鈦酸鋇/明膠複合彈性電流變膠體及其製備方法
2023-05-02 09:24:36 1
專利名稱：鈦酸鋇/明膠複合彈性電流變膠體及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種無機流變顆粒/含水高分子電流變膠體及其製備方法，特別涉及鈦酸鋇/明膠複合含水彈性電流變膠體及其製備方法。
背景技術：
電流變液體，因液體中粒子之間以及粒子與電極之間的強烈凝聚作用，其在外加電場作用下粘度變化迅速、可逆，具有顯著的電流變效應，被人們所稱道。由於其對電場響應的時效性和可控性，因而被科學家預測將作為智能型材料用於各種儀器上。然而，由於粒子的沉降引起了電流變效應不穩定，系統的可靠性降低，大大限制了電流變液體的應用。電流變膠體，簡單地說就是將流變顆粒分散在高分子膠聯凝膠的網絡中製得的複合彈性物體。和電流變液相比，電流變膠體有一些非常不同的特點。其中最值得注意的是流變粒子在彈性母體中被鎖定，避免了粒子的相對移動，無論是測試還是使用，電流變效應都是均衡穩定的。膠體的另外一個優點是無洩漏、無磨損及無顆粒沉積，故其可在高電場強度下使用。此外，電流變膠體還可以依據所需製得有固定形狀和體積的電流變物體，其在測量過程中材料的形態保持不變，因此可用於進一步研究電流變效應機理，結論是較為精確的。正因為電流變膠體有著它獨特的優點，這類材料的製備和研究越來越受到人們的關注。
近兩三年內，電流變膠體的研究在國際上已開始興起。作為電流變膠體的母體，研究者多選用與電流變液母體相似的高分子化合物無水體系。雖然解決了電流變液中顆粒沉積、液體易洩漏等難題，但是這類膠體製備時間長，成本高，對環境不利，無法在潮溼環境中生產和使用。
本發明將無機流變顆粒分散於高分子化合物含水體系中製得彈性水凝膠。該凝膠電流變效應明顯、穩定，製備過程簡捷，成本低廉，適宜於普通環境，是一種綠色環保的新型含水電流變材料。它的問世化解了含水體系與電流變材料之間的矛盾。預計這種可智能化的『軟溼件』材料，在航空救生和生物醫學等領域有良好的應用前景。
發明內容
本發明通過施加直流電場使鈦酸鋇顆粒分散於明膠水溶液間製得了一種力學性能可受電場控制的含水電流變彈性體，製備工藝簡單易行，成本低廉，實驗操作能在常溫下進行，對設備亦無特殊要求，產品的後處理過程容易實現。本發明的具體內容如下將一定量明膠在磁攪拌下溶於60～70℃的去離子水中，得濃度為15％的明膠水溶液，並在此溫度下向該溶液中按鈦酸鋇質量百分濃度(BaTiO3wt％)分別為0、0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5、7.5、10的濃度要求加入鈦酸鋇顆粒。快速攪拌，待粒子分散均勻後倒入一定容積的有機玻璃盒中，在盒子的上下兩面上加平行直流電場，室溫下靜置膠凝。0.5h後，取出膠塊，浸泡於2％的甲醛溶液中進行化學膠聯。半小時後用去離子水對膠塊進行衝洗、浸泡，反覆三次，每次5min.這樣就製得了鈦酸鋇/明膠複合彈性膠體。對彈性膠體的結構和不同狀況下的力學性能進行分析。
圖1彈性膠體中鈦酸鋇粒子的分布情況(i)BaTiO3wt％＝1.5，自由膠凝(E＝0 kV/mm)；(ii)BaTiO3wt％＝1.5，電場(E＝1kV/mm)作用下膠凝；圖2兩種類型彈性體的壓縮模量(a)測試電場Emeas.＝0 kV/mm；(b)測試電場Emeas＝1 kV/mm；圖3同一類型膠體在有、無電場作用時所測的壓縮模量(i)無電場時膠凝所得膠體的壓縮模量；(ii)有電場(E＝1 kV/mm)時膠凝所得膠體的壓縮模量；圖4不同膠凝電場中所得的膠體(BaTiO3wt％＝1.5)的壓縮模量圖5 不同測試電場對膠體(BaTiO3wt％＝1.5)壓縮模量的影響具體實施方式
本發明的具體實施過程和方式由以下實施例並附圖詳細說明。
實施例一(複合彈性膠體的微觀結構)將一定量明膠在磁攪拌下溶於60～70℃的去離子水中，得濃度為15％的明膠水溶液，並在此溫度下向該溶液中按BaTiO3wt％＝1.5濃度要求加入鈦酸鋇顆粒。快速攪拌，待粒子分散均勻後倒入一定容積的有機玻璃盒中，在盒子的上下兩面上加平行電場(1kV/mm)，室溫下靜置膠凝0.5h後，取出膠塊，分別浸泡於2％的甲醛溶液中進行化學膠聯。半小時後用去離子水對膠塊進行衝洗、浸泡，反覆三次，每次5min.將製得的複合彈性膠體按製備時電場作用的方向切成約1mm厚的薄片，在光電顯微鏡下觀察並拍得其中鈦酸鋇粒子分布情況的照片(CCD圖)，以此來確定複合彈性膠體的結構。
運用相似的方法製備與上述彈性膠體結構不同的另一種彈性體，製備方法的不同之處是膠凝過程中無電場作用。兩種彈性體的CCD圖見圖1實施例二(兩種類型彈性體的壓縮模量對比)將上述兩種類型的彈性體分別在有、無電場存在下測試其壓縮模量，並對鈦酸鋇質量百分濃度作圖，結果如圖2中(a)和(b)實施例三(同一類型膠體在有、無電場作用時所測的壓縮模量)分別對兩種類型的膠體在無電場和有電場(E＝1kV/mm)存在時測試的壓縮模量進行對比分析，如圖3中(i)和(ii)實施例四(不同膠凝電場中所得的膠體(BaTiO3wt％＝1.5)的壓縮模量)以含1.5％鈦酸鋇的體系為例，在不同膠凝電場(0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.7kV/mm)作用下合成得到一系列膠體，並對它們的壓縮模量進行測試。結果如圖4。
實施例五(不同測試電場對膠體(BaTiO3wt％＝1.5)壓縮模量的影響)對於在一定膠凝電場(E＝1 kV/mm)中合成得到的膠體(BaTiO3wt％＝1.5)，在有不同電場(0，1.0，2.0，2.7kV/mm)存在時測試，結果如圖權利要求
1.一種鈦酸鋇/明膠複合彈性電流變膠體及其製備方法，該材料由分散相鈦酸鋇和連續相含水膠聯明膠組成，其主要特徵是製備過程通過施加直流電場作用使分散相顆粒有序分散在連續相中膠凝完成的。
2.一種如權利要求1所述的鈦酸鋇/明膠複合彈性電流變膠體及其製備方法，其特徵是分散相顆粒的質量百分含量是0.5％～10％，連續相是含水明膠，其中明膠在連續項中所佔的比例保持為15％。
3.一種如權利要求1所述的鈦酸鋇/明膠複合彈性電流變膠體及其製備方法，其特徵是製備工藝方法包括以下步驟(1)將一定量明膠在磁攪拌下溶於60～70℃的去離子水中，得濃度為15％的明膠水溶液，並在此溫度下向該溶液中按BaTiO3wt％＝0.5～10含量要求加入鈦酸鋇顆粒(6～14μm)，快速攪拌；(2)待粒子分散均勻後倒入一定容積的有機玻璃盒中，膠凝過程中在盒子的上下兩面上施加平行電場(0～1kV/mm)，室溫下靜置膠凝0.5h；(3)將膠凝了的膠塊浸泡於2％的甲醛溶液中進行化學膠聯，0.5h後用去離子水對膠塊進行衝洗、浸泡，反覆三次，每次5min.最後用濾紙吸乾膠塊表面的水分，得到了鈦酸鋇/明膠複合彈性膠體。
全文摘要
本發明介紹了一種鈦酸鋇/明膠複合彈性電流變膠體及其製備方法。該複合彈性電流變膠體是在直流電場作用下通過鈦酸鋇分散於明膠水溶液間製得的，是一種力學性能可受電場控制的含水電流變材料。這種材料製備過程簡便，材料性能穩定，無腐蝕，無汙染，成本低廉。其電流變效應明顯，在1kV/mm(DC)時，壓縮模量由40.77kPa提高到73.11kPa，提高了79.32％，而且壓縮模量隨著電場強度的增大而增大。
文檔編號C10M159/00GK1515659SQ0311442
公開日2004年7月28日 申請日期2003年1月10日 優先權日2003年1月10日
發明者趙曉鵬, 高玲香 申請人:西北工業大學