。

(2)将钛酸纳米管分散在酸液中，加入苯胺搅拌均匀，加入聚合引发剂，反应1-6h后，过滤清洗，得到聚苯胺包覆的钛酸纳米管。

(3)钛酸纳米管在pH值为8-10的碱液中浸渍10-30min进行预处理，经过预处理的钛酸纳米管加入石墨烯分散液中，高压条件下加热至120-150℃搅拌1-6h，洗涤干燥后300-400℃在惰性气氛下煅烧1-3h，得到包覆氧化石墨烯的钛酸纳米管。

(4)将聚苯胺包覆的钛酸纳米管和石墨烯包覆的钛酸纳米管颗粒混合，加入液体绝缘介质中充分分散，得到同核异壳纳米颗粒电流变液。

步骤(1)中，所述强碱是氢氧化钠、氢氧化剂、氨水中的一种或多种。

步骤(2)中所述聚合引发剂是过硫酸铵、过硫酸钾中的一种，加入量为苯胺的0.1-2wt％；苯胺加入量为钛酸纳米管的10-50wt％。

步骤(3)中的碱液是碳酸钠、碳酸氢钠、氨水中的一种；所述高压条件是0.2-0.5MPa；所述惰性环境是在CO₂或氮气条件下。

所述液体绝缘介质，可选用硅油，优选甲基硅油或羟基硅油。

优选的，在电流变液中还可以加入表面活性剂，所述表面活性剂是聚酰胺、琥珀酸酰亚胺、磺酸盐中的一种或多种，添加量为电流变液的0.2-3wt％。

本发明的有益技术效果：本发明通过复配两种导电率不同的同核异壳分散纳米颗粒制备电流变液，在电场下分散粒子形成的链状结构更加稳定，显著提高了电流变液的剪切性能。

具体实施方式

实施例1

同核异壳纳米颗粒电流变液的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化钛粉末和氢氧化钠溶液混合搅拌，在超声波搅拌下充分混合反应，加热到120℃反应36h，调节pH值到6，过滤分离钛酸纳米管。

(2)将钛酸纳米管分散在酸液中，加入苯胺搅拌均匀，加入聚合引发剂过硫酸铵，反应2h后，过滤清洗，得到聚苯胺包覆的钛酸纳米管。

(3)钛酸纳米管在pH值为8的碱液中浸渍30min进行预处理，经过预处理的钛酸纳米管加入石墨烯分散液中，0.3MPa下加热至125℃搅拌3h，洗涤干燥后在氮气下煅烧1h，得到包覆氧化石墨烯的钛酸纳米管。

(4)将聚苯胺包覆的钛酸纳米管和石墨烯包覆的钛酸纳米管颗粒按照1:3混合，加入液体绝缘介质中进行超声波分散，得到同核异壳纳米颗粒电流变液。

分散相颗粒在电流变液中的含量为10wt％；再加入十八烷基磺酸钙0.2wt％。

实施例2

同核异壳纳米颗粒电流变液的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化钛粉末和氢氧化钾溶液混合搅拌，在超声波搅拌下充分混合反应，加热到150℃反应12h，调节pH值到7，过滤分离钛酸纳米管。

(2)将钛酸纳米管分散在酸液中，加入苯胺搅拌均匀，加入聚合引发剂过硫酸钾，反应1h后，过滤清洗，得到聚苯胺包覆的钛酸纳米管。

(3)钛酸纳米管在pH值为10的碱液中浸渍10min进行预处理，经过预处理的钛酸纳米管加入石墨烯分散液中，0.5MPa下加热至150℃搅拌1h，洗涤干燥后在氮气保护下400℃煅烧1h，得到包覆氧化石墨烯的钛酸纳米管。

(4)将聚苯胺包覆的钛酸纳米管和石墨烯包覆的钛酸纳米管颗粒按照1:1混合，加入液体绝缘介质中进行超声波分散，得到同核异壳纳米颗粒电流变液。

分散相颗粒在电流变液中的含量为10wt％；电流变液中另外加入石油磺酸钠0.2wt％。

实施例3

同核异壳纳米颗粒电流变液的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化钛粉末和氢氧化钠溶液混合搅拌，在超声波搅拌下充分混合反应，加热到130℃反应24h，调节pH值到8，过滤分离钛酸纳米管。

(2)将钛酸纳米管分散在酸液中，加入苯胺搅拌均匀，加入聚合引发剂过硫酸铵，反应1h后，过滤清洗，得到聚苯胺包覆的钛酸纳米管。

(3)钛酸纳米管在pH值为8的碱液中浸渍30min进行预处理，经过预处理的钛酸纳米管加入石墨烯分散液中，0.3MPa条件下加热至120℃搅拌3h，洗涤干燥后在氮气气氛400℃下煅烧3h，得到包覆氧化石墨烯的钛酸纳米管。

(4)将聚苯胺包覆的钛酸纳米管和石墨烯包覆的钛酸纳米管颗粒按照1:3混合，加入液体绝缘介质中进行超声波分散，得到同核异壳纳米颗粒电流变液。

所述分散体颗粒在电流变液中的含量为12wt％；电流变液中再加入聚酰胺0.3wt％。

对比例1

直接使用聚苯胺包覆的钛酸纳米管制备的电流变液，其他同实施例1相同。

对比例2

直接使用氧化石墨烯包覆的钛酸纳米管制备的电流变液，其他同实施例1相同。

对比例3

使用未包覆的钛酸纳米管颗粒制备电流变液，其它同实施例1相同。

对实施例1-3和对比例1-3得到的电流变液进行性能测试，结果如下表所示：

其中所述动态屈服应力是在3kv/mm时测得的数值。

通过以上对比例的性能分析，可以明显看出，本发明所述电流变液具有稳定性好，较高的动态屈服应力，取得了意料不到的技术效果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同核异壳纳米颗粒电流变液，其分散相为核壳结构的钛酸纳米管，钛酸纳米管中有10-50％包覆聚苯胺，50-90％包覆氧化石墨烯；其中钛酸纳米管微粒的长度为1-10μm，长径比为20-100；所述电流变液中分散相颗粒的质量比为0.5-20wt％。

2.如权利要求1所述的电流变液，其特征在于所述电流变液中分散相颗粒的质量比为2-10wt％。

3.如权利要求1所述的电流变液，其特征在于所述电流变液在电场强度为3kv/mm时动态屈服应力达到140kPa以上。

4.如权利要求1或2所述同核异壳纳米颗粒电流变液的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化钛粉末和强碱溶液混合搅拌，在超声波搅拌下充分混合反应，加热到120-150℃反应12-36h，调节pH值到6-8，过滤分离钛酸纳米管；

(2)将钛酸纳米管分散在酸液中，加入苯胺搅拌均匀，加入聚合引发剂，反应1-6h后，过滤清洗，得到聚苯胺包覆的钛酸纳米管；

(3)钛酸纳米管在pH值为8-10的碱液中浸渍10-30min进行预处理，经过预处理的钛酸纳米管加入石墨烯分散液中，高压条件下加热至120-150℃搅拌1-6h，洗涤干燥后300-400℃在惰性气氛下煅烧1-3h，得到包覆氧化石墨烯的钛酸纳米管；

(4)将聚苯胺包覆的钛酸纳米管和石墨烯包覆的钛酸纳米管颗粒混合，加入液体绝缘介质中，得到同核异壳纳米颗粒电流变液。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于步骤(1)中，所述强碱是氢氧化钠、氢氧化剂、氨水中的一种或多种。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于步骤(2)中所述聚合引发剂是过硫酸铵、过硫酸钾中的一种，加入量为苯胺的0.1-2wt％；苯胺加入量为钛酸纳米管的10-50wt％。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于步骤(3)中的碱液是碳酸钠、碳酸氢钠、氨水中的一种；所述高压条件是0.2-0.5MPa；所述惰性环境是在CO₂或氮气条件下。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述液体绝缘介质是硅油。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述液体绝缘介质是甲基硅油或羟基硅油。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于在电流变液中加入表面活性剂，所述表面活性剂是聚酰胺、琥珀酸酰亚胺、磺酸盐中的一种或多种，添加量为电流变液的0.2-3wt％。