專利名稱：鈦酸鈣電流變液及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種電流變液材料及其制備技術，具體地說是涉及一種無水鈦酸鈣電流變液材料及其制備方法。
背景技術：
電流變液是納米至微米級介電小顆粒和絕緣油的均勻混合體。通常狀態下，電流變液呈液狀，表觀粘度類似于油。施加電場后，電流變液表觀粘度可隨場強的增大而增大，甚至當場強達到某一個值以后，達到停止流動或固化。當外場撤除后，又可回復到原始粘度。這種可逆的“液-固”轉換的響應時間十分靈敏，一般為毫秒量級。所以，這種控制簡單的材料極易與微機技術結合實現完全自動的智能化控制，是一種極具發展前景的智能材料。其應用范圍廣泛，可用于離合器、制動器、阻尼系統、減震器、電子控制懸置系統等等，遍布各類工業和技術部門。目前已發現有多種電流變液可以產生電流變效應，但是現有的絕大部分電流變液的剪切強度低，一般不高于10kPa，無法達到工業應用水平，實現工程應用價值。
發明內容
本發明的目的在于克服現有電流變液剪切強度低，無法達到工業應用水平的缺陷，從而提供一種高剪切強度、低電流密度、結構穩定、無污染、無腐蝕性，且原料成本低、周期短、制備工藝簡單的鈦酸鈣電流變液。
本發明的另一目的在于提供上述鈦酸鈣電流變液的制備方法。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明提供的鈦酸鈣電流變液，其分散相為納米至微米尺寸的鈦酸鈣顆粒，分散介質為二甲基硅油。該無水鈦酸鈣電流變液中的無水鈦酸鈣顆粒的體積濃度為5～50％。
所述的無水鈦酸鈣顆粒由草酸共沉淀法制備而成；所述的二甲基硅油粘度為5～500mm2/s。
本發明提供上述鈦酸鈣電流變液的制備方法，其為先使用草酸共沉淀法制備無水鈦酸鈣顆粒，再與二甲基硅油均勻混合，具體包括如下步驟1、無水鈦酸鈣顆粒的制備將鈦鹽與無水乙醇或無水異丙醇按摩爾比1∶20～30混合，攪拌均勻，得到溶液T；所述的鈦鹽為四氯化鈦、四溴化鈦、鈦酸四丁酯、鈦酸四乙酯或鈦酸四異丙酯；將可溶性鈣鹽化合物溶于去離子水中，配制成濃度為1～3mol/l水溶液C；所述的可溶性鈣鹽化合物包括醋酸鈣、無水氯化鈣、二水氯化鈣、六水氯化鈣、無水硝酸鈣、四水硝酸鈣或三水硝酸鈣；把草酸溶解于去離子水中，配制成濃度為1～3mol/l水溶液O；在攪拌或者超聲條件下，40～60℃水浴中，將溶液C和溶液T充分混合，得均勻混合溶液CT，然后滴加鹽酸或者硝酸，調節溶液PH值為2～4；將溶液O滴入溶液CT中，逐漸形成沉淀；三種溶液的混合體積比為T∶C∶O＝1.0～5.0∶1.0∶0.5～6.5；反應完全后，將生成的沉淀在40～60℃下陳化8～12小時；將此陳化后的沉淀用去離子水和無水乙醇洗滌數次，過濾，于空氣中50～60℃下干燥120～200小時，再經120℃干燥，即得到所需的納米至微米級尺寸分布的鈦酸鈣顆粒；2、無水鈦酸鈣電流變液的制備將步驟1得到的無水鈦酸鈣顆粒與二甲基硅油均勻混合，得到本發明的無水鈦酸鈣電流變液；所述二甲基硅油的粘度為5～500mm2/s；所得到的無水鈦酸鈣電流變液中的鈦酸鈣顆粒的體積濃度為5～50％。
本發明提供的無水鈦酸鈣電流變液，是以草酸共沉淀法制備的鈦酸鈣顆粒與二甲基硅油配制而成，具有強電流變效應。鈦酸鈣顆粒與二甲基硅油按體積分數30％配制成的電流變液，當外加電場高于3000V/mm以上時，其屈服強度可達100kPa以上。本發明所提供的鈦酸鈣電流變液材料成本低廉，制備工藝簡單，周期短，此外，其更有結構穩定，低電流密度，無毒，無污染，無腐蝕性，抗沉降性好等眾多優點。
具體實施例方式
實施例1將30ml鈦酸四丁酯與無水乙醇按摩爾比1∶20混合，攪拌均勻，得到穩定溶液T；將醋酸鈣溶于去離子水中，配制摩爾濃度為1mol/l的鈣溶液C；把草酸溶解于去離子水中，配制成濃度為3mol/l水溶液O；在攪拌條件下，40℃水浴中，將溶液C和溶液T充分混合，得均勻混合溶液CT，滴加硝酸，調節混合溶液的PH值至2；然后將溶液O滴入溶液CT中，沉淀逐漸形成(三種溶液的體積比為1.0∶1.0∶0.7)。反應完全后，將此沉淀在40℃下陳化8小時，然后將沉淀用去離子水和無水乙醇數次洗滌、過濾后于干燥箱中50℃下干燥168小時，再經120℃干燥，即得到所需的納米至微米級尺寸分布的鈦酸鈣顆粒。
將該鈦酸鈣顆粒與粘度為100mm2/s的二甲基硅油均勻混合，配成體積濃度為5％，30％和50％的本發明的鈦酸鈣電流變液。當外加電場V＝4kV/mm時，5％電流變液的剪切強度可達11kPa，電流密度為0.08μA/cm2；30％電流變液的剪切強度可達100kPa，電流密度為1.5μA/cm2；50％電流變液的剪切強度可達105kPa，電流密度為3μA/cm2；在20～150℃的溫度變范圍內，該電流變液剪切強度的變化小于5％。靜置6個月后，該電流變液無明顯沉降。
實施例2將30ml四氯化鈦與無水異丙醇按摩爾比1∶30混合，攪拌均勻，得到穩定溶液T；將無水氯化鈣溶于去離子水中，配制摩爾濃度為3mol/l的鈣溶液C；把草酸溶解于去離子水中，配制成濃度為1mol/l水溶液O；在超聲條件下，50℃水浴中，將溶液C和溶液T充分混合，得均勻混合溶液CT，滴加鹽酸，調節混合溶液的PH值至3；然后將溶液O滴入溶液CT中，沉淀逐漸形成(三種溶液的體積比為4.7∶1.0∶6.4)。反應完全后，將此沉淀在50℃下陳化10小時，然后將沉淀用去離子水和無水乙醇數次洗滌、過濾后于干燥箱中55℃下干燥120小時，再經120℃干燥，即得到所需的納米至微米級尺寸分布的鈦酸鈣顆粒。
將該鈦酸鈣顆粒與粘度為10mm2/s的二甲基硅油均勻混合，配成體積濃度為10％，30％和45％的本發明的鈦酸鈣電流變液。當外加電場V＝3.0kV/mm時，10％的電流變液的剪切強度為10kPa，電流密度為0..05μA/cm2；30％的電流變液的剪切強度可達80kPa，電流密度0.8μA/cm2；45％的電流變液的剪切強度可達95kPa，電流密度為2μA/cm2；在20～150℃的溫度范圍，該電流變液剪切強度的變化小于5％；靜置6個月后，該電流變液無明顯沉降。
實施例3將30ml四溴化鈦與無水乙醇按摩爾比1∶25混合，攪拌均勻，得到穩定溶液T；將二水氯化鈣溶于去離子水中，配制摩爾濃度為2mol/l的鈣溶液C；把草酸溶解于去離子水中，配制成濃度為2mol/l水溶液O；在攪拌條件下，60℃水浴中，將溶液C和溶液T充分混合，得均勻混合溶液CT，滴加鹽酸，調節混合溶液的pH值至4；然后將溶液O滴入溶液CT中，沉淀逐漸形成(三種溶液的體積比為2.6∶1.0∶2.2)。反應完全后，將此沉淀在60℃下陳化12小時，然后將沉淀用去離子水和無水乙醇數次洗滌、過濾后于干燥箱中60℃下干燥140小時，再經120℃干燥，即得到所需的納米至微米級尺寸分布的鈦酸鈣顆粒。
將該鈦酸鈣顆粒與粘度為10mm2/s的二甲基硅油均勻混合，配成體積濃度為15％，30％和42％的本發明的鈦酸鈣電流變液。當外加電場V＝4.5kV/mm時，15％電流變液的剪切強度可達15kPa，電流密度為0.7μA/cm2；30％的電流變液的剪切強度可達120kPa，電流密度為2μA/cm2；42％電流變液的剪切強度可達130kPa，電流密度為5μA/cm2；在20～150℃的溫度變范圍內，該電流變液剪切強度的變化小于5％。靜置6個月后，該電流變液無明顯沉降。
實施例4將30ml鈦酸四乙酯與無水異丙醇按摩爾比1∶22混合，攪拌均勻，得到穩定溶液T；將六水氯化鈣溶于去離子水中，配制摩爾濃度為1mol/l的鈣溶液C；把草酸溶解于去離子水中，配制成濃度為3mol/l水溶液O；在攪拌條件下，40℃水浴中，將溶液C和溶液T充分混合，得均勻混合溶液CT，滴加硝酸，調節混合溶液的PH值至2；然后將溶液O滴入溶液CT中，沉淀逐漸形成(三種溶液的體積比為1.1∶1∶0.7)。反應完全后，將此沉淀在40℃下陳化9小時，然后將沉淀用去離子水和無水乙醇數次洗滌、過濾后于干燥箱中50℃下干燥200小時，再經120℃干燥，即得到所需的納米至微米級尺寸分布的鈦酸鈣顆粒。
將該鈦酸鈣顆粒與粘度為10mm2/s的二甲基硅油均勻混合，配成體積濃度為20％，30％和38％的本發明的鈦酸鈣電流變液。當外加電場V＝5kV/mm時，20％電流變液的剪切強度可達30kPa，電流密度為0.1μA/cm2；30％電流變液的剪切強度可達100kPa，電流密度為2.0μA/cm2；38％電流變液的剪切強度可達106kPa，電流密度為4μA/cm2；在20～150℃的溫度變范圍內，該電流變液剪切強度的變化小于5％。靜置6個月后，該電流變液無明顯沉降。
實施例5將30ml鈦酸四異丙酯與無水異丙醇按摩爾比1∶30混合，攪拌均勻，得到穩定溶液T；將無水硝酸鈣溶于去離子水中，配制摩爾濃度為3mol/l的鈣溶液C；把草酸溶解于去離子水中，配制成濃度為2.5mol/l水溶液O；在超聲條件下，50℃水浴中，將溶液C和溶液T充分混合，得均勻混合溶液CT，滴加鹽酸，調節混合溶液的PH值至3；然后將溶液O滴入溶液CT中，沉淀逐漸形成(三種溶液的體積比為4.7∶1.0∶2.5)。反應完全后，將此沉淀在50℃下陳化11小時，然后將沉淀用去離子水和無水乙醇數次洗滌、過濾后于干燥箱中55℃下干燥190小時，再經120℃干燥，即得到所需的納米至微米級尺寸分布的鈦酸鈣顆粒。
將該鈦酸鈣顆粒與粘度為10mm2/s的二甲基硅油均勻混合，配成體積濃度為16％，30％和40％的本發明的鈦酸鈣電流變液。當外加電場V＝3.0kV/mm時，16％的電流變液的剪切強度為16kPa，電流密度為0..03μA/cm2；30％的電流變液的剪切強度可達60kPa，電流密度0.8μA/cm2；40％的電流變液的剪切強度可達80kPa，電流密度為2μA/cm2；在20～150℃的溫度范圍，該電流變液剪切強度的變化小于5％；靜置6個月后，該電流變液無明顯沉降。
實施例6將30ml四溴化鈦與無水乙醇按摩爾比1∶20混合，攪拌均勻，得到穩定溶液T；將四水硝酸鈣溶于去離子水中，配制摩爾濃度為2.6mol/l的鈣溶液C；把草酸溶解于去離子水中，配制成濃度為3mol/l水溶液O；在攪拌條件下，60℃水浴中，將溶液C和溶液T充分混合，得均勻混合溶液CT，滴加鹽酸，調節混合溶液的pH值至2.2；然后將溶液O滴入溶液CT中，沉淀逐漸形成(三種溶液的體積比為2.6∶1.0∶1.9)。反應完全后，將此沉淀在60℃下陳化12小時，然后將沉淀用去離子水和無水乙醇數次洗滌、過濾后于干燥箱中60℃下干燥170小時，再經120℃干燥，即得到所需的納米至微米級尺寸分布的鈦酸鈣顆粒。
將該鈦酸鈣顆粒與粘度為10mm2/s的二甲基硅油均勻混合，配成體積濃度為8％，30％和35％的本發明的鈦酸鈣電流變液。當外加電場V＝4.5kV/mm時，8％電流變液的剪切強度可達10kPa，電流密度為0.6μA/cm2；30％的電流變液的剪切強度可達120kPa，電流密度為2μA/cm2；35％電流變液的剪切強度可達125kPa，電流密度為5μA/cm2；在20～150℃的溫度變范圍內，該電流變液剪切強度的變化小于5％。靜置6個月后，該電流變液無明顯沉降。
實施例7將30ml四氯化鈦與無水異丙醇按摩爾比1∶28混合，攪拌均勻，得到穩定溶液T；將三水硝酸鈣溶于去離子水中，配制摩爾濃度為2mol/l的鈣溶液C；把草酸溶解于去離子水中，配制成濃度為2mol/l水溶液O；在超聲條件下，50℃水浴中，將溶液C和溶液T充分混合，得均勻混合溶液CT，滴加鹽酸，調節混合溶液的PH值至4；然后將溶液O滴入溶液CT中，沉淀逐漸形成(三種溶液的體積比為2.9∶1.0∶2.2)。反應完全后，將此沉淀在50℃下陳化10小時，然后將沉淀用去離子水和無水乙醇數次洗滌、過濾后于干燥箱中55℃下干燥120小時，再經120℃干燥，即得到所需的納米至微米級尺寸分布的鈦酸鈣顆粒。
將該鈦酸鈣顆粒與粘度為10mm2/s的二甲基硅油均勻混合，配成體積濃度為12％，30％和46％的本發明的鈦酸鈣電流變液。當外加電場V＝3.0kV/mm時，12％的電流變液的剪切強度為9.6kPa，電流密度為0..02μA/cm2；30％的電流變液的剪切強度可達75kPa，電流密度0.8μA/cm2；46％的電流變液的剪切強度可達105kPa，電流密度為1.5μA/cm2；在20～150℃的溫度范圍，該電流變液剪切強度的變化小于5％；靜置6個月后，該電流變液無明顯沉降。
由上述實施例的結果可以看出，本發明提供的鈦酸鈣電流變液當外加電場超過3kV/mm后，剪切強度可達100kPa，而電流密度小于5μA/cm2。并且此電流變液結構穩定、不易沉降、可用溫度范圍廣、材料成本低、制備工藝簡單、周期短、產率高。
權利要求
1.一種無水鈦酸鈣電流變液，其特征在于，該無水鈦酸鈣電流變液是以納米至微米尺寸的無水鈦酸鈣顆粒作為分散相，且其均勻分散于二甲基硅油分散介質中形成的液體；該無水鈦酸鈣電流變液中的無水鈦酸鈣顆粒的體積濃度為5～50％。
2.如權利要求1所述的鈦酸鈣電流變液，其特征在于所述的無水鈦酸鈣顆粒由草酸共沉淀法制備而成。
3.如權利要求1所述的鈦酸鈣電流變液，其特征在于所述的二甲基硅油粘度為5～500mm2/s。
4.一種權利要求1所述的鈦酸鈣電流變液的制備方法，其為先使用草酸共沉淀法制備無水鈦酸鈣顆粒，再與二甲基硅油均勻混合，具體包括如下步驟1)無水鈦酸鈣顆粒的制備將鈦鹽與無水乙醇或無水異丙醇按摩爾比1∶20～30混合，攪拌均勻，得到溶液T；將可溶性鈣鹽化合物溶于去離子水中，配制成濃度為1～3mol/l水溶液C；把草酸溶解于去離子水中，配制成濃度為1～3mol/l水溶液O；在攪拌或者超聲條件下，40～60℃水浴中，將溶液C和溶液T充分混合，得均勻混合溶液CT，然后滴加鹽酸或者硝酸，調節溶液PH值為2～4；將溶液O滴入溶液CT中，逐漸形成沉淀；三種溶液的混合體積比為T∶C∶O＝1.0～5.0∶1.0∶0.5～6.5；反應完全后，將生成的沉淀在40～60℃下陳化8～12小時；將此陳化后的沉淀用去離子水和無水乙醇洗滌數次，過濾，于空氣中50～60℃下干燥120～200小時，再經120℃干燥，即得到所需的納米至微米級尺寸分布的鈦酸鈣顆粒；2)無水鈦酸鈣電流變液的制備將步驟1)得到的無水鈦酸鈣顆粒與二甲基硅油均勻混合，得到本發明的無水鈦酸鈣電流變液。
5.如權利要求4所述的鈦酸鈣電流變液的制備方法，其特征在于所述的鈦鹽為四氯化鈦、四溴化鈦、鈦酸四丁酯、鈦酸四乙酯或鈦酸四異丙酯。
6.如權利要求4所述的鈦酸鈣電流變液的制備方法，其特征在于所述的可溶性鈣鹽化合物包括醋酸鈣、無水氯化鈣、二水氯化鈣、六水氯化鈣、無水硝酸鈣、四水硝酸鈣或三水硝酸鈣。
7.如權利要求4所述的鈦酸鈣電流變液，其特征在于所述二甲基硅油的粘度為5～500mm2/s。
8.如權利要求4所述的鈦酸鈣電流變液，其特征在于所得到的無水鈦酸鈣電流變液中的無水鈦酸鈣顆粒的體積濃度為5～50％。
全文摘要
本發明涉及一種鈦酸鈣電流變液，該無水鈦酸鈣電流變液是以納米至微米尺寸的無水鈦酸鈣顆粒作為分散相，且其均勻分散于二甲基硅油分散介質中形成的液體；該無水鈦酸鈣電流變液中的鈦酸鈣顆粒的體積濃度為5～50％。其制備方法是先使用草酸共沉淀法制備鈦酸鈣顆粒，再與二甲基硅油混合均勻而得。本發明的鈦酸鈣電流變液具有強電流變效應，其剪切強度高，電流密度低，而且結構穩定，無污染，無腐蝕性，抗沉降性能好，此外，該鈦酸鈣電流變液成本低廉，周期短，制備工藝簡單。
文檔編號C10N40/14GK1752195SQ20041007824
公開日2006年3月29日 申請日期2004年9月21日 優先權日2004年9月21日
發明者王學昭, 沈容, 陸坤權, 王志勇, 牛小娟 申請人:中國科學院物理研究所