CN101768503B

CN101768503B - 草酸氧钛电流变液及其制备方法

Info

Publication number: CN101768503B
Application number: CN 200810163796
Authority: CN
Inventors: 刘丰华; 许高杰; 吴敬华; 程昱川; 郭建军; 崔平
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2028-12-31
Also published as: CN101768503A

Abstract

本发明涉及到一种草酸氧钛电流变液及其制备方法。一种草酸氧钛电流变液，其特征在于：其是以纳米至微米尺寸的草酸氧钛颗粒作为分散相，均匀分散于硅油中形成的悬浮液体；并且，该悬浮液体中草酸氧钛颗粒的体积浓度为5～40％，其制备方法为先使用相同摩尔数的草酸和钛盐在有机醇溶剂中的化学沉淀反应制备草酸氧钛颗粒，然后将草酸氧钛颗粒与硅油均匀混合，得到草酸氧钛电流变液，本发明提供的草酸氧钛电流变液具有强电流变效应，当外加电场为5kV/mm时，其屈服应力达到120kPa，动态剪切应力可达40kPa，且具有电流密度小、无毒、无污染等众多优点，有很好的应用前景；并且所需的原材料容易获得，成本低廉，制备工艺简单，周期短。

Description

草酸氧钛电流变液及其制备方法

技术领域

本发明涉及到电流变液及其制备方法，具体指一种草酸氧钛电流变液及其制备方法。

背景技术

电流变液是一种自身粘度在外电场作用下能够显著变化的均匀悬浊液体，具有受控变化的品质，其屈服应力、弹性模量能够按照控制者的意志产生变化。其通常由具有高介电常数的固体微粒均匀分散在低介电常数的绝缘油中组成，在通常条件下其是一种悬浮液，它在电场的作用下可发生液体-固体的转变。当外加电场强度大大低于某个临界值时，电流变液呈液态；当电场强度大大高于这个临界值时，它就变成固态。在电场强度的临界值附近，电流变液的粘滞性随电场强度的增加而变大，介于亦液亦固的物态之间。

通常认为该变化是由于在电场作用下电流变液中分散的小颗粒被极化为电偶极子，这些偶极子之间产生强烈的静电吸引从而引起液体宏观粘度的变化。该过程中颗粒由无序的随机分布变为有序排列，通常形成一定的链状和柱状结构，该微观结构对电流变液的宏观力学性能有很大影响。固体微粒材料的性质决定了电流变液性能的好坏，是电流变液的关键组份。

电流变液在电场作用下软硬连续可调的奇特性质具有广泛和重要的应用价值，如离合器、制动器、阻尼***、减震器、无级变速器、阀门、机电耦合控制等。评价微粒材料的主要性能指标是能够提供的动态剪切应力的大小，动态剪应力大强度就高。此外，稳定性要高，导电率要小。绝缘液体通常有硅油、食油、矿物油，绝缘液体应具有较高的沸点，稳定性、抗腐蚀性好。目前已发现有多种电流变液可以产生电流变效用，但是现有的绝大部分电流变液的剪切强度低，一般不高于10kPa，无法达到工业应用水平，实现工程应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种具有高剪切强度、低电流密度的草酸氧钛电流变液，其结构稳定、无污染、无腐蚀、工业应用性好。

本发明所要解决的另一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种原料成本低、制备工艺简单、生产周期短的草酸氧钛电流变液的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：该草酸氧钛电流变液，其特征在于：其是以纳米至微米尺寸的草酸氧钛颗粒作为分散相，均匀分散于硅油中形成的悬浮液体；并且，该悬浮液体中草酸氧钛颗粒的体积浓度为5～40％。

较好的，所述硅油可以选自甲基硅油或羟基硅油。

上述草酸氧钛电流变液的制备方法，其原理为先使用相同摩尔数的草酸和钛盐在有机醇溶剂中的化学沉淀反应制备草酸氧钛颗粒，然后将草酸氧钛颗粒与硅油均匀混合，得到草酸氧钛电流变液。具体包括如下步骤：

①草酸氧钛颗粒的制备

将钛盐与有机醇溶剂以摩尔比为1∶20～70的比例混合均匀，控制溶液的PH值小于2，得到溶液A；较好的，所述的钛盐可选自钛酸四丁酯、四氯化钛、钛酸四乙酯或钛酸四异丙酯；PH值可通过滴加盐酸或硝酸来调节；

取与钛盐相同摩尔数的草酸溶解于有机醇中，配制成草酸溶液B；

将溶液A置于搅拌器中匀速搅拌，同时将溶液B滴入溶液A中；随着B的加入，沉淀逐渐形成；反应完全后，将生成的沉淀过滤，然后将沉淀烘干，得到纳米至微米尺寸分布的草酸氧钛颗粒；

②草酸氧钛电流变液的制备

将步骤①得到的草酸氧钛颗粒与硅油均匀混合，配制成草酸氧钛颗粒的体积浓度为5～40％的草酸氧钛电流变液，得到本发明的草酸氧钛电流变液。

较好的，所述硅油可以选自甲基硅油或羟基硅油。

本发明提供的草酸氧钛电流变液，是以相同摩尔数的草酸和钛盐在有机醇溶剂中沉淀反应制得的草酸氧钛与绝缘液体介质配制而成，其所需的原材料十分容易获得，成本低廉，制备工艺简单，周期短；所制得的草酸氧钛电流变液具有强电流变效应。当外加电场为5kV/mm时，其屈服应力达到120kPa，动态剪切应力可达40kPa，且具有电流密度小、无毒、无污染等众多优点，有很好的应用前景。

附图说明

图1：本发明实施例1中不同体积浓度的草酸氧钛电流变液的屈服应力与电场强度的关系；

图2：本发明实施例1中不同体积浓度的草酸氧钛电流变液的电流密度与电场强度的关系；

图3：本发明实施例1中30％体积浓度的草酸氧钛电流变液的剪切强度与剪切速率的关系；

图4：本发明实施例1中30％体积浓度的草酸氧钛电流变液的表观粘度与剪切速率的关系；

图5：本发明实施例1中草酸氧钛颗粒的XRD图谱；

图6：本发明实施例1中草酸氧钛颗粒的红外透射光谱图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

将17.4ml钛酸四丁酯与乙醇按摩尔比1∶50混合，搅拌均匀，然后滴加盐酸控制溶液的PH值为2.0，得到稳定溶液A；将与钛酸四丁酯相同摩尔数的草酸溶于乙醇中，配制成1mol/l的草酸乙醇溶液B；将溶液A置于搅拌机上搅拌，取50ml溶液B将其滴入溶液A中，逐渐形成沉淀；反应完全后，将生成的沉淀过滤后烘干，即得到纳米至微米尺寸分布的草酸氧钛颗粒。草酸氧钛颗粒的XRD图谱如图5所示，从图5可知，该草酸氧钛颗粒为无定形态；图6为该草酸氧钛颗粒的红外透射光谱图，由图6可以看出其羧基、羟基的特征吸收峰。

将该草酸氧钛颗粒与甲基硅油均匀混合，配制成草酸氧钛颗粒体积浓度为10％，20％和30％的草酸氧钛电流变液。该悬浮液的电流变性能用旋转流变仪的圆筒测量法测量，其屈服强度在控制应力模式条件下测量，其剪切强度在控制速率模式下测量。通过测量其屈服应力与电场强度的关系如图1所示，电流密度与电场强度的关系如图2所示。体积浓度为30％的草酸氧钛的电流变液的剪切强度与剪切速率的关系如图3所示，表观粘度与剪切速率的关系如图4所示。

实施例2

将5.5ml四氯化钛与异丙醇按摩尔比1∶40混合，搅拌均匀，然后滴加硝酸控制溶液的PH值为1.5，得到稳定溶液A；将与四氯化钛相同摩尔数的草酸溶于异丙醇中，配制成0.5mol/l草酸异丙醇溶液B；将溶液A置于搅拌机上搅拌，取100ml溶液B将其滴入溶液A中，逐渐形成沉淀；反应完全后，将生成的沉淀过滤后烘干，即得到所需要的纳米至微米尺寸分布的草酸氧钛颗粒。

将该草酸氧钛颗粒与羟基硅油均匀混合，配制成体积浓度为15％，20％和30％的草酸氧钛电流变液。当外加电场V＝4.0kV/mm时，15％的电流变液的屈服强度为16kPa，电流密度为8uA/cm²；20％的电流变液的屈服强度可达60kPa，电流密度为18uA/cm²；30％的电流变液的屈服强度可达84kPa，电流密度为25uA/cm²。

实施例3

将17.4ml钛酸四丁酯与丙醇按摩尔比1∶30混合，搅拌均匀，然后滴加盐酸或硝酸控制溶液的PH值为1.0，得到稳定溶液A；将与钛酸四丁酯相同摩尔数的草酸溶于丙醇中，配制成0.5mol/l草酸丙醇溶液B；将溶液A置于搅拌机上搅拌，取100ml溶液B将其滴入溶液A中，逐渐形成沉淀；反应完全后将生成的沉淀过滤后烘干，即得到所需要的纳米至微米尺寸分布的草酸氧钛颗粒。

将该草酸氧钛颗粒与甲基硅油均匀混合，配制成体积浓度为10％，20％和30％的本发明的草酸氧钛电流变液。当外加电场V＝5.0kV/mm时，10％的电流变液的屈服强度为10kPa，剪切强度为5kPa，电流密度为8uA/cm²；20％的电流变液的屈服强度可达68kPa，剪切强度为20kPa，电流密度为15uA/cm²；30％的电流变液的屈服强度可达96kPa，剪切强度为32kPa，电流密度为20uA/cm²。

实施例4

将5.5ml四氯化钛与甲醇按摩尔比1∶60混合，搅拌均匀，然后滴加盐酸或硝酸控制溶液的PH值为1.5，得到稳定溶液A；将与四氯化钛相同摩尔数的草酸溶于甲醇中，配制成2mol/l草酸甲醇溶液B；将溶液A置于搅拌机上搅拌，取25ml溶液B将其滴入溶液A中，逐渐形成沉淀；反应完全后，将生成的沉淀过滤后烘干，即得到所需要的纳米至微米尺寸分布的草酸氧钛颗粒。

将该草酸氧钛颗粒与甲基硅油均匀混合，配制成体积浓度为15％，25％和35％的草酸氧钛电流变液。当外加电场V＝4.0kV/mm时，15％的电流变液的屈服强度为16kPa，剪切强度为7kPa，电流密度为8uA/cm²；20％的电流变液的屈服强度可达70kPa，剪切强度为25kPa，电流密度为18uA/cm²；30％的电流变液的屈服强度可达90kPa，剪切强度为35kPa，电流密度为25uA/cm²。

实施例5

将10.3ml钛酸四乙酯与正丁醇按摩尔比1∶30混合，搅拌均匀，然后滴加盐酸控制溶液的PH值为0.5，得到稳定溶液A；将与钛酸四乙酯相同摩尔数的草酸溶于正丁醇中，配制成0.5mol/l草酸正丁醇溶液B；将溶液A置于搅拌机上搅拌，取100ml溶液B将其滴入溶液A中，逐渐形成沉淀；反应完全后，将生成的沉淀过滤后烘干，即得到所需要的纳米至微米尺寸分布的草酸氧钛颗粒。将该草酸氧钛颗粒与羟基硅油均匀混合，配制成体积浓度为40％的草酸氧钛电流变液。当外加电场V＝4.0kV/mm时，电流变液的屈服强度可达120kPa，剪切强度为34kPa，电流密度为30uA/cm²。

实施例6

将14.8ml钛酸四异丙酯与乙醇按摩尔比1∶45混合，搅拌均匀，然后滴加盐酸或硝酸控制溶液的PH值为0，得到稳定溶液A；将与钛酸四异丙酯相同摩尔数的草酸溶于异丙醇中，配制成lmol/l草酸异丙醇溶液B；将溶液A置于搅拌机上搅拌，取50ml溶液B将其滴入溶液A中，逐渐形成沉淀；反应完全后，将生成的沉淀过滤后烘干，即得到所需要的纳米至微米尺寸分布的草酸氧钛颗粒。将该草酸氧钛颗粒与甲基硅油均匀混合，配制成体积浓度为45％的本发明的草酸氧钛电流变液。当外加电场V＝4.0kV/mm时，电流变液的屈服强度可达125kPa，剪切强度为36kPa，电流密度为35uA/cm²。

Claims

1.一种草酸氧钛电流变液，其特征在于：其是以纳米至微米尺寸的草酸氧钛颗粒作为分散相，均匀分散于硅油中形成的悬浮液体；并且，该悬浮液体中草酸氧钛颗粒的体积浓度为5～40％；

该草酸氧钛电流变液的制备方法包括如下步骤：

①草酸氧钛颗粒的制备

将钛酸四丁酯、四氯化钛、钛酸四乙酯或钛酸四异丙酯与有机醇溶剂以摩尔比为1∶20～70的比例混合均匀，控制溶液的pH值小于等于2，得到溶液A；

取与钛酸四丁酯、四氯化钛、钛酸四乙酯或钛酸四异丙酯相同摩尔数的草酸溶解于有机醇中，配制成草酸溶液B；

②草酸氧钛电流变液的制备

将步骤①得到的草酸氧钛颗粒与硅油均匀混合，配制成草酸氧钛颗粒的体积浓度为5～40％的草酸氧钛电流变液。

2.根据权利要求1所述的草酸氧钛电流变液，其特征在于：所述硅油为甲基硅油或羟基硅油。

3.根据权利要求1所述的草酸氧钛电流变液，其特征在于：步骤①中通过加入盐酸或硝酸来控制溶液的pH值小于等于2。