專利名稱：一種摻質(zhì)二氧化鈦電流變液及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電流變液材料及其制備方法，具體地說是涉及一種摻質(zhì)二氧化鈦電流變液材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
電流變液是由納米至微米尺度的介電顆粒與絕緣液體混合而成的復(fù)雜流體。其“電流變效應(yīng)”是指其流體的粘度隨外電場發(fā)生改變。在沒有外電場作用時，電流變液通常呈液體狀態(tài)，其粘度與油差不多。當(dāng)外電場作用于電流變液時，其表觀粘度隨外場的增加而變大。當(dāng)外電場足夠大時(大于1000V/mm)，電流變液可轉(zhuǎn)變?yōu)閺姸瓤梢耘c一般固體相比較的類固態(tài)物質(zhì)，其剪切強度隨電場強度而增大。這種“液-固”轉(zhuǎn)變是可逆的，其轉(zhuǎn)變時間一般在毫秒量級。是獨一無二的軟硬程度可調(diào)節(jié)的智能材料，因而具有廣泛和重要的應(yīng)用價值?？梢杂糜陔x合器、減震器、制動器、機電耦合控制等。美國能源部在1992年5月《電流變液評估報告》中認為“電流變液將使工業(yè)和技術(shù)的若干部門出現(xiàn)革命性的變革”。盡管電流變效應(yīng)50年前就被發(fā)現(xiàn)，上世紀80年代后又掀起研究熱潮，但電流變液沒有得到普遍應(yīng)用，這主要是由于電流變液剪切強度低，只能達到10千帕左右，不能滿足工程應(yīng)用的要求。
如在中國專利申請99115944.6，00105602.6，00113752.2，02114516.4，02114691.8中所公開的，我國在二氧化鈦電流變液方面已開展了大量的工作。但是用這些方法制得的二氧化鈦或包覆二氧化鈦與甲基硅油配制的電流變液，剪切強度太低，在3000V/mm電場作用下其剪切強度＜10kPa，仍不能滿足工程應(yīng)用的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的二氧化鈦電流變液剪切強度太低，不能滿足工程應(yīng)用要求的缺陷，從而提供一種剪切強度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電流密度小、無污染，且材料成本低、制備工藝簡單的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述摻質(zhì)二氧化鈦電流變液的制備方法。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明提供的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液，其分散相為微米至納米尺寸的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒，分散介質(zhì)為甲基硅油，分散相與分散介質(zhì)的體積比為5～50％。
所述的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒為使用溶膠-凝膠反應(yīng)制備的、按摻質(zhì)量1～30wt％摻雜了酰胺類極性化合物的二氧化鈦顆粒；所述的酰胺類極性化合物為選自甲酰胺、乙酰胺、硫代氨基脲、硫卡巴肼、脲、硫脲、或其衍生物中的一種或幾種的混合物。
所述的甲基硅油的粘度為5～500mm2/s。
本發(fā)明提供一種上述摻質(zhì)二氧化鈦電流變液的制備方法，其為先使用溶膠-凝膠反應(yīng)制備摻質(zhì)二氧化鈦顆粒，再與甲基硅油混合均勻，具體包括如下步驟1)三種組份的制備將鈦醇鹽與無水乙醇按摩爾比1∶20～25混合，滴加鹽酸或硝酸調(diào)節(jié)溶液的pH值為2～3，攪拌混合均勻，得到第一組份；所述的鈦醇鹽為鈦酸四丁酯、鈦酸四乙酯、或鈦酸四異丙酯；將去離子水和無水乙醇按摩爾比1∶2～3混合均勻，得到第二組份；第二組份中還可加入二乙醇胺來調(diào)節(jié)鈦醇鹽的水解反應(yīng)和縮合反應(yīng)速率，二乙醇胺與鈦醇鹽的摩爾比為1∶8～10。
將酰胺類極性化合物溶于去離子水中，配制成8～30mol/l水溶液，得到第三組份；所述的酰胺類極性化合物為選自甲酰胺、乙酰胺、硫代氨基脲、硫卡巴肼、脲、硫脲、或其衍生物中的一種或幾種的混合物。
2)三組份混合將第二組份在磁力攪拌下或超聲條件下加入第一組份后，加入第三組份，加入后繼續(xù)攪拌或超聲直到形成凝膠，然后在室溫陳化5～100小時使凝膠老化；三種組份的混合體積比為第一組份∶第二組份∶第三組份＝20～25∶18～25∶1；3)制備摻質(zhì)二氧化鈦顆粒將步驟2)經(jīng)陳化的凝膠在20～120℃真空干燥8～48小時，得到的產(chǎn)物用去離子水和乙醇洗滌多次，控制去離子水和乙醇的量及洗滌次數(shù)使摻質(zhì)量為1～30wt％。離心分離后得到的粉體在空氣中于50℃干燥48小時以上，再在120℃干燥3小時，即得到微米至納米尺寸的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒；4)制備電流變液將步驟3)得到的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒與粘度為5～500mm2/s的甲基硅油按體積比5～50％混合均勻，得到本發(fā)明的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液。
本發(fā)明提供的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液，是采用溶膠-凝膠法，通過在二氧化鈦中摻質(zhì)強極性的酰胺類或其衍生物分子，形成微米或納米尺度的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒，再與甲基硅油配制而成，其有效提高了二氧化鈦的電流變液屈服強度，摻質(zhì)TiO2與甲基硅油按體積分數(shù)配制成30％電流變液，外加電場3000V/mm時，屈服強度可達160kPa以上。而且本發(fā)明提供的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電流密度小，不易沉降，無污染，材料的成本低，制備工藝簡單，產(chǎn)率高。
具體實施例方式
實施例1、將鈦酸四丁酯與無水乙醇按摩爾比1∶20混合，加入鹽酸調(diào)節(jié)溶液的pH值到2，攪拌混合均勻，得到第一組份；將去離子水和無水乙醇按摩爾比1∶2混合均勻，得到第二組份；根據(jù)摻質(zhì)量不同，將乙酰胺、硫代氨基脲、脲、硫脲溶于去離子水中，配制成8～30mol/l的水溶液，得到第三組份。將第二組份在攪拌下加入第一組份后，加入第三組份，三種組份加入量按體積比20∶20∶1。加入完畢后繼續(xù)攪拌直到形成無色透明的凝膠，然后在室溫陳化24小時。
將此經(jīng)陳化的凝膠在100℃真空干燥12小時，得到粉末，用去離子水和乙醇洗滌多次，直至二氧化鈦顆粒中酰胺類極性化合物的摻質(zhì)量為1～30wt％，離心分離后得到的粉體在箱式爐中于50℃干燥48小時以上，再在120℃干燥3小時，即得到微米至納米尺度的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒。
將該摻質(zhì)二氧化鈦顆粒與10mm2/S甲基硅油按體積比30％混合均勻，得到本發(fā)明的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液。在外加電場3kV/mm條件下不同摻質(zhì)量二氧化鈦電流變液的屈服強度和電流密度如表1所示。
表1用鈦酸四丁酯制備摻質(zhì)二氧化鈦電流變液性能指標(體積分數(shù)30％)

實施例2、將鈦酸四乙酯與無水乙醇按摩爾比1∶25混合，加入硝酸調(diào)節(jié)溶液的pH值到2，攪拌混合均勻，得到第一組份；將去離子水和無水乙醇按摩爾比1∶3混合均勻，得到第二組份；根據(jù)摻質(zhì)量不同，將乙酰胺、硫代氨基脲、脲、硫脲溶于去離子水中，配制成8～30mol/l的水溶液，得到第三組份。將第二組份在攪拌下加入第一組份后，加入第三組份，三種組份加入量按體積比25∶25∶1。加入完畢后繼續(xù)攪拌直到形成無色透明的凝膠，然后在室溫陳化48小時。
將此經(jīng)陳化的凝膠在120℃真空干燥8小時，得到粉末，用去離子水和乙醇洗滌多次，直至二氧化鈦顆粒中酰胺類極性化合物的摻質(zhì)量為1～30wt％，離心分離后得到的粉體在箱式爐中于50℃干燥48小時以上，再在120℃干燥3小時，即得到微米～納米尺度的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒。
將該摻質(zhì)二氧化鈦顆粒與50mm2/s甲基硅油按體積比30％混合均勻，得到本發(fā)明的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液。在外加電場3kV/mm條件下不同摻質(zhì)量二氧化鈦電流變液的屈服強度和電流密度如表1所示。
表2用鈦酸四乙酯制備摻質(zhì)二氧化鈦電流變液性能指標(體積分數(shù)30％)

實施例3、將鈦酸四異丙酯與無水乙醇按摩爾比1∶23混合，加入鹽酸調(diào)節(jié)溶液的pH值到2.5，攪拌混合均勻，得到第一組份；將去離子水和無水乙醇按摩爾比1∶3混合均勻，并加入二乙醇胺來調(diào)節(jié)鈦酸四異丙酯的水解反應(yīng)和縮合反應(yīng)的速率，所加入的二乙醇胺與鈦酸四異丙酯的摩爾比為1∶9，混合均勻，得到第二組份；根據(jù)摻質(zhì)量不同，將乙酰胺、硫代氨基脲、脲、硫脲溶于去離子水中，配制成8～30mol/l的水溶液，得到第三組份。將第二組份在攪拌下加入第一組份后，加入第三組份，三種組份加入量按體積比20∶18∶1。加入完畢后繼續(xù)攪拌直到形成無色透明的凝膠，然后在室溫陳化48小時。
將此經(jīng)陳化的凝膠在20℃真空干燥48小時，得到粉末，用去離子水和乙醇洗滌多次，直至二氧化鈦顆粒中酰胺類極性化合物的摻質(zhì)量為1～30wt％，離心分離后得到的粉體在箱式爐中于50℃干燥48小時以上，再在120℃干燥3小時，即得到微米～納米尺度的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒。
將該摻質(zhì)二氧化鈦顆粒與50mm2/s甲基硅油按體積比30％混合均勻，得到本發(fā)明的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液。在外加電場3kV/mm條件下不同摻質(zhì)量二氧化鈦電流變液的屈服強度和電流密度如表3所示。
表3用鈦酸四異丙酯制備摻質(zhì)二氧化鈦電流變液性能指標(體積分數(shù)30％)

由表1、表2和表3的結(jié)果可以看出，本發(fā)明提供的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液，通過在二氧化鈦摻質(zhì)強極性的酰胺類或其衍生物分子，形成微米或納米尺度的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒，有效提高了二氧化鈦的電流變液屈服強度，且該電流變液結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電流密度小，不易沉降，無污染，材料的成本低，制備工藝簡單，產(chǎn)率高。
權(quán)利要求
1.一種摻質(zhì)二氧化鈦電流變液，其分散相為微米至納米尺寸的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒，分散介質(zhì)為甲基硅油，分散相與分散介質(zhì)的體積比為5～50％。
2.如權(quán)利要求1所述的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液，其特征在于，所述的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒為使用溶膠—凝膠反應(yīng)制備的、按摻質(zhì)量1～30wt％摻雜了酰胺類極性化合物的二氧化鈦顆粒。
3.如權(quán)利要求2所述的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液，其特征在于，所述的酰胺類極性化合物為選自甲酰胺、乙酰胺、硫代氨基脲、硫卡巴肼、脲、硫脲、或其衍生物中的一種或幾種的混合物。
4.如權(quán)利要求1所述的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液，其特征在于，所述的甲基硅油的粘度為5～500mm2/S。
5.一種權(quán)利要求1所述的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液的制備方法，其為先使用溶膠—凝膠反應(yīng)制備摻質(zhì)二氧化鈦顆粒，再與甲基硅油混合均勻，具體包括如下步驟1)三種組份的制備將鈦醇鹽與無水乙醇按摩爾比1∶20～25混合，滴加鹽酸或硝酸調(diào)節(jié)溶液的pH值為2～3，攪拌混合均勻，得到第一組份；將去離子水和無水乙醇按摩爾比1∶2～3混合均勻，得到第二組份；將酰胺類極性化合物溶于去離子水中，配制成8～30mol/l水溶液，得到第三組份；2)三組份混合將第二組份在磁力攪拌下或超聲條件下加入第一組份后，加入第三組份，加入后繼續(xù)攪拌或超聲直到形成凝膠，然后在室溫陳化5～100小時；三種組份的混合體積比為第一組份∶第二組份∶第三組份＝20～25∶18～25∶1；3)制備摻質(zhì)二氧化鈦顆粒將步驟2)經(jīng)陳化的凝膠在20～120℃真空干燥8～12小時，得到的產(chǎn)物用去離子水和乙醇洗滌多次直至二氧化鈦顆粒的摻質(zhì)量為1～30wt％，離心分離后得到的粉體在空氣中于50℃干燥48小時以上，再在120℃干燥3小時，得到微米至納米尺寸的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒；4)制備電流變液將步驟3)得到的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒與甲基硅油按體積比5～50％混合均勻，得到本發(fā)明的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液。
6.如權(quán)利要求5所述的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液的制備方法，其特征在于，所述步驟1)的鈦醇鹽為鈦酸四丁酯、鈦酸四乙酯、或鈦酸四異丙酯。
7.如權(quán)利要求5所述的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液的制備方法，其特征在于，所述步驟1)的第二組份還可包括與鈦醇鹽摩爾比為1∶8～10的二乙醇胺，以調(diào)節(jié)鈦醇鹽的水解反應(yīng)和縮合反應(yīng)速率。
8.如權(quán)利要求5所述的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液的制備方法，其特征在于，所述步驟1)的酰胺類極性化合物為選自甲酰胺、乙酰胺、硫代氨基脲、硫卡巴肼、脲、硫脲、或其衍生物中的一種或幾種的混合物。
9.如權(quán)利要求5所述的摻質(zhì)二氧化鈦電流變液的制備方法，其特征在于，所述步驟3)的甲基硅油的粘度為5～500mm2/s。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種摻質(zhì)二氧化鈦電流變液，其分散相為微米至納米尺寸的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒，分散介質(zhì)為甲基硅油，分散相與分散介質(zhì)的體積比為5～50％。其制備方法為先使用溶膠－凝膠反應(yīng)制備摻質(zhì)二氧化鈦顆粒，按摻質(zhì)量1～30wt％摻雜酰胺類極性化合物，所述的酰胺類極性化合物為選自甲酰胺、乙酰胺、硫代氨基脲、硫卡巴肼、脲、硫脲、或其衍生物中的一種或幾種的混合物；然后再與甲基硅油混合均勻而得。該摻質(zhì)二氧化鈦電流變液通過在二氧化鈦摻質(zhì)強極性的酰胺類分子，形成微米或納米尺度的摻質(zhì)二氧化鈦顆粒，有效提高了二氧化鈦的電流變液屈服強度，而且該電流變液的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電流密度小，不易沉降，無污染，材料的成本低，制備工藝簡單，產(chǎn)率高。
文檔編號C10M107/00GK1944606SQ20061011279
公開日2007年4月11日 申請日期2006年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月1日
發(fā)明者沈容, 陸坤權(quán), 王學(xué)昭, 王志勇, 牛小娟 申請人:中國科學(xué)院物理研究所