一种花状TiO2纳米颗粒电流变液材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种电流变液及其制备方法，具体涉及一种花状TiO₂纳米颗粒电流变液及其制备方法。

背景技术：

电流变液(Electrorheological Fluids)是一种对电场快速响应的智能材料，通常是由高介电常数的微小颗粒分散在低介电常数的绝缘液体中形成的悬浮体系。这类材料在外加电场的作用下，在两平行电极之间，构造成链状或柱状结构，因此材料的流变性能包括剪切应力，弹性模量，剪切粘度等都会发生从液体到类固体的转变，其粘度和剪切强度会快速提高，具有快速可逆的特点。电流变材料因为能耗低，受控变化的品质使其在减振、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。

电流变液的可逆流变性能主要来自分散相材料，目前用于电流变液分散相的材料各种各样，主要有极性半导体无机物材料，比如TiO₂,SiO₂,BaTiO₃；导电聚合物材料，比如PANI,PPy,这些颗粒在电场作用下沿着电场方向发生取向，形成链状结构。在众多材料中纳米TiO₂被认为是一种极具潜力的电流变分散相材料，具有很多优良性质，比如高的介电常数，制备方法简便多样，原料无毒环保。但是TiO₂作为半导体，电导率较低，电场作用下极化响应不强，所以前人多采用掺杂和介孔等方法来提高其电流变特性。众所周知，分散相纳米粒子的表面形貌的改变对于电流变性能存在很大影响，多级结构的TiO₂纳米粒子展现出较高的比表面，对提高粒子间的界面极化，进而提高电流变效率起着很大的作用。

本发明的目的是提供一种花状TiO₂纳米颗粒电流变液，其分散相是花状TiO₂纳米颗粒，连续相为二甲基硅油。花状TiO₂纳米颗粒形貌独特，形貌较类似于菊花，表面由密集的纳米尖刺状结构组成，花状颗粒的表面直径约为1～2μm。而刺状结构呈尖锥状，长度在100-200纳米之间，直径为10-20纳米，刺状结构呈放射状均匀分布在颗粒表面。

本发明的目的还在于提供一种溶剂热法制备花状TiO₂纳米颗粒的方法，制备过程属于无模板制备，未添加任何表面活性剂，制备工艺简单，原料易得，以该材料与甲基硅油所配成的电流变液具有一些优异的特性，包括极强的电流变效应、很好的抗沉淀稳定性、电流密度低、化学稳定性好。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明所制备电流变液，其分散相是花状TiO₂纳米颗粒，连续相为二甲基硅油。上述电流变液的制备工艺包括以下步骤：

(1)在70-80mL冰乙酸中加入1-2mL钛酸四丁酯，然后将溶液搅拌10min至溶液呈乳白色，然后将溶液放入水热釜中180-200℃加热1-5h，自然冷却后用无水乙醇洗涤三次，然后离心得到花状TiO₂纳米颗粒，放入烘箱中60-80℃烘干后得到固体粉末；

(2)将烘干的固体粉末放置管式炉中，在空气气氛下500℃煅烧2h；

(3)将煅烧后样品与二甲基硅油按固体颗粒与硅油的重量比10wt％配制成电流变液。

附图说明

图1 180℃水热3h制备的花状TiO₂纳米颗粒SEM照片

图2 180℃水热3h制备的花状TiO₂纳米颗粒TEM照片

图3 180℃溶剂热法制备TiO₂纳米颗粒XRD图谱

图4 180℃水热3h制备的花状TiO₂纳米颗粒FTIR图谱

图5 180℃水热3h制备的花状TiO₂纳米颗粒TG-DSC曲线

图6 180℃水热3h制备的花状TiO₂纳米颗粒电流变性能图

图7 180℃水热1.5h制备的花状TiO₂纳米颗粒SEM照片

图8 180℃水热1.5h制备的花状TiO₂纳米颗粒TEM照片

图9 180℃水热1.5h制备的花状TiO₂纳米颗粒电流变性能图

图10 180℃水热6h制备的花状TiO₂纳米颗粒SEM照片

图11 180℃水热6h制备的花状TiO₂纳米颗粒电流变性能图

图12 180℃水热24h制备的纺锤体TiO₂纳米颗粒SEM照片

图13 180℃水热24h制备的纺锤体TiO₂纳米颗粒电流变性能图

图14 150℃水热3h制备的纤维状TiO₂纳米颗粒SEM照片

图15 150℃水热3h制备的纤维状TiO₂纳米颗粒电流变性能图

具体实施方式

实施例一(180℃水热3h制备的花状TiO₂纳米颗粒)：

在75mL冰乙酸中加入1.5mL钛酸四丁酯，然后将溶液搅拌10min至溶液呈乳白色，然后将该溶液放入水热釜中180℃加热3h，自然冷却后用无水乙醇洗涤三次，然后离心得到花状TiO₂纳米颗粒，放入烘箱中70℃下烘干得到固体粉末；将烘干的固体粉末放置管式炉中，在空气气氛下500℃煅烧2h；将该煅烧样品与二甲基硅油按固体颗粒与硅油的重量比10wt％配制成电流变液。

图1和图2分别是180℃水热3h制备的花状TiO₂纳米颗粒SEM和TEM照片，从图中可以看出花状颗粒的形貌较类似于菊花，表面由密集的尖刺状结构组成，花状颗粒的表面直径约为1～2μm。图3是180℃水热3h制备的花状TiO₂纳米颗粒的XRD图，通过与标准锐钛矿型氧化钛卡片PDF^#21-1272对比可知25.37°对应的晶面指数为(101)，37.03°对应的晶面指数为(103)，48.12°对应的晶面指数为(200)，55.10°所对应的晶面指数为(211)，62.74°对应的晶面指数为(204)，表明经过烧结的氧化钛晶型是锐钛矿型，结晶性较好。图4是180℃水热3h制备的花状TiO₂纳米颗粒的FTIR图，3400cm^-1左右对应氧化钛表面O-H的伸缩振动峰，500-800cm^-1之间出现O-Ti伸缩峰。图5是180℃水热3h制备的花状TiO₂纳米颗粒的TG-DSC曲线图，由图中可以看出，DSC曲线在320-420℃之间出现明显吸热峰，这个吸热峰对应氧化钛从无定形到锐钛矿晶型的转变。从TG曲线可以看出，从300℃以前，曲线一直下滑，可能是一些吸附在颗粒表面的有机物分解。图6是180℃水热3h制备的花状TiO₂纳米颗粒基电流变液在不同场强下剪切强度与剪切速率的关系，曲线符合先上升后下降再上升的模型，并且出现明显较长的平台区，电流变性能稳定。由图6可知，电压加到了3kV，并且其电流密度较小，说明该体系电流变液的抗击穿性能较好，剪切应力在高电压下急剧提高，说明该体系电流变液在不同电压下可控性较好。由图6可知，当不加电场时，流体呈现牛顿流体行为，剪切应力随着剪切速率增加而线性增加；加电场后，因为颗粒在电场中发生极化，偶极之间相互吸引，颗粒排列成链状结构，流体发生固化，呈现宾汉流体的特性，在3千伏电压，0.1^-1s剪切速率下电流变效率为429.5，体现出极强的电流变性能。

实施例二(180℃水热1.5h制备的花状TiO₂纳米颗粒)：

在75mL冰乙酸中加入1.5mL钛酸四丁酯，然后将溶液搅拌10min至溶液呈乳白色，然后将溶液放入水热釜中180℃加热1.5h，自然冷却后用无水乙醇洗涤三次，离心得到花状TiO₂纳米颗粒，放入烘箱中70℃下烘干得到固体粉末，将烘干的固体粉末放置管式炉中，在空气气氛下500℃煅烧2h。图7和图8分别是180℃水热1.5h制备的花状TiO₂纳米颗粒SEM和TEM照片，从图中可以看出，纳米粒子表面形貌为花状，粒子尺寸约为1～2μm。图3是180℃水热1.5h制备的花状TiO₂纳米颗粒的XRD图，同样为锐钛矿型氧化钛。图9是180℃水热1.5h制备的花状TiO₂纳米颗粒基电流变液在不同场强下剪切强度与剪切速率的关系，电流变效率为94.5。

实施例三(180℃水热6h制备的花状TiO₂纳米颗粒)：

在75mL冰乙酸中加入1.5mL钛酸四丁酯，然后将溶液搅拌10min至溶液呈乳白色，然后将溶液放入水热釜中180℃加热6h，自然冷却后用无水乙醇洗涤三次，离心得到花状TiO₂纳米颗粒，放入烘箱中70℃下烘干得到固体粉末，将烘干的固体粉末放置管式炉中，在空气气氛下500℃煅烧2h。图3是180℃水热6h制备的花状TiO₂纳米颗粒的XRD图，图10是180℃水热6h制备的花状TiO₂纳米颗粒SEM照片，图11是180℃水热6h制备的花状TiO₂纳米颗粒基电流变液在不同场强下剪切强度与剪切速率的关系，电流变效率为64。

实施例四(180℃水热24h制备的纺锤形TiO₂纳米颗粒)：

在75mL冰乙酸中加入1.5mL钛酸四丁酯，然后将溶液搅拌10min至溶液呈乳白色，然后将溶液放入水热釜中180℃加热24h，自然冷却后用无水乙醇洗涤离心得到TiO₂纳米颗粒，放入烘箱中70℃下烘干得到固体粉末，将烘干的固体粉末放置管式炉中，在空气气氛下500℃煅烧2h。图12是180℃水热24h制备的TiO₂纳米颗粒SEM照片，从图中可以看出，在24h水热处理后得到纺锤形的氧化钛纳米颗粒。图13是180℃水热24h制备的TiO₂纳米颗粒基电流变液在不同场强下剪切强度与剪切速率的关系，电流变效率为123。

实施例五(150℃水热3h制备的纤维状TiO₂纳米颗粒)：

在75mL冰乙酸中加入1.5mL钛酸四乙酯，然后将溶液搅拌10min至溶液呈乳白色，然后将溶液放入水热釜中150℃加热3h，自然冷却后用无水乙醇洗涤三次，离心得到TiO₂纳米颗粒，放入烘箱中70℃下烘干得到固体粉末，将烘干的固体粉末放置管式炉中，在空气气氛下500℃煅烧2h。图14是150℃水热3h制备的TiO₂纳米颗粒的SEM照片，从图中可以看出，由于水热温度较低，得到了纤维状氧化钛纳米颗粒，图15是150℃水热3h制备的TiO₂纳米颗粒基电流变液在不同场强下剪切强度与剪切速率的关系，电流变效率为225。