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新型无机/有机杂化电流变材料的制备及其性能研究

武莉萍  
【摘要】: 电流变液(Electrorheological Fluids,简称ERF)是一种由高介电常数和低电导率的固体颗粒分散于某些绝缘液体中形成的悬浮体系。在足够大的外加电场作用下,这类悬浮液的表观粘度在毫秒级的时间内急剧增大,同时伴随屈服应力、弹性模量显著增加,在极端情况下液体甚至发生固化;且这种变化是可逆的、连续无级的和可以控制的。电流变液在工程技术诸如减震器、离合器、控制阀、阻尼器等机电转换方面具有广阔的应用前景;近年来,又扩展到人工肌肉、印刷、光子晶体、触觉显示等新兴领域,正越来越受到各国科学家的重视。 在电流变液的广泛应用中,人们发现已有的电流变液材料在性能上很难满足工程上特殊功能的应用要求。复合分散相电流变液正是在这种情况下迅速发展起来的。所谓复合颗粒就是对一些固相颗粒进行表面改性或者包覆其他材料,使颗粒性能和表面性能有很大的差别。这类复合颗粒可以更方便地进行固相颗粒的性能裁剪设计从而得到更好性能的电流变液,包括调节颗粒本身的密度以改善稳定性,负载柔性链以调节粒子的表面硬度等。基于以上的设想,本文从以下几个方面进行了探讨,并取得了一定的预期成果。 1. PMMA/PBA/BaTiO_3复合ERF的制备及其电流变性能研究 将溶胶凝胶法和乳液聚合相结合,制备出PMMA/PBA/BaTiO_3复合材料。利用BaTiO_3的前驱体溶胶,在此基础上选用NaHSO_3-K_2S_2O8引发体系,用十二烷基磺酸钠(SDBS)作为乳化剂进行MMA和BA的乳液聚合,得到PMMA/PBA/BaTiO_3复合材料,直接在乳液中加入硅油通过减压蒸馏得到ERF。利用红外光谱(FT-IR)、热分析等手段对复合材料进行了表征,并用旋转流变仪测试了该复合ERF在稳态剪切和动态扫描下的力学响应特性。稳态剪切考察了电场强度、浓度对流变性的影响。结果表明:该ERF的电流变效应较好,剪切应力和表观粘度均随着电场的增强而变大,动态屈服应力也随着电场的增强而变大,同时剪切应力和表观粘度随固含量的变大而变大。 动态扫描考察了电场强度、应力、频率对粘弹性的影响,并测试了不同电场下的蠕变和蠕变回复。实验结果表明:该复合体系具有粘弹性,而且随着电场的增强,弹性逐渐占主导。 2. PAN/钛硅分子筛(TS-1)复合ERF的制备及电流变性能研究 选用NaHSO_3-K_2S_2O_8引发体系,通过原位聚合合成了PAN/钛硅分子筛(TS-1)复合材料。利用红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、热分析(DSC)、N_2吸附等手段对分子筛和其复合材料进行了表征。将复合材料经过研磨、过筛分散于甲基硅油中配成ERF,并用旋转流变仪测试了该复合ERF在稳态剪切流动和动态扫描下的力学响应特性。结果表明: (1)分子筛能吸附丙烯腈单体进入孔道内,且能使单体在NaHSO_3-K_2S_2O_8引发下在孔内发生聚合反应,聚合形成的分子链既存在于孔内又存在于孔外,并且通过分子链相贯穿,连接了孔内孔外的PAN,从而形成了TS-1/PAN复合材料; (2)该复合ERF的电流变效应较好,随着电场强度的增强,剪切应力变化明显,剪切稀化行为明显,模量随着场强的增强而变大,且弹性响应逐渐增强,证明由于电场所导致的链状结构随电场增强变得更加牢固。 (3)稳定性测试表明在分子筛基体上聚合得到的PAN/(TS-1)复合ERF稳定性有了较大的提高。 3. PAM/MCM复合ERF的制备及其电流变性能研究 稀土元素的外层电子结构基本相同,且具有特殊的4f电子层结构,能产生自旋极化作用,所以具有非常独特的光、磁、电和催化性能,从而使稀土材料具有非常广泛的应用。 选用AIBN作为引发剂,通过原位聚合合成了PAM /MCM复合材料,并采用羧酸稀土对复合材料进行改性得到PAM/MCM/RE复合材料,同时加入硅油直接减压蒸馏得到复合电流变液。利用红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、热分析(DSC)、N_2吸附等手段对分子筛和其复合材料进行了表征。利用旋转流变仪测试了复合ERF在稳态剪切流动和动态扫描下的力学响应特性。分别通过应力扫描、频率扫描和蠕变及蠕变回复讨论了应力、频率及电场对ERF的电流变效应的影响。 结果表明:通过原位聚合成功合成了PAM/MCM/RE复合材料,复合电流变流体属于假塑性流体。随着电场的增强,剪切应力和模量均增大,弹性响应增强,进一步证明了电场所导致的链状和柱状结构的形成。稳定性测试表明:该复合电流变液与以上两种电流变液相比,稳定性有了很大的提高。


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