CN1515659A - 钛酸钡/明胶复合弹性电流变胶体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了一种钛酸钡/明胶复合弹性电流变胶体及其制备方法。该复合弹性电流变胶体是在直流电场作用下通过钛酸钡分散于明胶水溶液间制得的，是一种力学性能可受电场控制的含水电流变材料。这种材料制备过程简便，材料性能稳定，无腐蚀，无污染，成本低廉。其电流变效应明显，在1kV/mm(DC)时，压缩模量由40.77kPa提高到73.11kPa，提高了79.32％，而且压缩模量随着电场强度的增大而增大。

Description

钛酸钡/明胶复合弹性电流变胶体及其制备方法
技术领域    本发明涉及一种无机流变颗粒/含水高分子电流变胶体及其制备方法，特别涉及钛酸钡/明胶复合含水弹性电流变胶体及其制备方法。
背景技术    电流变液体，因液体中粒子之间以及粒子与电极之间的强烈凝聚作用，其在外加电场作用下粘度变化迅速、可逆，具有显著的电流变效应，被人们所称道。由于其对电场响应的时效性和可控性，因而被科学家预测将作为智能型材料用于各种仪器上。然而，由于粒子的沉降引起了电流变效应不稳定，系统的可靠性降低，大大限制了电流变液体的应用。电流变胶体，简单地说就是将流变颗粒分散在高分子胶联凝胶的网络中制得的复合弹性物体。和电流变液相比，电流变胶体有一些非常不同的特点。其中最值得注意的是流变粒子在弹性母体中被锁定，避免了粒子的相对移动，无论是测试还是使用，电流变效应都是均衡稳定的。胶体的另外一个优点是无泄漏、无磨损及无颗粒沉积，故其可在高电场强度下使用。此外，电流变胶体还可以依据所需制得有固定形状和体积的电流变物体，其在测量过程中材料的形态保持不变，因此可用于进一步研究电流变效应机理，结论是较为精确的。正因为电流变胶体有着它独特的优点，这类材料的制备和研究越来越受到人们的关注。
近两三年内，电流变胶体的研究在国际上已开始兴起。作为电流变胶体的母体，研究者多选用与电流变液母体相似的高分子化合物无水体系。虽然解决了电流变液中颗粒沉积、液体易泄漏等难题，但是这类胶体制备时间长，成本高，对环境不利，无法在潮湿环境中生产和使用。
本发明将无机流变颗粒分散于高分子化合物含水体系中制得弹性水凝胶。该凝胶电流变效应明显、稳定，制备过程简捷，成本低廉，适宜于普通环境，是一种绿色环保的新型含水电流变材料。它的问世化解了含水体系与电流变材料之间的矛盾。预计这种可智能化的‘软湿件’材料，在航空救生和生物医学等领域有良好的应用前景。
发明内容    本发明通过施加直流电场使钛酸钡颗粒分散于明胶水溶液间制得了一种力学性能可受电场控制的含水电流变弹性体，制备工艺简单易行，成本低廉，实验操作能在常温下进行，对设备亦无特殊要求，产品的后处理过程容易实现。本发明的具体内容如下：
将一定量明胶在磁搅拌下溶于60～70℃的去离子水中，得浓度为15％的明胶水溶液，并在此温度下向该溶液中按钛酸钡质量百分浓度(BaTiO3wt％)分别为0、0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5、7.5、10的浓度要求加入钛酸钡颗粒。快速搅拌，待粒子分散均匀后倒入一定容积的有机玻璃盒中，在盒子的上下两面上加平行直流电场，室温下静置胶凝。0.5h后，取出胶块，浸泡于2％的甲醛溶液中进行化学胶联。半小时后用去离子水对胶块进行冲洗、浸泡，反复三次，每次5min.这样就制得了钛酸钡/明胶复合弹性胶体。对弹性胶体的结构和不同状况下的力学性能进行分析。
附图说明  图1弹性胶体中钛酸钡粒子的分布情况
(i)BaTiO3 wt％＝1.5，自由胶凝(E＝0 kV/mm)；
(ii)BaTiO3 wt％＝1.5，电场(E＝1kV/mm)作用下胶凝；
图2两种类型弹性体的压缩模量
(a)测试电场Emeas.＝0 kV/mm；(b)测试电场Emeas＝1 kV/mm；
图3同一类型胶体在有、无电场作用时所测的压缩模量
(i)无电场时胶凝所得胶体的压缩模量；
(ii)有电场(E＝1 kV/mm)时胶凝所得胶体的压缩模量；
图4不同胶凝电场中所得的胶体(BaTiO3 wt％＝1.5)的压缩模量
图5  不同测试电场对胶体(BaTiO3wt％＝1.5)压缩模量的影响
具体实施方式    本发明的具体实施过程和方式由以下实施例并附图详细说明。
实施例一：(复合弹性胶体的微观结构)
将一定量明胶在磁搅拌下溶于60～70℃的去离子水中，得浓度为15％的明胶水溶液，并在此温度下向该溶液中按BaTiO3wt％＝1.5浓度要求加入钛酸钡颗粒。快速搅拌，待粒子分散均匀后倒入一定容积的有机玻璃盒中，在盒子的上下两面上加平行电场(1kV/mm)，室温下静置胶凝0.5h后，取出胶块，分别浸泡于2％的甲醛溶液中进行化学胶联。半小时后用去离子水对胶块进行冲洗、浸泡，反复三次，每次5min.将制得的复合弹性胶体按制备时电场作用的方向切成约1mm厚的薄片，在光电显微镜下观察并拍得其中钛酸钡粒子分布情况的照片(CCD图)，以此来确定复合弹性胶体的结构。
运用相似的方法制备与上述弹性胶体结构不同的另一种弹性体，制备方法的不同之处是胶凝过程中无电场作用。两种弹性体的CCD图见图1
实施例二：(两种类型弹性体的压缩模量对比)
将上述两种类型的弹性体分别在有、无电场存在下测试其压缩模量，并对钛酸钡质量百分浓度作图，结果如图2中(a)和(b)
实施例三：(同一类型胶体在有、无电场作用时所测的压缩模量)
分别对两种类型的胶体在无电场和有电场(E＝1kV/mm)存在时测试的压缩模量进行对比分析，如图3中(i)和(ii)
实施例四：(不同胶凝电场中所得的胶体(BaTiO3wt％＝1.5)的压缩模量)
以含1.5％钛酸钡的体系为例，在不同胶凝电场(0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.7kV/mm)作用下合成得到一系列胶体，并对它们的压缩模量进行测试。结果如图4。
实施例五：(不同测试电场对胶体(BaTiO3 wt％＝1.5)压缩模量的影响)
对于在一定胶凝电场(E＝1 kV/mm)中合成得到的胶体(BaTiO3wt％＝1.5)，在有不同电场(0，1.0，2.0，2.7kV/mm)存在时测试，结果如图5

Claims (3)

1.一种钛酸钡/明胶复合弹性电流变胶体及其制备方法，该材料由分散相钛酸钡和连续相含水胶联明胶组成，其主要特征是制备过程通过施加直流电场作用使分散相颗粒有序分散在连续相中胶凝完成的。
2.一种如权利要求1所述的钛酸钡/明胶复合弹性电流变胶体及其制备方法，其特征是分散相颗粒的质量百分含量是0.5％～10％，连续相是含水明胶，其中明胶在连续项中所占的比例保持为15％。
3.一种如权利要求1所述的钛酸钡/明胶复合弹性电流变胶体及其制备方法，其特征是制备工艺方法包括以下步骤：
(1)将一定量明胶在磁搅拌下溶于60～70℃的去离子水中，得浓度为15％的明胶水溶液，并在此温度下向该溶液中按BaTiO3wt％＝0.5～10含量要求加入钛酸钡颗粒(6～14μm)，快速搅拌；
(2)待粒子分散均匀后倒入一定容积的有机玻璃盒中，胶凝过程中在盒子的上下两面上施加平行电场(0～1kV/mm)，室温下静置胶凝0.5h；
(3)将胶凝了的胶块浸泡于2％的甲醛溶液中进行化学胶联，0.5h后用去离子水对胶块进行冲洗、浸泡，反复三次，每次5min.最后用滤纸吸干胶块表面的水分，得到了钛酸钡/明胶复合弹性胶体。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102390452A (zh) * 2011-10-17 2012-03-28 郑州轻工业学院 一种改进的柔性电控吸附装置

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