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纳米二氧化钛接枝聚硅氧烷电流变液的制备及性能研究

肖春燕  
【摘要】: 电流变液是一种高介电常数、低电导率的固体颗粒分散于低介电常数的基础液中的一种悬浮体系。在电场的作用下,其表观粘度、剪切强度、粘弹性模量等能在毫秒级内迅速发生变化,直至发生牛顿流体向类固态转变的过程,同时这种变化还是可逆的、连续的和可控制的。正是由于这些优异的性能,电流变液在工程机械领域具有广泛应用的前景。然而,这样的悬浮体系易发生相分离,导致其性能指标不能完全满足工程应用的要求。因此,提高多相电流变液的抗沉降稳定性成为研究的焦点问题,近年来的研究主要集中在:将固体颗粒制成纳米尺度、对纳米固体颗粒进行表面修饰及高分子壳层包裹,或者是在电流变液的悬浮体系中添加表面活性剂等。 纳米二氧化钛(TiO2)因其具有较高的介电常数且容易合成而成为纳米电流变材料的研究热点。因此,本文以纳米TiO2为基材,并对其进行稀土掺杂、表面修饰等改性,以期制备出高稳定性和高响应性的电流变液,主要从事了以下三个方面工作: 一、纳米TiO2电流变液的制备与性能研究 利用溶胶-凝胶结合水热法成功的制备了锐钛型的纳米TiO2,并通过傅利叶变换红外(FT-IR)、X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)等对纳米TiO2进行了表征。主要研究了溶液pH值、钛酸四丁酯浓度、水热反应时间及反应温度等条件对TiO2纳米粒子的形貌、结晶状态等的影响,结果表明,溶液pH值、钛酸四丁酯浓度、水热反应温度、反应时间等因素几乎不影响纳米TiO2锐钛矿的晶型结构,只有当溶液的pH值为1时出现了板钛矿的晶型;随着溶液pH值的减小、水热反应时间的延长以及反应温度的升高,TiO2晶粒尺寸变大,而钛酸四丁酯浓度几乎不影响TiO2晶粒的尺寸。在此基础上通过旋转流变仪测试了电流变液的电流变性能,并采用极化理论解释了固体颗粒链结构的形成机理;同时还讨论了电场强度和固体颗粒浓度对电流变性能的影响,结果表明,TiO2电流变液的剪切应力和剪切粘度均随着电场强度的增强而增大,且整个体系呈现剪切稀化的现象;随着固体颗粒浓度的增大,剪切应力随电场强度的变化显著,依赖性增强。 二、稀土掺杂TiO2纳米电流变液的制备与性能研究 采用稀土离子对纳米TiO2进行掺杂改性,通过FT-IR、XRD、TEM等对稀土掺杂TiO2纳米颗粒进行表征,并进一步研究了稀土离子的种类和含量对TiO2的晶型和形貌的影响。结果表明,稀土离子的掺入虽然使得TiO2的(101)晶面衍射峰向2θ小角度方向移动,但是这并没有改变TiO2的锐钛矿晶型;同时,稀土离子掺杂导致了TiO2发生晶胞膨胀和晶格畸变,对TiO2晶粒的生长有明显的抑制作用。通过旋转流变仪测试了稀土离子掺杂TiO2纳米电流变液的动态电流变响应,结果发现其线性粘弹区随着电场强度的增加而增长,同时其储能模量和损耗模量也相应的增加;同时,掺杂的稀土离子的种类以及浓度显著影响了电流变液的电流变性能,其中钐离子(Sm3+)浓度为0.05时其动态电流变响应最强。 三、新型接枝电流变液的制备与性能研究 利用硅烷偶联剂KH-570对纳米TiO2以及稀土离子掺杂TiO2进行表面修饰,使其带有乙烯基有机碳链,能够进一步与乙烯基低聚硅氧烷基础液发生一定程度的接枝反应,并通过FT-IR、XRD、TEM等对修饰的纳米固体颗粒进行了表征。研究发现这种接枝电流变液具有优异的抗沉降稳定性,这是因为其体系内部形成了缠结三维网络结构;在电场的作用下,由于固体颗粒的定向排列使得这种缠结三维网络结构更加规整,有效地提高了电流变效应;掺杂了稀土的接枝电流变液具有更高的电流变效应。


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