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聚苯胺——钛酸钡纳米复合材料的合成、结构及其在电流变液方面的应用

魏建红  
【摘要】: 电流变(Electrorhological,ER)材料是一种在外加电场作用下,其流变性能可以发生快速、可逆和明显改变的材料,这种材料可广泛的应用在汽车和工业机械制造等领域。有许多种材料都可以用作电流变材料,例如,聚合物半导体材料,无机非金属材料等,聚合物半导体ER材料的优点在于有较高的力学值、较小的密度、优良的疏水性,可以通过控制掺杂量和后处理程度有效控制电导的大小。它的缺点在于材料基体的热稳定性较差;无机化合物如氧化物、盐类,其特点是具有较高的介电常数;其主要缺点是密度大,颗粒的悬浮稳定性差;屈服应力低等。 有机物与无机物在纳米尺度上的复合是纳米复合材料的研究热点。有机物与无机物在纳米尺度上的复合,不仅可以充分利用它们的优点,而且有可能开发出新的性能。根据目前电流变液中出现的问题(如屈服应力不够高,漏电流密度不够低,稳定性不够好等问题),基于聚苯胺有较高的热稳定性,且密度又小,特别是聚苯胺的介电常数和电导率均可按需调整,此外,钛酸钡无机纳米粒子作为一种无机铁电体,在电场作用下具有自发极化的能力,一方面可以为体系提供高的介电常数,另一方面又可保证体系的绝缘性能。本研究工作将导电聚苯胺与钛酸钡纳米粒子进行复合,这样,既可充分利用聚苯胺的热稳定性,密度可调及介电可调等优点,又可充分利用具有高介电常数钛酸钡纳米粒子的绝缘性能,这种性能可以阻止粒子与粒子间的跃迁,降低电损耗,同时发挥其高介电性能,这样可增强悬浮粒子与基油的介电不匹配性,从而有望制备出高性能的电流变液。 本学位论文利用有机-无机纳米复合技术,制备了不同结构的聚苯胺/钛酸钡纳米复合粒子,对它们的结构,性能进行了一系列的探讨工作,同时对它们在电流变液方面的应用进行了系统的研究。 本学位论文在以下几个方面进行了重点和系统的研究。第一,用原位复合法及改性的溶胶—凝胶法制备了不同结构的聚苯胺-钛酸钡纳米复合粒子,研究了复合粒子的粒径,形貌以及聚苯胺与钛酸钡纳米粒子的相互作用关系;第二,研究了聚苯胺与钛酸钡纳米复合粒子的复合机理,研究并提出了 武汉理工大学博士学位论文 聚苯胺与钛酸钡纳米复合粒子的结构模型;第三,研究了聚苯胺与钛酸钡纳 米复合粒子的介电性,导电性,热稳定性及长期稳定性;第四,制备了由聚 苯胺与钛酸钡纳米复合粒子与氯化石腊油组成的电流变液,研究了电流变性 能,探讨了复合粒子的导电性,介电性与其电流变性能的关系;第五,比较 了不同结构的复合粒子的电流变性能的优缺点,为进一步设计和制备高性能 电流变液打下基础。 为了制备原位复合型的聚苯胺-钛酸钡纳米复合粒子,我们首先用溶胶一 凝胶法制备了不同粒径的钛酸钡纳米粒子,系统研究了所制备的无机纳米粒 于的形貌,结构以及其介电性与导电性与温度及频率的关系。研究结果表 明:钛酸钡纳米粉末在900℃处理时为最佳,随热处理温度的升高,粒径长 大,而其介电常数随着粒径长大,逐渐降低,在相同条件下,随温度的升 高,钛酸钡纳米粉末的介电常数在120℃出现最大值。其次,本文采用原位 复合技术制备了聚苯胺/钛酸钡纳米复合粒子。研究结果表明:复合粒子为不 很规则的球形,在室温下其平均粒径在1-Zpm之间,BaTIOs和PAn之间存在 化学键的连接,一个复合粒子中包含有许多个BaTIOa纳米粒子,在此基础 上我们提出了“蛋糕一花生米”模型。研究结果还表明:在P汕和 *。乃O3 纳米粒子的原位复合过程中,首先是An单体与BaTIO3纳米粒子相互作用, 由于钛酸钡权于的存在,苯胺单体首先吸附在钛酸钡粒子表面,当过硫酸铰 加入溶液中时,聚合过程首先在这些氧化物的表面进行,这导致了聚合物对 钛酸钡粒子的吸附及围绕钛酸钡粒子的受限生长。对于复合粒子的介电性能 而言,其介电常数随温度的升高出现最大值。 将所制备的原位复合型PAn-BaTIO。纳米复合粒子与氯化石腊油混合组 成电流变液,研究了它们的电流变性能,研究结果表明:对于原位复合型的 PA38’纳米复合粒子组成的电流变液,其电流变性能与复合粒子中钛酸 钡的百分含量有关,当复合粒子中的钛酸钡的百分含量为 48.ZI%时,复合 体系具有最佳的电流变性能;其电流变性能与复合粒子中钛酸钡的粒径大小 也有关,复合粒子中钛酸钡的粒径越小,其电流变性能越强。同时,我们发 现复合粒子组成的ER液具有较好的温度稳定性和抗沉降稳定性,可长期使 用。 一 二互 一 武汉理工大学博士学位论文 此外,在用化学氧化法制备聚苯胺的基础上,本文用改性的溶胶一凝 胶法制备了以聚苯胺为核,以钛酸钡为壳的具有核壳结构的聚苯胺/钛酸钡纳 米复合粒子,对这种材料的结构及合成机理作了一系列的探讨工作,包括钛 酸钡膜的溶胶一凝胶工艺制备,复合粒子表面微结构的控制及表征,表?


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