改进的巨电流变液及其制备方法
【专利说明】改进的巨电流变液及其制备方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2014年I月10日提交的美国临时申请N0.61/964，636的优先权。
技术领域
[0003]本申请涉及巨电流变液以及颗粒-流体润湿表面活性剂在诱导电流变效果中的作用，电流变效应是由流体悬浮液中的颗粒形成的。本申请特别涉及颗粒-流体润湿表面活性剂在降低沉降速率中的作用。
【背景技术】
[0004]电流变(ER)液是一种胶体悬浮液，包含分散在绝缘油中的微粒子或纳米颗粒。ER液的流变性质(表观粘度)可以随电场连续且可逆地由流体调整至固体，然后再调整回去。具体而言，在施加l_5kV/mm的电场时，ER液表现出类似固体的性质，例如能够传递剪切应力。由类似液体的性质到类似固体的性质的瞬变时间可以为大约l-10ms。该现象被称为ER效应，并且其在表观粘度上的改变依赖于所施加的电场。改变并不是简单的粘度改变。与此相比，ER效应被更准确地定义为电场依赖性剪切屈服应力，其中ER液的屈服点由电场强度来决定。在达到屈服点之后，ER液表现为流体的剪切性质，并且因此ER液的运动阻力可以通过调节所施加的电场来控制。
[0005]ER液的问题之一在于，对于很多实际应用而言屈服强度太低。已知ER液的屈服应力通常为在3kV/_下不大于5kPa，这对于ER液的大多数潜在应用而言是不足的。另一个问题是ER液倾向于发生沉降。
[0006]通过使用尿素包被的纳米颗粒，发现了巨ER(GER)效应，其打破了传统ER效应的理论上限。GER液具有可控的固-液相转换，并且可逆响应时间为小于10ms，因此与很多其他的ER液相比，其能够保持较高的屈服应力。尽管具有改善的性能，但GER液在颗粒沉降方面通常仍然具有稳定性的问题，因此，ER液的这方面并没有得到改善。
[0007]已经进行了各种努力以改善ER液和GER液的这些缺陷。向溶剂相中添加表面活性剂或者降低颗粒密度可以降低密度失配或改变表面或颗粒形态，或者两者均实现。虽然已经证明表面活性剂改善了 GER液的沉降性质，但其通常倾向于降低GER效应，因此需要增加电流密度。之前对GER液进行的实验表明，表面活性剂的活性强烈地依赖于其极性。亲脂性表面活性剂使悬浮液稳定，但使屈服应力降低了大约30%，同时降低了电流密度。亲水性表面活性剂几乎不表现出使悬浮液稳定，但发现屈服应力增加并且不伴有电流密度增加。
[0008]Shen 等(Wetting-1nduced Electrorheological Effect, J.App1.Phys.99，106104(2006))证明，通过向悬浮于烃油中的由尿素包被的草酸氧钛钡纳米颗粒中添加少量的油酸，产生了高的屈服应力。然而，动态屈服应力显著增加的同时也伴有电流密度的急剧增加。相似地，Li 等(Giant Electrorheological Fluid ComprisingNanoparticles: Carbon Nanotube Composite, J.Appl.Phys.107, 093507 (2010))在由尿素包被的颗粒的合成中添加了氧化物-碳纳米管复合物。当分散于不同类型的硅油中时，所述颗粒显示出具有增强的抗沉降性质。然而，显示屈服应力降低了 10%。
[0009]在美国专利N0.5，032, 307中，Carlson尝试使用表面活性剂作为ER液的颗粒成分，从而绕过沉降问题。Carlson教导了包含载液、复合的非研磨的阴离子表面活性剂颗粒成分、和活化剂的水互溶性电流变材料。
[0010]在美国专利N0.5，558，803中，Okada等公开了一种ER液，其能够产生大剪切应力，同时表现出优异的电流性质和耐久性。Okada等依赖于介电粒子和介电粒子吸收结构。
[0011]在美国专利N0.5，558，811中，Pialet等公开了在碳基疏水性基础液中使用被含有至少6个碳原子的烃基取代的芳香族羟基化合物能够实现良好的分散稳定性。
【发明内容】
[0012]致力于解决已知ER液和GER液的缺陷，本发明涉及在GER液中混入表面活性剂添加剂的组合物和方法，从而增强了稳定性并且不具有通常的缺陷。具体地，本发明希望防止屈服应力增加时伴随电流密度增加这种已知的缺陷发生。因此，通过添加极性分子添加剂，本发明发现动态屈服应力可以增强超过50%，同时电流密度显著降低。可逆响应时间保持相同，并且沉降稳定性明显增加。由于流体具有低的沉降速率和改善的再分散性质，因此减少了长期可靠性问题。改进的GER液有望促进其在车辆离合器、液压制动器和车辆减震器等中的应用。
[0013]本发明解决了上述问题，并且涉及一种巨电流变(GER)液，其包含:由尿素包被的金属盐纳米复合物；极性分子添加剂；和高润湿性绝缘液。所述金属盐纳米复合物悬浮于所述高润湿性绝缘液中。
[0014]在本发明的另一个方面，所述GER液中的极性分子添加剂选自由阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂组成的组中。在本发明的又一个方面，所述金属盐纳米复合物的尿素包被层的存在量为所述金属盐纳米复合物的0.1至1.0重量百分比。
[0015]在本发明的另一个方面，涉及一种制备巨电流变(GER)液的方法。该方法包括以下步骤:研磨这样的复合物，该复合物由尿素包被的纳米颗粒和占复合物总重量的0.1-20.0wt%的极性分子添加剂构成；在20°C至40°C下超声搅拌经研磨的复合物至少30分钟；在冷冻干燥机中干燥经超声搅拌的复合物至少12小时；以及将所述经研磨、搅拌、干燥的复合物悬浮于绝缘油中。
[0016]在本发明的另一个方面，涉及一种制备巨电流变(GER)液的方法。该方法包括以下步骤:提供由尿素包被的纳米颗粒、极性分子添加剂和绝缘油的混合物，其中所述极性分子添加剂占所述纳米颗粒与所述极性分子添加剂的总重量的0.1-20.0wt% ;研磨所述混合物；在20°C至40°C下超声搅拌经研磨的混合物至少30分钟；以及在冷冻干燥机中干燥经超声搅拌的混合物至少12小时。
【附图说明】
[0017]图1(a)示出在lKV/mm的外部施加的电场下、角速度γ = 0.lrad/s时的动态屈服应力。
[0018]图1(b)示出在无外部施加的电场下、角速度γ = 0.lrad/s时所测量的粘度。
[0019]图1(c)示出在lKV/mm的外部施加的电场下、角速度γ = 0.lrad/s时的电流密度。
[0020]图2(a)示出在以角速度γ = 1.4rad/s旋转10小时后的添加有SDBS的样品。
[0021]图2(b)示出在以相同角速度γ = 1.4rad/s旋转10小时后的未添加SDBS的样品O
[0022]图3示出具有不同类型的添加剂(Iwt% )的电流变液的沉降效果。
【具体实施方式】
[0023]本发明涉及通过向金属盐纳米颗粒复合结构(也称为“金属盐纳米复合物”或简称“纳米颗粒”)中混入极性分子添加剂来改变GER中由尿素包被的纳米颗粒的沉降性质和再分散性质，以及增强ER效应。本发明的流体和方法在所施加的电场下能够产生大的剪切应力，同时保持良好的沉降速率。本发明的另一个方面提供了一种制备用于ER和GER液的复合物颗粒的方法，所述ER和GER液具有降低的沉降速率，因此消除了起弧和结块现象。
[0024]ER效应是一种可控的固-液相转化现象，其可逆响应时间小于10ms。流体表观粘度的改变取决于所施加的电场，并且流体的运动阻力可以通过调节所施加的电场来控制。具体而言，所述效应为电场依赖性剪切屈服应力，其屈服点由电场强度决定。
[0025]沉降是指悬浮液中的颗粒通过重力引起的颗粒沉淀而分离，从而形成了澄清流体的区域和含有较高浓度的颗粒的浆液的区