一种防沉降电流变液及其控制方法与流程

本发明属于电流变液技术领域，涉及一种防沉降电流变液及其控制方法。

背景技术：

电流变液是一种重要的智能材料，它是由分散微粒、基液、表面活性剂等组成的一种悬浊液，具有受控变化的品质，其屈服应力、弹性模量随外加电场的变化而变化。电流变液在减振、机械传动、自控、机电一体化、微驱动等领域具有巨大的应用前景。但是由于在使用过程中存在着一些不足，如颗粒的沉降，屈服应力不高，颗粒对器件的磨损，温度效应太差导致工作温区狭窄等问题，限制了它的广泛应用。

电流变液在电场作用下，其微粒发生定向运动成束。巨电流变体是分散相直径为微米级的分散体系，导电微粒与母液之间的高密度差(微粒的密度为2～8gcm^-3，基液的密度一般为1.0gcm^-3左右),决定了长期静置的巨电流变体必定会产生一定程度的沉降。沉降微粒在覆盖层重力以及微粒表面能作用下,具有团聚结块的趋势,如果不对这一趋势加以限制,则会造成微粒的结块,从而使巨电流变体丧失流变性能。此外，电性微粒的体积小，具有很大的表面能，当被加入到基液后，因表面吸附作用，具有凝聚、结团的趋势。为防止和减少此现象，通常在其中加入稳定剂，这些稳定剂都是大分子链，他们依靠极性头部吸附在微粒表面，其尾部如弹簧一般，阻止微粒间的相互接近，从而减少沉降，提高稳定性。但到目前为止，巨电流变体的流变机理还没有被完全揭示，特别是长期静置后电性微粒易发生严重的沉降而形成硬块或糕状物，从而丧失使用功能的问题，还没有得到很好的解决，这极大地限制了巨电流变体器件的应用范围和应用效果。

由于巨电流变体的组分之间密度差异悬殊，久置后会出现严重的微粒沉降。从而大大降低巨电流变体的性能和稳定性。从Stokes定律：

v＝2r²(ρ-ρ0)g/9η (2-1)

式中：v——微粒在重力作用下的沉降速度，

r——球体的直径，

ρ——球体的密度，

ρ0——基液的密度，

g——重力加速度，

η——基液的表观粘度

从沉降速度公式来看降低沉降速度的有效方法，可从以下几个方面考虑：

●减少基液与微粒之间的密度差,

●减小极化微粒的直径,

●增加基液的表观黏度,

在重力作用下，减小微粒的粒径r、增大基液的粘度η，能够降低微粒沉降速度。但实验表明，随微粒直径的降低，巨电流变体的流变效应也逐步减弱，甚至基本消失。这说明由于电性微粒粒径无法降低以及微粒与母液之间密度差是巨电流变体客观存在的特征，导电微粒的沉降是一个无法彻底解决的问题。因此，稳定巨电流变体的评价指标及研究方向不应是电性微粒是否沉降，而应是沉降以后的状态如何。

分析表明限制微粒结块和提高其稳定性的有效手段是加入一定剂量的具有稳定和增稠作用的高分子聚合物或触变剂。在经过表面活性剂处理后的电性微粒应该具有相当的抗沉降、团聚性能，根据巨电流变体再分散的难易程度，电性微粒沉降后可主要分为软性沉降和结块沉降两种状态。软性沉降过程其表观沉降速度快，形成沉降体积较大的沉淀物，但搅拌后容易再分散而变为均匀的系统；结块沉降过程其表观沉降速度慢，沉降体积也小，但会生成坚硬的堆积沉淀，难以再分散。结合巨电流变体的应用要求可以发现软性沉降正是性能稳定的巨电流变体的追求目标，因此深入探索软性沉降的形成途径是巨电流变体研制的关键问题之一。巨电流变体的稳定性决定了巨电流变体能否适于实际的应用，因此，研发出一种防沉降电流变液是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种配比合理科学、综合性能好、稳定性佳的防沉降电流变液。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种防沉降电流变液的控制方法，方法简单容易实施，效果好。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种防沉降电流变液，其特征在于：该电流变液包括分散微粒、基液和添加剂，其中分散微粒采用钛-氧系微粒，基液采用氯化石蜡、氟化硅油和二甲基硅油，氯化石蜡、氟化硅油和二甲基硅油的体积比是6～10：50～80：14～40，添加剂为含有极性官能团的表面活性剂。

优选，所述钛-氧系微粒在电流变液中的含量占质量百分比25～30％。

优选，所述钛-氧系微粒的粒径30～35nm，采用尿素钛氧微粒或者丙三醇钛氧微粒。

作为优选，所述氟化硅油、氯化石蜡的粘度为400～600×10^-3Pa.s。

作为优选，所述表面活性剂采用十二烷基苯磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠的加入量为0.5～0.7×10^-3mol/L，或者表面活性剂采用尿素与十二烷基苯磺酸钠复配剂，尿素的加入量为5.0～5.6wt％，十二烷基苯磺酸钠的加入量为0.5～0.7×10^-3mol/L。

再优选，所述表面活性剂采用尿素与十二烷基苯磺酸钠复配剂，尿素的加入量为5.3wt％，十二烷基苯磺酸钠的加入量为0.6×10^-3mol/L。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述防沉降电流变液的控制方法，其特征在于：在所述电流变液的存储处增设一能施加电场的装置，通过电场作用防止其沉降。

优选，电场强度至少是1kV/mm以上。

最后，电场强度是1kV/mm～2kV/mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：从分散微粒、基液及添加剂的分子结构合理设计并优化成分及配比，设计密度大、链长的基液改善微粒的悬浮性，提高抗沉降性，以含有极性官能团的表面活性剂作为添加剂，大大提高电流变体强度和抗沉降性，获得了高抗沉降性的电流变液，可以达到30天抗沉降稳定性≥99％；并且在流变液的存储处增设一能施加电场的装置，通过电场作用，彻底解决了沉降的问题。本发明配比合理，原料安全环保，发明的电流变液既有优良的电流变效率，又具有良好的抗沉降性能，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的实施例中电流变体抗沉降率随时间的变化曲线；

图2是不同粘度二甲基硅油巨电流变体抗沉降率与时间关系曲线；

图3是不同端基硅油巨电流变体抗沉降率与时间关系曲线；

图4是SDBS加入量对微粒巨电流变体屈服强度的影响曲线；

图5是尿素和SDBS复配添加剂对微粒的电流变屈服强度的影响曲线；

图6是SDBS加入后巨电流变体的形貌；

图7是不同微粒巨电流变体的沉降稳定性照片；

图8是不同微粒巨电流变体的沉降稳定性曲线。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种防沉降电流变液，包括分散微粒、基液和添加剂，其中分散微粒采用钛-氧系微粒，基液采用氯化石蜡、氟化硅油和二甲基硅油，氯化石蜡、氟化硅油和二甲基硅油的体积比是6～10：50～80：14～40，添加剂为含有极性官能团的表面活性剂。

优选钛-氧系微粒选用丙三醇钛氧微粒或者尿素钛氧微粒，钛-氧系微粒在电流变液中的含量占质量百分比20～50％，优选25～30％。钛-氧系微粒的粒径30～35nm。

优选氟化硅油、氯化石蜡、二甲基硅油组成的基液的的粘度为400～600×10^-3Pa.s。

优选所述表面活性剂采用十二烷基苯磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠的加入量为0.5～0.7×10^-3mol/L，或者表面活性剂采用尿素与十二烷基苯磺酸钠复配剂，尿素的加入量为5.0～5.6wt％，十二烷基苯磺酸钠的加入量为0.5～0.7×10^-3mol/L。

再优选所述表面活性剂采用尿素与十二烷基苯磺酸钠复配剂，尿素的加入量为5.3wt％，十二烷基苯磺酸钠的加入量为0.6×10^-3mol/L。

下面通过本发明的研发思路及实验对本发明作进一步详细说明：

微粒/基液比重差、微粒的润湿性、基液的分子结构(链长、官能团)等性质对电流变体的抗沉降性有较大影响。有研究通过设计及制备纳米尺寸分散相微粒，减小微粒比重，提高抗沉降性；极性官能团有助于提高电流变活性，表面活性剂分子增加微粒与基液的润湿性从而提高稳定性，设计及制备含有极性官能团的表面活性剂，改善微粒与基液的润湿性和悬浮性，并产生粒子间胶态的分子团桥，使粒子不沉淀又不絮凝，提高抗沉降性。

一、基液设计

以不同端基硅油为基液配制的草酸氧钛巨电流变体的抗沉降率随时间的变化如图1所示。由图1可知，甲基含氢巨电流变体沉降稳定性最差，2天内基本达到最大沉降，其抗沉降率仅为35％，这是因为端氢基的空间位阻作用较小，易引起微粒的团聚，其表观粒径较大；二甲基硅油端基较大，空间位阻作用较大，故二甲基硅油巨电流变体的沉降相对较慢，13天沉降基本稳定，抗沉降率为50％；氟化硅油、氯化石蜡巨电流变体沉降稳定性最好，20天后其抗沉降率仍保持为98％，这是因为，不同氟化硅油、氯化石蜡分子间由于端羟基间的氢键作用导致表观链长增加，表观黏度增大，从而阻碍了微粒的沉降。

由于基液与电性微粒的密度差异大，已经分散完成的导电微粒经常处于趋向沉降的状态，因此，长期静置的巨电流变体，极易因沉降的微粒相互凝聚、结块而丧失使用功能，这极大地限制了巨电流变体器件的应用范围和应用效果。

研究了氟化硅油、氯化石蜡、甲基含氢硅油、及二甲基硅油的稳定性，图3为不同端基硅油巨电流变体抗沉降率与时间变化曲线，由图3可知，甲基含氢硅油巨电流变体沉降速度很快且沉降程度较大，1天后抗沉降率即降至最低值35％。氟化硅油、氯化石蜡巨电流变体的抗沉降率在第二天到达99.8％后即不再变化。

因此选择氟化硅油、氯化石蜡作为基液添加主体，和二甲基硅油组成基液。

二、添加剂选择

添加剂是电流变流体的重要组成成分。分散微粒悬浮于分散介质中组成的巨电流变体为二相体系，由于两者密度不可能完全匹配，致使分散微粒容易沉降，为改善巨电流变体的稳定性及其电流变性能，常采用的方法是加入表面活性剂。表面活性剂具有增溶、润湿、渗透以及分散和抗絮凝作用。表面活性剂除了增强悬浮液的稳定性外，还能对电流变效应有促进作用。表面活性剂可以改善分散微粒与分散介质之间“液一固”界面的润湿性，增加分散微粒与分散介质之间的相容性，起到稳定剂的作用。表面活性剂同时可以改变粒子表面的介电和导电性质，在电场作用下，表现为电流变活性提高，剪切应力值增加。

巨电流变体是一种两相或多相悬浮体系，只有当固体微粒均匀地分散在基液中，并且其均匀程度不随时间的变化而变化时巨电流变体才具有优异的工作性能，但由于电性微粒在加入到液相中之前，一般处于团聚状态，在摩擦和冲击等机械力作用下，微粒表面积累了大量的正电荷或负电荷，这些电荷互相吸引而导致微粒的团聚，微米级微粒的表面能高，处于不稳定的状态，具体可通过团聚来降低表面能，同时由于微粒小造成微粒之间的范德华力已经无法忽略，微粒之间的氢键和吸附湿桥也具有使微粒之间团聚的倾向。因此，巨电流变体中表面活性剂是必不可少的添加组分，目前，表面活性剂有很多种，经过比较现拟选用SDBS作为添加剂。

表面活性剂由性质完全不同的亲油基和亲水基组成，亲水基吸附在电极化微粒的表面，而亲油基伸展在载体液中做热摆动，当吸附着亲水基的电极化微粒相互靠近时，亲油基的摆动受阻亲油基和亲水基之间产生相互排斥作用，从而阻碍微粒之间的相互接近。表面活性添加剂分子结构中存在一个长聚链的亲水基，当其在硅油等基液中展开以后，可以产生一条以氧原子为吸附点的亲水基吸附基团，紧紧地吸附在微粒的表面。活性剂对微粒的包覆，既可以防止微粒表面的紧密接触，又因活性剂的分子量较大，链较长，可以比较容易地相互“纠缠”在一起形成微粒间的弱结合力，即触变力。包覆在微粒表面的表面活性剂可防止微粒的氧化、克服范德瓦尔斯力所造成的微粒凝聚、削弱静电吸引力、改变微粒表面的性质，使微粒和基液浑然一体。选择表面活性剂时，要求表面活性剂一端能吸附于微粒表面，形成很强的化学键，另一端能与基液溶剂化，增加粘弹性，增加润滑性，减少磨损。

图4、图5分别为十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、尿素(Urea)和SDBS复配等多种添加剂对微粒的电流变效应的影响规律，由图可见SDBS的加入使巨电流变体性能得到较大提高，最佳加入量为0.6×10^-3moll^-1。尿素与SDBS复合加入使电流变性能得到进一步提高，在最佳SDBS加入量下通过调整尿素的加入量，以期确定最佳的复合加入量，从图5可看出其最佳加入量是尿素5.3％，SDBS 0.6×10^-3moll^-1，图6为SDBS加入后巨电流变体的形貌，可以看到添加剂的引入可大幅改善巨电流变体的稳定性。

三、分散微粒

图7是不同微粒巨电流变体的沉降稳定性照片，纯锶钛氧、苯胺锶钛氧、丙三醇钛氧巨电流变体采用500*10^-3Pa.s硅油，配制巨电流变体质量分数30％，在放置6天后丙三醇钛氧巨电流变体无沉降发生，而纯锶钛氧、苯胺锶钛氧的沉降稳定性见图8。故选择丙三醇钛氧微粒，因为尿素钛氧微粒性能十分接近丙三醇钛氧微粒，也可以换用。

另外，为了彻底解决电流变液沉降问题，在电流变液存储处加以电场，防止其沉降，而在运动中电流变夜又不会沉降，彻底解决了电流变液沉降问题。

实施例1

a)基液

基液组分：氯化石蜡(6v％)、氟化硅油(70v％)和二甲基硅油(24v％)混合均匀得到复配基液；

b)微粒：TiO2/Urea微粒；质量百分比28％

c)分散剂：0.5×10^-3mol/L SDBS

加载电场2kV/mm时30日未见沉淀。

实施例2

a)基液的配制

将氯化石蜡(6v％)、氟化硅油(80v％)和二甲基硅油(14v％)混合均匀得到复配基液；

b)微粒：TiO2/Urea微粒，质量百分比28％；

c)分散剂：0.5×10^-3mol/L SDBS

d)在加载电场1kV/mm时30日未见沉淀。

实施例3

a)基液的配制

将氯化石蜡(10v％)、氟化硅油(50v％)和二甲基硅油(40v％)混合均匀得到复

配基液；

b)微粒：TiO2/Urea微粒，质量百分比28％；

c)分散剂：0.5×10^-3mol/L SDBS

d)在加载电场1.5kV/mm时30日未见沉淀。

上述钛-氧系微粒的粒径30～35nm。

上述述氟化硅油、氯化石蜡、二甲基硅油组成的基液的粘度为400～600×10^-3Pa.s。

最后应说明的是：以上实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。