本發(fā)明涉及一種電流變液及其制備方法，具體涉及一種花狀TiO₂納米顆粒電流變液及其制備方法。

背景技術(shù)：

電流變液(Electrorheological Fluids)是一種對(duì)電場(chǎng)快速響應(yīng)的智能材料，通常是由高介電常數(shù)的微小顆粒分散在低介電常數(shù)的絕緣液體中形成的懸浮體系。這類材料在外加電場(chǎng)的作用下，在兩平行電極之間，構(gòu)造成鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu)，因此材料的流變性能包括剪切應(yīng)力，彈性模量，剪切粘度等都會(huì)發(fā)生從液體到類固體的轉(zhuǎn)變，其粘度和剪切強(qiáng)度會(huì)快速提高，具有快速可逆的特點(diǎn)。電流變材料因?yàn)槟芎牡停芸刈兓钠焚|(zhì)使其在減振、機(jī)械傳動(dòng)、自控、機(jī)電一體化、微驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

電流變液的可逆流變性能主要來自分散相材料，目前用于電流變液分散相的材料各種各樣，主要有極性半導(dǎo)體無機(jī)物材料，比如TiO₂,SiO₂,BaTiO₃；導(dǎo)電聚合物材料，比如PANI,PPy,這些顆粒在電場(chǎng)作用下沿著電場(chǎng)方向發(fā)生取向，形成鏈狀結(jié)構(gòu)。在眾多材料中納米TiO₂被認(rèn)為是一種極具潛力的電流變分散相材料，具有很多優(yōu)良性質(zhì)，比如高的介電常數(shù)，制備方法簡(jiǎn)便多樣，原料無毒環(huán)保。但是TiO₂作為半導(dǎo)體，電導(dǎo)率較低，電場(chǎng)作用下極化響應(yīng)不強(qiáng)，所以前人多采用摻雜和介孔等方法來提高其電流變特性。眾所周知，分散相納米粒子的表面形貌的改變對(duì)于電流變性能存在很大影響，多級(jí)結(jié)構(gòu)的TiO₂納米粒子展現(xiàn)出較高的比表面，對(duì)提高粒子間的界面極化，進(jìn)而提高電流變效率起著很大的作用。

本發(fā)明的目的是提供一種花狀TiO₂納米顆粒電流變液，其分散相是花狀TiO₂納米顆粒，連續(xù)相為二甲基硅油?；頣iO₂納米顆粒形貌獨(dú)特，形貌較類似于菊花，表面由密集的納米尖刺狀結(jié)構(gòu)組成，花狀顆粒的表面直徑約為1～2μm。而刺狀結(jié)構(gòu)呈尖錐狀，長(zhǎng)度在100-200納米之間，直徑為10-20納米，刺狀結(jié)構(gòu)呈放射狀均勻分布在顆粒表面。

本發(fā)明的目的還在于提供一種溶劑熱法制備花狀TiO₂納米顆粒的方法，制備過程屬于無模板制備，未添加任何表面活性劑，制備工藝簡(jiǎn)單，原料易得，以該材料與甲基硅油所配成的電流變液具有一些優(yōu)異的特性，包括極強(qiáng)的電流變效應(yīng)、很好的抗沉淀穩(wěn)定性、電流密度低、化學(xué)穩(wěn)定性好。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明所制備電流變液，其分散相是花狀TiO₂納米顆粒，連續(xù)相為二甲基硅油。上述電流變液的制備工藝包括以下步驟：

(1)在70-80mL冰乙酸中加入1-2mL鈦酸四丁酯，然后將溶液攪拌10min至溶液呈乳白色，然后將溶液放入水熱釜中180-200℃加熱1-5h，自然冷卻后用無水乙醇洗滌三次，然后離心得到花狀TiO₂納米顆粒，放入烘箱中60-80℃烘干后得到固體粉末；

(2)將烘干的固體粉末放置管式爐中，在空氣氣氛下500℃煅燒2h；

(3)將煅燒后樣品與二甲基硅油按固體顆粒與硅油的重量比10wt％配制成電流變液。

附圖說明

圖1 180℃水熱3h制備的花狀TiO₂納米顆粒SEM照片

圖2 180℃水熱3h制備的花狀TiO₂納米顆粒TEM照片

圖3 180℃溶劑熱法制備TiO₂納米顆粒XRD圖譜

圖4 180℃水熱3h制備的花狀TiO₂納米顆粒FTIR圖譜

圖5 180℃水熱3h制備的花狀TiO₂納米顆粒TG-DSC曲線

圖6 180℃水熱3h制備的花狀TiO₂納米顆粒電流變性能圖

圖7 180℃水熱1.5h制備的花狀TiO₂納米顆粒SEM照片

圖8 180℃水熱1.5h制備的花狀TiO₂納米顆粒TEM照片

圖9 180℃水熱1.5h制備的花狀TiO₂納米顆粒電流變性能圖

圖10 180℃水熱6h制備的花狀TiO₂納米顆粒SEM照片

圖11 180℃水熱6h制備的花狀TiO₂納米顆粒電流變性能圖

圖12 180℃水熱24h制備的紡錘體TiO₂納米顆粒SEM照片

圖13 180℃水熱24h制備的紡錘體TiO₂納米顆粒電流變性能圖

圖14 150℃水熱3h制備的纖維狀TiO₂納米顆粒SEM照片

圖15 150℃水熱3h制備的纖維狀TiO₂納米顆粒電流變性能圖

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一(180℃水熱3h制備的花狀TiO₂納米顆粒)：

在75mL冰乙酸中加入1.5mL鈦酸四丁酯，然后將溶液攪拌10min至溶液呈乳白色，然后將該溶液放入水熱釜中180℃加熱3h，自然冷卻后用無水乙醇洗滌三次，然后離心得到花狀TiO₂納米顆粒，放入烘箱中70℃下烘干得到固體粉末；將烘干的固體粉末放置管式爐中，在空氣氣氛下500℃煅燒2h；將該煅燒樣品與二甲基硅油按固體顆粒與硅油的重量比10wt％配制成電流變液。

圖1和圖2分別是180℃水熱3h制備的花狀TiO₂納米顆粒SEM和TEM照片，從圖中可以看出花狀顆粒的形貌較類似于菊花，表面由密集的尖刺狀結(jié)構(gòu)組成，花狀顆粒的表面直徑約為1～2μm。圖3是180℃水熱3h制備的花狀TiO₂納米顆粒的XRD圖，通過與標(biāo)準(zhǔn)銳鈦礦型氧化鈦卡片PDF^#21-1272對(duì)比可知25.37°對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)為(101)，37.03°對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)為(103)，48.12°對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)為(200)，55.10°所對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)為(211)，62.74°對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)為(204)，表明經(jīng)過燒結(jié)的氧化鈦晶型是銳鈦礦型，結(jié)晶性較好。圖4是180℃水熱3h制備的花狀TiO₂納米顆粒的FTIR圖，3400cm^-1左右對(duì)應(yīng)氧化鈦表面O-H的伸縮振動(dòng)峰，500-800cm^-1之間出現(xiàn)O-Ti伸縮峰。圖5是180℃水熱3h制備的花狀TiO₂納米顆粒的TG-DSC曲線圖，由圖中可以看出，DSC曲線在320-420℃之間出現(xiàn)明顯吸熱峰，這個(gè)吸熱峰對(duì)應(yīng)氧化鈦從無定形到銳鈦礦晶型的轉(zhuǎn)變。從TG曲線可以看出，從300℃以前，曲線一直下滑，可能是一些吸附在顆粒表面的有機(jī)物分解。圖6是180℃水熱3h制備的花狀TiO₂納米顆粒基電流變液在不同場(chǎng)強(qiáng)下剪切強(qiáng)度與剪切速率的關(guān)系，曲線符合先上升后下降再上升的模型，并且出現(xiàn)明顯較長(zhǎng)的平臺(tái)區(qū)，電流變性能穩(wěn)定。由圖6可知，電壓加到了3kV，并且其電流密度較小，說明該體系電流變液的抗擊穿性能較好，剪切應(yīng)力在高電壓下急劇提高，說明該體系電流變液在不同電壓下可控性較好。由圖6可知，當(dāng)不加電場(chǎng)時(shí)，流體呈現(xiàn)牛頓流體行為，剪切應(yīng)力隨著剪切速率增加而線性增加；加電場(chǎng)后，因?yàn)轭w粒在電場(chǎng)中發(fā)生極化，偶極之間相互吸引，顆粒排列成鏈狀結(jié)構(gòu)，流體發(fā)生固化，呈現(xiàn)賓漢流體的特性，在3千伏電壓，0.1^-1s剪切速率下電流變效率為429.5，體現(xiàn)出極強(qiáng)的電流變性能。

實(shí)施例二(180℃水熱1.5h制備的花狀TiO₂納米顆粒)：

在75mL冰乙酸中加入1.5mL鈦酸四丁酯，然后將溶液攪拌10min至溶液呈乳白色，然后將溶液放入水熱釜中180℃加熱1.5h，自然冷卻后用無水乙醇洗滌三次，離心得到花狀TiO₂納米顆粒，放入烘箱中70℃下烘干得到固體粉末，將烘干的固體粉末放置管式爐中，在空氣氣氛下500℃煅燒2h。圖7和圖8分別是180℃水熱1.5h制備的花狀TiO₂納米顆粒SEM和TEM照片，從圖中可以看出，納米粒子表面形貌為花狀，粒子尺寸約為1～2μm。圖3是180℃水熱1.5h制備的花狀TiO₂納米顆粒的XRD圖，同樣為銳鈦礦型氧化鈦。圖9是180℃水熱1.5h制備的花狀TiO₂納米顆?；娏髯円涸诓煌瑘?chǎng)強(qiáng)下剪切強(qiáng)度與剪切速率的關(guān)系，電流變效率為94.5。

實(shí)施例三(180℃水熱6h制備的花狀TiO₂納米顆粒)：

在75mL冰乙酸中加入1.5mL鈦酸四丁酯，然后將溶液攪拌10min至溶液呈乳白色，然后將溶液放入水熱釜中180℃加熱6h，自然冷卻后用無水乙醇洗滌三次，離心得到花狀TiO₂納米顆粒，放入烘箱中70℃下烘干得到固體粉末，將烘干的固體粉末放置管式爐中，在空氣氣氛下500℃煅燒2h。圖3是180℃水熱6h制備的花狀TiO₂納米顆粒的XRD圖，圖10是180℃水熱6h制備的花狀TiO₂納米顆粒SEM照片，圖11是180℃水熱6h制備的花狀TiO₂納米顆粒基電流變液在不同場(chǎng)強(qiáng)下剪切強(qiáng)度與剪切速率的關(guān)系，電流變效率為64。

實(shí)施例四(180℃水熱24h制備的紡錘形TiO₂納米顆粒)：

在75mL冰乙酸中加入1.5mL鈦酸四丁酯，然后將溶液攪拌10min至溶液呈乳白色，然后將溶液放入水熱釜中180℃加熱24h，自然冷卻后用無水乙醇洗滌離心得到TiO₂納米顆粒，放入烘箱中70℃下烘干得到固體粉末，將烘干的固體粉末放置管式爐中，在空氣氣氛下500℃煅燒2h。圖12是180℃水熱24h制備的TiO₂納米顆粒SEM照片，從圖中可以看出，在24h水熱處理后得到紡錘形的氧化鈦納米顆粒。圖13是180℃水熱24h制備的TiO₂納米顆粒基電流變液在不同場(chǎng)強(qiáng)下剪切強(qiáng)度與剪切速率的關(guān)系，電流變效率為123。

實(shí)施例五(150℃水熱3h制備的纖維狀TiO₂納米顆粒)：

在75mL冰乙酸中加入1.5mL鈦酸四乙酯，然后將溶液攪拌10min至溶液呈乳白色，然后將溶液放入水熱釜中150℃加熱3h，自然冷卻后用無水乙醇洗滌三次，離心得到TiO₂納米顆粒，放入烘箱中70℃下烘干得到固體粉末，將烘干的固體粉末放置管式爐中，在空氣氣氛下500℃煅燒2h。圖14是150℃水熱3h制備的TiO₂納米顆粒的SEM照片，從圖中可以看出，由于水熱溫度較低，得到了纖維狀氧化鈦納米顆粒，圖15是150℃水熱3h制備的TiO₂納米顆?；娏髯円涸诓煌瑘?chǎng)強(qiáng)下剪切強(qiáng)度與剪切速率的關(guān)系，電流變效率為225。