專利名稱：金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電流變材料及其制備方法，特別涉及一種金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液及其制備方法。用于液壓裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電流變液一般是由粒徑為微米級的可極化粒子分散于絕緣油中形成的一種懸浮液。其流變學(xué)特征(粘度、屈服應(yīng)力、剪切模量等)可以通過外加電場加以控制。電流變液在工程上有廣泛的潛在用途，諸如應(yīng)用于離合器、高速控制閥、控制震動的活性阻尼器等。近年來電流變液還應(yīng)用于拋光、顯示、噴墨打印機、人工肌肉與機械傳感器等領(lǐng)域。
迄今為止，開發(fā)了兩種形式的電流變液，包括含水體系和無水體系。含水體系的電流變材料幾乎都需要在粒子表面吸附水或其他極性液體來產(chǎn)生電流變效應(yīng)，如玉米粉、礦石、樹膠、黏土基電流變材料。其中水的作用是在粒子表面產(chǎn)生可移動的載流子而導(dǎo)致界面極化。但是粒子表面吸附的水或其他極性液體也會增加電流變液的漏電流密度，水的存在也導(dǎo)致電流變液的使用溫度范圍受到限制(高溫下水會揮發(fā))。為了克服含水體系電流變液的缺點，人們研發(fā)了無水電流變液，如硅鋁酸鹽類電流變液。無水電流變材料具有很寬的工作溫度范圍，且其漏電流密度相對較低。外加電場作用下，無水電流變材料粒子具有內(nèi)部載流子或其他極化源，會在其表面或本體產(chǎn)生界面極化或本體極化。然而無水電流變液在制備工藝、毒性、成本、沉降穩(wěn)定性上都存在問題，更關(guān)鍵的是這些電流變液的力學(xué)強度較低，國內(nèi)外現(xiàn)有的電流變液剪切屈服應(yīng)力一般均低于15kPa，這些問題限制了電流變液的商品化和產(chǎn)業(yè)化。
經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利名稱“摻雜稀土改性二氧化鈦電流變液及其制備方法”，公開號CN1301027A，該專利技術(shù)制備得到以摻雜稀土修飾的二氧化鈦粒子為分散相，以甲基硅油為連續(xù)相介質(zhì)的電流變液，其分散相粒子的制備工藝中包括將凝膠粒子在400度以上的中高溫下進行處理這一步驟，而且除了稀土外，沒有提出其他的修飾物，更沒有提到金屬陽離子的作用。根據(jù)該專利所列出的數(shù)據(jù)，其所制備的電流變體的電流變效應(yīng)值較低，只有數(shù)千帕。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，提供一種金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液及其制備方法，使其利用金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦凝膠電流變液，它不僅可有效提高電流變效應(yīng)，還能有效的改善懸浮液的懸浮穩(wěn)定性，且能通過改變金屬陽離子種類調(diào)控得到的電流變液的電流變效應(yīng)的特性，具有原料易得，合成方法比較簡單的優(yōu)點。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明電流變液，采用金屬陽離子修飾的無定型二氧化鈦凝膠粒子作為分散相粒子，連續(xù)相為液體絕緣介質(zhì)，其包含的各組分及其重量百分比為金屬陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子10-70％；液體絕緣介質(zhì)30-85％；表面活性劑或無機觸變性添加劑0-5％。
所述的液體絕緣介質(zhì)是一種非極性、低揮發(fā)、不含水份的有機液體，為硅油、礦物油、液壓油或者二脂類有機液體。本發(fā)明優(yōu)先選用硅油。
所述的表面活性劑或無機觸變性添加劑，表面活性劑為Span80、聚乙二醇或者硅烷偶聯(lián)劑，無機觸變性添加劑為納米或微米級無機膨潤土、二氧化硅、氧化鋁粉體或者氧化鋁纖維。
本發(fā)明金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液的制備方法，步驟如下(1)、稱取TiCl4，在冰浴下緩慢滴加去離子水，水解得到TiCl4溶液；(2)、在攪拌下將堿性物質(zhì)水溶液加入到配制的TiCl4溶液中，控制溶液pH值在5～11之間，得到二氧化鈦凝膠懸浮液；(3)、以金屬陽離子化合物作修飾劑，在攪拌下將金屬陽離子化合物的水溶液加入到無定型二氧化鈦凝膠中；(4)、將步驟(3)中得到的凝膠置于溫度為20-90℃恒溫水浴鍋中0.5-48小時；(5)、將步驟(4)得到的體系冷卻后過濾得到體系中的沉淀物質(zhì)，反復(fù)多次洗滌該沉淀物質(zhì)，然后將沉淀烘干得到粉體物質(zhì)；(6)、將該粉體與絕緣液體介質(zhì)、其它添加劑混合配制即得到金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液。
本發(fā)明根據(jù)需要可以在體系中加入少量其它添加劑，也可以不加。其它添加劑的用量0-5％，優(yōu)選為0.5-2％重量百分比。
所述的金屬陽離子化合物包括各種金屬元素的水溶性離子化合物，其添加量為所用無定型二氧化鈦凝膠重量的0.1-5％，優(yōu)選為0.2-1％。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用金屬陽離子化合物作為修飾劑，得到具有高電流變效應(yīng)(電場強度為3kV/mm時，效應(yīng)值可超過26kPa)的電流變液，電流變液配制簡單，制備中不需要將二氧化鈦凝膠粒子進一步中、高溫處理。而且制備得到的電流變液同時具有很好的沉降穩(wěn)定性(靜置3個月后，沉降率低于10％)。
具體實施例方式
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容進一步提供以下實施例實施例一電流變液，包含的各組分及其重量百分比為鋇二價陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子，70％；甲基硅油，30％。
制備過程或者步驟如下1 稱取TiCl4，在冰浴下緩慢滴加去離子水，水解得到TiCl4溶液；2 將氨水溶液加入到配制的TiCl4溶液中，控制溶液pH值在5.0，得到二氧化鈦凝膠懸浮液；3 以氯化鋇作修飾劑，在攪拌下將氯化鋇的水溶液加入到無定型二氧化鈦凝膠中；4 將步驟3中得到的凝膠置于溫度為20℃的恒溫水浴鍋中48小時；5 將步驟4得到的體系冷卻后過濾得到體系中的沉淀物質(zhì)，反復(fù)多次洗滌該沉淀物質(zhì)，然后將沉淀烘干得到粉體物質(zhì)；6 將65份干燥后的白色粉末與35份甲基硅油配制得到鋇二價金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液；實施效果該電流變液3個月的沉降率僅為3.6％，3.5kV/mm的直流電場下的剪切屈服應(yīng)力為5.1kPa，漏電流密度為3.20μA/cm2。
實施例二電流變液，包含的各組分及其重量百分比為鋇二價陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子，65％；甲基硅油，35％。
制備過程或者步驟如下1 稱取TiCl4，在冰浴下緩慢滴加去離子水，水解得到TiCl4溶液；2 將氫氧化鈉水溶液加入到配制的TiCl4溶液中，控制溶液pH值在8.0，得到二氧化鈦凝膠懸浮液；3 以氯化鋇作修飾劑，在攪拌下將氯化鋇的水溶液加入到無定型二氧化鈦凝膠中；4 將步驟3中得到的凝膠置于溫度為55℃的恒溫水浴鍋中3小時；5 將步驟4得到的體系冷卻后過濾得到體系中的沉淀物質(zhì)，反復(fù)多次洗滌該沉淀物質(zhì)，然后將沉淀烘干得到粉體物質(zhì)；6 將65份干燥后的白色粉末與35份甲基硅油配制得到鋇二價金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液。
實施效果得到的電流變液3個月的沉降率僅為3.3％，3.5kV/mm的直流電場下的剪切屈服應(yīng)力為6.1kPa，漏電流密度為3.82μA/cm2。
實施例三電流變液，包含的各組分及其重量百分比為鍶二價陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子，65％；甲基硅油，35％。
制備過程或者步驟如下1 稱取TiCl4，在冰浴下緩慢滴加去離子水，水解得到TiCl4溶液；2 將氫氧化鈉水溶液加入到配制的TiCl4溶液中，控制溶液pH值在8.0，得到二氧化鈦凝膠懸浮液；3 以氯化鍶作修飾劑，在攪拌下將氯化鍶的水溶液加入到無定型二氧化鈦凝膠中；4 將步驟3中得到的凝膠置于溫度為50℃的恒溫水浴鍋中3小時；5 將步驟4得到的體系冷卻后過濾得到體系中的沉淀物質(zhì)，反復(fù)多次洗滌該沉淀物質(zhì)，然后將沉淀烘干得到粉體物質(zhì)；6 將65份干燥后的白色粉末與35份甲基硅油配制得到鍶二價金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液。
實施效果得到的電流變液3個月的沉降率僅為3.0％，3.5kV/mm的直流電場下的剪切屈服應(yīng)力為8.9kPa，漏電流密度為7.64μA/cm2。
實施例四電流變液，包含的各組分及其重量百分比為鋁三價陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子，65％；甲基硅油，35％。
制備過程或者步驟如下1 稱取TiCl4，在冰浴下緩慢滴加去離子水，水解得到TiCl4溶液；2 將氨水溶液加入到配制的TiCl4溶液中，控制溶液pH值在8.0，得到二氧化鈦凝膠懸浮液；3 以氯化鋁作修飾劑，在攪拌下將氯化鋁的水溶液加入到無定型二氧化鈦凝膠中；4 將步驟3中得到的凝膠置于溫度為55℃的恒溫水浴鍋中3小時；5 將步驟4得到的體系冷卻后過濾得到體系中的沉淀物質(zhì)，反復(fù)多次洗滌該沉淀物質(zhì)，然后將沉淀烘干得到粉體物質(zhì)；6 將65份干燥后的白色粉末與35份甲基硅油配制得到鋁二價金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液。
實施效果得到的電流變液3個月的沉降率僅約為3.0％，3.5kV/mm的直流電場下的剪切屈服應(yīng)力為15.1kPa，漏電流密度為12.74μA/cm2。
實施例五電流變液，包含的各組分及其重量百分比為鐵三價陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子，65％；甲基硅油，35％。
制備過程或者步驟如下1 稱取TiCl4，在冰浴下緩慢滴加去離子水，水解得到TiCl4溶液；2 將氫氧化鈉水溶液加入到配制的TiCl4溶液中，控制溶液pH值在8.0，得到二氧化鈦凝膠懸浮液；3 以氯化鐵作修飾劑，在攪拌下將氯化鐵的水溶液加入到無定型二氧化鈦凝膠中；4 將步驟3中得到的凝膠置于溫度為50℃的恒溫水浴鍋中3小時；
5 將步驟4得到的體系冷卻后過濾得到體系中的沉淀物質(zhì)，反復(fù)多次洗滌該沉淀物質(zhì)，然后將沉淀烘干得到粉體物質(zhì)；6 將65份干燥后的白色粉末與35份甲基硅油配制得到鐵三價金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液。
實施效果得到的電流變液3個月的沉降率僅約為3.0％，3.5kV/mm的直流電場下的剪切屈服應(yīng)力為18.9kPa，漏電流密度為27.87μA/cm2。
實施例六電流變液，包含的各組分及其重量百分比為錫四價陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子，65％；液體絕緣介質(zhì)，35％。
制備過程或者步驟如下1 稱取TiCl4，在冰浴下緩慢滴加去離子水，水解得到TiCl4溶液；2 將氫氧化鈉水溶液加入到配制的TiCl4溶液中，控制溶液pH值在8.0，得到二氧化鈦凝膠懸浮液；3 以氯化錫作修飾劑，在攪拌下將氯化錫的水溶液加入到無定型二氧化鈦凝膠中；4 將步驟3中得到的凝膠置于溫度為50℃的恒溫水浴鍋中3小時；5 將步驟4得到的體系冷卻后過濾得到體系中的沉淀物質(zhì)，反復(fù)多次洗滌該沉淀物質(zhì)，然后將沉淀烘干得到粉體物質(zhì)；6 將65份干燥后的白色粉末與35份甲基硅油配制得到錫四價金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液。
實施效果得到的電流變液3個月的沉降率僅約為2.8％，3.5kV/mm的直流電場下的剪切屈服應(yīng)力為26.1kPa，漏電流密度為42.2μA/cm2。
實施例七電流變液，包含的各組分及其重量百分比為鍶二價陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子，10％；甲基硅油，85％；Span80 2％；納米二氧化硅3％。
制備過程或者步驟如下1 稱取TiCl4，在冰浴下緩慢滴加去離子水，水解得到TiCl4溶液；2 將氨水溶液加入到配制的TiCl4溶液中，控制溶液pH值在11.0，得到二氧化鈦凝膠懸浮液；
3 以硝酸鍶作修飾劑，在攪拌下將硝酸鍶的水溶液加入到無定型二氧化鈦凝膠中；4 將步驟3中得到的凝膠置于溫度為90℃的恒溫水浴鍋中0.5小時；5 將步驟4得到的體系冷卻后過濾得到體系中的沉淀物質(zhì)，反復(fù)多次洗滌該沉淀物質(zhì)，然后將沉淀烘干得到粉體物質(zhì)；6 將10份白色粉末、2份Span80、3份納米二氧化硅與85份甲基硅油配制得到鍶二價金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液。
實施效果得到的電流變液3個月的沉降率僅為5.8％，3.5kV/mm的直流電場下的剪切屈服應(yīng)力為2.3kPa，漏電流密度為3.40μA/cm2。
實施例八電流變液，包含的各組分及其重量百分比為鋇二價陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子，40％；甲基硅油，58％；Span 2％。
制備過程或者步驟如下1 稱取TiCl4，在冰浴下緩慢滴加去離子水，水解得到TiCl4溶液；2 將氨水溶液加入到配制的TiCl4溶液中，控制溶液pH值在8.0，得到二氧化鈦凝膠懸浮液；3 以硝酸鋇作修飾劑，在攪拌下將硝酸鋇的水溶液加入到無定型二氧化鈦凝膠中；4 將步驟3中得到的凝膠置于溫度為30℃的恒溫水浴鍋中12小時；5 將步驟4得到的體系冷卻后過濾得到體系中的沉淀物質(zhì)，反復(fù)多次洗滌該沉淀物質(zhì)，然后將沉淀烘干得到粉體物質(zhì)；6 將40份干燥后的白色粉末、2份Span20與58份甲基硅油配制得到鋇二價金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液。
實施效果得到的電流變液3個月的沉降率僅為3.8％，3.5kV/mm的直流電場下的剪切屈服應(yīng)力為4.3kPa，漏電流密度為3.30μA/cm2。
實施例九電流變液，包含的各組分及其重量百分比為錫四價陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子，67.5％；液體絕緣介質(zhì)，30％；Span80，2.5％。
制備過程或者步驟如下1 稱取TiCl4，在冰浴下緩慢滴加去離子水，水解得到TiCl4溶液；2 將氫氧化鈉水溶液加入到配制的TiCl4溶液中，控制溶液pH值在8.0，得到二氧化鈦凝膠懸浮液；3 以氯化錫作修飾劑，在攪拌下將氯化錫的水溶液加入到無定型二氧化鈦凝膠中；4 將步驟3中得到的凝膠置于溫度為50℃的恒溫水浴鍋中3小時；5 將步驟4得到的體系冷卻后過濾得到體系中的沉淀物質(zhì)，反復(fù)多次洗滌該沉淀物質(zhì)，然后將沉淀烘干得到粉體物質(zhì)；6 將67.5份干燥后的白色粉末、2.5份Span80與30份甲基硅油配制得到錫四價金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液。
實施效果得到的電流變液3個月的沉降率僅約為2.5％，3.5kV/mm的直流電場下的剪切屈服應(yīng)力為27.3kPa，漏電流密度為48.0μA/cm2。
權(quán)利要求
1.一種金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液，其特征在于，采用金屬陽離子修飾的無定型二氧化鈦凝膠粒子作為分散相粒子，連續(xù)相為液體絕緣介質(zhì)，包含的各組分及其重量百分比為金屬陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子10-70％，液體絕緣介質(zhì)30-85％，表面活性劑或無機觸變性添加劑0-5％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液，其特征是，所述的液體絕緣介質(zhì)為硅油、礦物油、液壓油或者二脂類有機液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液，其特征是，所述的所述的表面活性劑或無機觸變性添加劑，表面活性劑為Span80、聚乙二醇或者硅烷偶聯(lián)劑，無機觸變性添加劑為納米或微米級無機膨潤土、二氧化硅、氧化鋁粉體或者氧化鋁纖維。
4.一種金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液的制備方法，其特征在于，所述的電流變液包含的組分及其重量百分比為金屬陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子10-70％，液體絕緣介質(zhì)30-85％，表面活性劑或無機觸變性添加劑0-5％，方法步驟如下(1)、稱取TiCl4，在冰浴下緩慢滴加去離子水，水解得到TiCl4溶液；(2)、在攪拌下將堿性物質(zhì)水溶液加入到配制的TiCl4溶液中，控制溶液pH值在5～11之間，得到二氧化鈦凝膠懸浮液；(3)、以金屬陽離子化合物作修飾劑，在攪拌下將金屬陽離子化合物的水溶液加入到無定型二氧化鈦凝膠中；(4)、將步驟(3)中得到的凝膠置于恒溫水浴鍋水??；(5)、將步驟(4)得到的體系冷卻后過濾得到體系中的沉淀物質(zhì)，反復(fù)多次洗滌該沉淀物質(zhì)，然后將沉淀烘干得到粉體物質(zhì)；(6)、將該粉體與絕緣液體介質(zhì)、表面活性劑或無機觸變性添加劑混合配制即得到金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液的制備方法，其特征是，步驟(3)中，所述的金屬陽離子化合物包括各種金屬元素的水溶性離子化合物，其添加量為所用無定型二氧化鈦凝膠重量的0.1-5％。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液的制備方法，其特征是，步驟(4)中，凝膠置于溫度為20-90℃恒溫水浴鍋中0.5-48小時。
全文摘要
一種金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液及其制備方法。用于液壓裝置領(lǐng)域。電流變液包含的各組分及其重量百分比為金屬陽離子修飾二氧化鈦凝膠粒子10－70％，液體絕緣介質(zhì)30－85％，表面活性劑或無機觸變性添加劑0－5％。制備方法以金屬陽離子化合物作修飾劑，在攪拌下將金屬陽離子化合物的水溶液加入到無定型二氧化鈦凝膠中，然后將此凝膠置于溫度為20℃－90℃恒溫水浴鍋中0.5－48小時，然后冷卻，反復(fù)多次過濾洗滌反應(yīng)體系產(chǎn)生的沉淀，然后將沉淀烘干得到粉體物質(zhì)。將該粉體與絕緣液體介質(zhì)配制即金屬陽離子修飾無定型二氧化鈦電流變液。本發(fā)明大幅度提高無定型二氧化鈦粒子電流變液的電流變效應(yīng)，有效改善懸浮液的懸浮穩(wěn)定性，且原料易得，合成方法比較簡單。
文檔編號C10M103/00GK1570046SQ200410018010
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)明者吳慶, 胡克鰲, 趙斌元 申請人:上海交通大學(xué)