CN1143891C - 聚苯胺/蒙脱土纳米复合材料电流变液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种聚苯胺/蒙脱土(PANI-MMT)纳米复合材料电流变液及其制备技术，其分散相与传统的核壳结构式复合颗粒有很大的不同，表现在两种组份在纳米尺度上相互交错，这种混杂材料兼有无机材料极性大、制备过程简便及有机材料比重小质地软、抗沉降稳定性好的优点。PANI-MMT纳米复合材料的电流变效应较聚苯胺、蒙脱土以及机械共混的聚苯胺/蒙脱土电流变液有较大改善，在3kV/mm(DC)时，静态屈服应力达9.1kPa(5S-1)；抗沉降性好。分散相材料制备工艺简单，常温下实施乳液共混插层法原位聚合反应，成本低廉。
Description
本发明涉及一种聚合物/粘土纳米复合材料电流变液及其制备技术，特别涉及聚苯胺/蒙脱土纳米复合材料电流变液。
电流变液是由高介电常数、低电导的易极化电介质颗粒分散于低介电常数的绝缘油中形成的悬浮体系。目前，电流变液的性能还未达到实用化要求，其中最主要的制约因素是：电场激励下的力学值不高以及抗沉降性较差。关于分散相材料的研究大多集中在无机氧化物和有机高分子聚合物材料两个领域内。无机类材料曾是电流变液的主要研究对象，但普遍存在力学性能偏低，抗沉降稳定性差等缺点；后来多采用有机聚合物作为电流变液的分散相，有机聚合物作为电流变液由于其具有较高的热稳定性、较低的密度及易于控制而受到人们的极大重视，其中聚苯胺(PANI)被认为是最有希望的电流变液材料之一。尽管其力学值比无机材料有一定的提高且抗沉降性较好，但距工业化应用仍有一定的距离。近年来，有机/无机混杂材料由于其独特的性能引起了人们的广泛关注，尤其是有机聚合物/层状蒙脱土嵌入混杂材料因其制备简单、物理机械性能优越、来源广泛，被认为是最有应用前景的复合材料。已有研究者尝试用有机/无机复合材料作为电流变液的分散相，以充分发挥有机材料和无机材料的不同特长，实现优势互补，进而获得综合性能良好的电流变材料。
本发明的目的是提供一种有机聚合物与蒙脱土相互混杂的新型电流变液材料，其分散相与传统的核壳结构式复合颗粒具有很大的不同，表现在两种组份在纳米尺度上相互交错，这种混杂材料兼有无机材料极性大、制备过程简便及有机材料比重小质地软、抗沉降稳定性好的优点。
本发明的目的具体实施如下：
采用乳液共混插层法制备反应工艺。用化学纯以上等级原料：蒙脱土(MMT)作无机基体原料，苯胺作有机原料，过硫酸铵((NH4)2S2O8)为引发剂，室温聚合，以一定pH值的氨水(NH3·H2O)浸泡控制电导率。
首先，将钠基蒙脱土分散到一定量的二次去离子水中，搅拌成乳浊液；加入一定量的苯胺和盐酸，继续搅拌分散后，用大量去离子水洗涤，HCl调节pH值，以过硫酸铵((NH4)2S2O8)为引发剂，室温聚合数小时，抽滤，洗涤，在一定pH值的NH3·H2O中浸泡数小时后抽滤、干燥得墨绿色粉末。用研钵研成细粉，最后将得到的粉料以颗粒/甲基硅油质量比为30％混合均匀，配制聚苯胺/蒙脱土纳米复合材料电流变液。
本发明通过聚苯胺插入蒙脱土层间制得了一种力学性能较高、抗沉降性能优异的无水电流变材料，制备工艺简单易行，成本低廉，操作时采用的乳液共混插层法能在常温下进行，对设备亦无特殊要求，产物的分离及后处理过程均易实现。
本发明的实现过程和材料性能由以下实施例和附图详细说明：
实施例一：(纯MMT电流变液)
将干燥过的蒙脱土(MMT)与甲基硅油按粉末/硅油质量比30％配制成无机纯MMT电流变液。测量其剪切应力与电场强度的关系如图1所示。
实施例二：(纯PANI电流变液)
10克苯胺和一定量的盐酸分散到大量去离子水中，以过硫酸铵((NH4)2S2O8)为引发剂，室温聚合12小时，抽滤，洗涤，在pH＝10的NH3·H2O中浸泡6小时后抽滤、干燥得墨绿色粉末。用研钵研成细粉，最后将得到的粉料以颗粒/甲基硅油质量比为30％混合均匀，配制纯PANI电流变液。测量其剪切应力与电场强度的关系如图1所示。
实施例三：(机械共混的PANI+MMT电流变液)
2克聚苯胺和2克蒙脱土机械混合后用研钵研成细粉，并将所得粉末与甲基硅油按粉末/甲基硅油质量比30％混合均匀配成电流变液。测量其剪切应力与电场强度间的关系如图1所示。
实施例四：
将10g钠基蒙脱土分散到500mL去离子水中，80℃搅拌2h，然后加入2mL苯胺和0.04mol HCl，在80℃继续搅拌6h，用大量去离子水洗涤多次后分散到500mL去离子水中，HCl调节pH值约为2，然后加入1.6g(0.007mol)过硫酸铵((NH4)2S2O8)，在搅拌下室温聚合12h，抽滤，洗涤，在pH＝10的NH3·H2O中浸泡数小时后抽滤、干燥得墨绿色粉末。用研钵研成细粉并按粉末/甲基硅油质量比30％配成电流变液即得聚苯胺-蒙脱土纳米复合材料电流变液。剪切强度与剪切速率间的关系如图2所示，表观粘度与剪切速率间的关系如图3所示，同时测试了该电流变液的抗沉降性能，如图4所示。
附图及说明：
图1纯MMT、纯PANI、机械共混的PANI+MMT以及PANI-MMT纳米复合材料电流变液静态剪切应力与电场强度(直流)间的关系曲线(20℃，剪切速率为5S-1)
图2一种PANI-MMT纳米复合材料电流变液的剪切强度与剪切速率间的关系曲线(20℃)
图3一种PANI-MMT纳米复合材料电流变液的表观粘度与剪切速率的关系曲线(20℃)
图4一种PANI-MMT纳米复合材料电流变液的沉降性示意图
Claims (3)
1、一种聚苯胺/蒙脱土纳米复合电流变液材料，其特征在于该材料的分散相为纳米尺度的聚苯胺/蒙脱土电介质颗粒，其质量比为5-7％，连续相基液为甲基硅油，制备该电流变液分散相材料的方法选用乳液共混插层法，常温下实施聚合反应，实现有机高聚物与无机物间的混杂。
2、如权利要求1所述聚苯胺/蒙脱土纳米复合材料电流变液材料，其特征在于分散相颗粒是由苯胺单体插入蒙脱土层间，原位聚合在纳米尺度上形成的微粒。
3、如权利要求1所述聚苯胺/蒙脱土纳米复合电流变液材料，其特征在于分散相颗粒的制备方法包括以下步骤：
(1)选用钠基蒙脱土、苯胺作为原料，过硫酸铵为引发剂，二次去离子水作溶剂，盐酸和氨水作pH值调节剂；
(2)将钠基蒙脱土分散到一定量的二次去离子水中，搅拌成乳浊液，加入一定量的苯胺和盐酸，继续搅拌分散后，用大量去离子水洗涤，盐酸调节pH值，以过硫酸铵为引发剂，室温聚合数小时，抽滤，洗涤，在一定pH值的氨水中浸泡数小时后抽滤、干燥得墨绿色粉末；
(3)将得到的墨绿色粉末用研钵研成一定细度后与甲基硅油按粉末/硅油质量比30％混合均匀，即制得聚苯胺/蒙脱土纳米复合材料电流变液。
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