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聚苯胺复合纳米粒子电流变液的制备及性能研究

武锐  
【摘要】: 电流变液在外加电场作用下,其表观粘度在毫秒的时间内急剧增大,剪切强度和弹性模量增加显著。材料性能可由外加电场连续调控,随外加场强增加,材料的强度增加,当外电场撤除后材料迅速恢复到原来的状态。电流变液在工程技术如减震器、控制阀等领域有广阔的应用前景。但是由于电流变材料综合性能的不足,如剪切强度低、易沉降等因素,严重地制约了电流变技术的工业化应用,复合纳米颗粒电流变液在这种情况下迅速发展。根据介电极化理论,从电流变液材料物理设计参数出发,制备不同形貌的无机纳米颗粒,并以极性有机物对颗粒进行表面改性。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。本文以长棒状二氧化钛、颗粒状钛酸钡、孔道机构分子筛无机纳米颗粒为基体,通过聚苯胺对其进行表面改性包覆,一方面调解颗粒形貌和自身密度以改善稳定性,另一方面发挥颗粒的高介电性能,这样可增强悬浮粒子与硅油的介电不匹配性,从而有望制备出高性能的电流变液。 一、PANI/TiO2复合电流变液的制备及其电流变性能研究 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级颗粒,成为电流变材料的研究热点。利用水热法和溶液聚合制备出纳米级棒状TiO2及PANI/TiO2复合材料。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,并用旋转流变仪测试了电流变液在稳态剪切和动态扫描下的力学响应特性。结果表明,TiO2与PANI通过化学键相连接,TiO2纳米颗粒的形貌为长棒状,TiO2电流变液的屈服应力为300Pa, PANI/TiO2电流变液的屈服应力与其相比提高了一倍,漏电电流大大降低,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,剪切应力和表观粘度相应增大。动态扫描考察了应力、频率、电场强度对材料粘弹性的影响。 二、PANI/BaTiO3复合电流变液的制备及其电流变性能研究 通过溶胶-凝胶法制备了钛酸钡纳米粒子,采用原位复合技术制备了聚苯胺/钛酸钡纳米复合粒子。用FT-IR、XRD、SEM等方法对复合颗粒进行表征,用旋转流变仪测试该复合电流变液在稳态剪切和动态扫描下的力学特性。结果表明,BaTiO3纳米颗粒为无规球形,PANI/BaTiO3的X射线衍射图谱仍有BaTiO3的晶型结构。BaTiO3颗粒的电流变效应微弱,屈服应力仅有85Pa。复合颗粒电流变液具有较高的介电常数,其屈服应力与BaTiO3电流变液相比提高了一个数量级且绝缘性能良好,剪切应力随着电场强度的增加而增大,剪切稀化现象显著,储能模量为体系中主导且随着外加电场强度增强而增大。将复合粒子与氨基硅油以氢键作用,100h后仅沉降10%,有效改善了体系的沉降稳定性。 三、PANI/MCM-41复合电流变液的制备及其减振器应用研究 选用水热合成法,合成了MCM-41介孔分子筛。利用MCM-41介孔分子筛单分散孔道特性作为‘纳米反应器’,在其孔道内合成酸掺杂的聚苯胺,以经碱处理反掺杂态PANI/MCM-41粒子作为分散粒子,硅油作为分散介质组成电流变流体。借助XRD、FT-IR、FSEM方法分析粒子的形貌、结构。研究了其电流变效应及其影响因素,如电场强度、剪切速率等。实验表明:MCM-41有独特的指纹状和长程孔道结构。MCM-41电流变液的屈服应力为240Pa。PANI/MCM-41电流变液随着电场强度的增大电流变效应明显,最高屈服应力达4000Pa,在70℃时漏电电流为0.13mA。制备的电流变液应用于汽车减震器仿真实验中,并测量了其减振效果。


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