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《西北工业大学》 2003年
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聚芳香胺/蒙脱土纳米复合材料电流变液的制备及性能研究

路军  
【摘要】: 电流变液(Electrorheological fluids)是一种智能材料,通常是高介电常数的微小颗粒分散在低介电常数的绝缘液体中形成的悬浮体系。当对它施加电场时,其粘度瞬间变化几个数量级,表现出类固体的性质。电流变液作为一种新型智能材料,其力学、电学、光学性能可由外加电场连续调控,这一特性使得电流变液在液压系统、减振装置、印刷、光学以及机电一体化等领域具有广阔的应用前景,成为仿生智能科学的首选材料之一。在过去的几十年间,电流变液材料的制备主要集中在无机氧化物和有机聚合物。1985年Block首先研制出了稠环芳醌类电流变液,标志着无水电流变液研究的开始。然而材料综合性能的不足,如剪切强度低、易沉降、温度效应显著等因素,严重地制约了电流变技术的工业化。通常认为电流变效应是由于电场作用下悬浮颗粒的极化,进而导致颗粒间相互作用的变化,使流体流变性能发生改变。 蒙脱土(montmorillonite,MMT)是一种天然矿物,具有层状结构,层间靠吸附阳离子如Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)等来维持电荷平衡,这些离子可与其它阳离子进行交换,使有机单体分子进入层间,聚合后即可形成有机/无机纳米复合材料。本项研究从材料的物理、化学设计出发,综合考虑介电常数、电导率、介电损耗等对电流变效应的影响,利用乳液共混插层的方法制备了聚苯胺及其衍生物/蒙脱土纳米复合材料,通过X-射线衍射、红外光谱及透射电子显微镜确定了它们的结构,测试了颗粒的介电性能,并研究了它们的电流变性质。取得了如下研究结果: 1.用乳液共混插层原位聚合的方法制备了聚苯胺/蒙脱土纳米复合材料微粒,透射电镜结果表明颗粒的粒径约为100nm。在1000Hz、20℃时,聚苯胺/蒙脱土纳米颗粒介电常数比蒙脱土提高了约2.7倍,比聚苯胺提高了近5.5倍;电导率增加近10倍。将其分散在甲基硅油中配制成无水电流变材料,实验表明在强电场下电流变效应比聚苯胺、蒙脱土、机械共混的聚苯胺和蒙脱土电流变液都有显著提高。在DC、3kV/mm((?)=5S~(-1),T=20℃,30wt%) 时,剪切应力可达7.19 kPa;漏电流密度小于3Op户JcmZ。 电流变液具有较好的温度稳定性和抗沉降性,其剪切应力在 静置60天未发现有沉淀现象。 TEM对其结构进 形成了粒径约为 流变液,该复合材料表现出较大的协同效应,具有较好的电流变行为。实验 表明在强电场下电流变效应比聚N-甲基苯胺、蒙脱土电流变液有显著提高。 在3kv/rnm(Dc,74.5‘,)时,剪切强度达6.0 kPa;同时抗沉降性极好, 静置60天沉淀率小于3%。介电性能测试表明聚N-甲基苯胺/蒙脱土纳米颗 粒的介电常数和介电损耗较蒙脱土和聚N-甲基苯胺都有一定的提高,电导 率也达到了最佳范围。 3.用乳液共混插层法制备了聚邻苯二胺/蒙脱土复合材料,X一射线衍射及TEM 谱表明其为纳米复合结构,颗粒的粒径约100nln。在1 000 Hz、20℃时, 其介电常数比蒙脱土提高了约2.0倍,比聚邻苯二胺提高了近4.3倍,同时 介电损耗也有一定的提高。将POPD一MMT杂化粉末与甲基硅油按颗粒/硅 油重量比30%配制成电流变液。在DC、3 kV加m时剪切应力可达8.27 kPa (7 4.55一’);漏电流密度小于40,从澎。其电流变效应比聚邻苯二胺和蒙脱 土都有显著提高。同时这种电流变液具有较好的温度稳定性和抗沉降性,插 层复合物介电性能的改善是造成流变学性能提高的内在原因。 4.探讨了一种新型共聚物电流变材料的研制及其影响因素,发现甲基丙烯酸三 苯基锡酷与甲基丙烯酸斓共聚后,介电性能有一定程度的提高,进而使共聚 物具有电流变效应,其电流变液(体积比为35%)在25℃,E=3 kV/~ (oe),尹一97.975一’时的剪切应力为482 Pa,j20协从mZ。
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