专利名称：掺杂过渡金属离子的二氧化钛电流变液材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电流变液材料，特别涉及掺杂过渡金属离子的二氧化钛电流变液材料。
背景技术：
电流变液通常由高介电常数的颗粒分散在绝缘油中组成。受到电场作用时电流变液自身粘度可发生突变，当电场强度大于某一值时电流变液可由液态转变为固态，从而具有较强的抗剪切能力。特别是电流变液的这些变化可受外场大小调制，具有响应快可逆等特点。因此电流变液在许多工业领域具有广泛的应用前景，如减震器、阻尼器、机器人控制、力矩传递装置等。八十年代后期无水电流变液研制成功，如英国专利1501635、2100740A、2170510B等所报道的聚苯胺及改性聚苯胺等电流变液；美国专利4,879,056所报道的硅铝酸盐类电流变液；日本专利63-97694、7-90287等所报道的含碳类电流变液等。这些材料所配制的电流变液较好地克服了含水电流变液温度稳定性差的缺点。但这些电流变液的缺点是力学强度较低，仍不能满足工业应用要求。近年来相继研制出了一些具有较高力学强度的稀土掺杂改性的二氧化钛电流变液，如中国专利99115944.6等。然而由于使用稀土元素掺杂使这些电流变液材料价格昂贵、种类较少而难以被广泛应用。
发明内容
为解决稀土掺杂改性的二氧化钛电流变液上述的缺点，本发明提供了一种具有高电流变效应且价格低廉容易制备的过渡金属离子改性二氧化钛电流变液。其特点是选用了廉价易得的过渡金属离子如铬、铁、铜等作为掺杂元素，可获得与稀土掺杂改性的二氧化钛电流变液力学值相当的高性能电流变液。不仅降低了用昂贵的稀土元素掺杂改性而使电流变液造价过高的缺点，同时合成了多种副族过渡金属离子掺杂的二氧化钛电流变液，从而大大拓宽了改性二氧化钛电流变液种类。制备仍然采用传统的溶胶-凝胶反应，操作过程简单，反应可在低温下进行。由于反应由溶液开始，少量元素的掺杂及其均匀分布较易实现，从而容易对产物组分和性能实施控制。
图1掺杂过渡金属离子的二氧化钛电流变液屈服应力与电场强度(直流)的关系(25℃)图2掺杂铬离子的二氧化钛(Cr/Ti＝0.08)电流变液电流密度与电场强度(直流)的关系(25℃)图3掺杂铬离子的二氧化钛(Cr/Ti＝0.08)电流变液的剪切强度与剪切速率的关系(25℃)图4掺杂铬离子的二氧化钛(Cr/Ti＝0.08)电流变液的表观粘度与剪切速率的关系(25℃)图5掺杂铬离子的二氧化钛电流变液的屈服应力与颗粒浓度的关系(25℃)图6掺杂铬离子的二氧化钛电流变液的屈服应力与铬离子浓度的关系(25℃)具体实施方式
所用原料有化学纯钛酸正丁酯，分析纯无水乙醇，分析纯硝酸铬、硝酸铜、硝酸锌、硝酸铁、硝酸钒或氯化物，二次去离子水。将Ti(O-Bu)4与半量的无水乙醇溶剂混合均匀作为第一组分；用一定量的二次去离子水、硝酸将过渡金属的硝酸盐或氯化物溶解并与另一半量无水乙醇混合均匀作为第二组分。接着，在室温和剧烈搅拌下将第二组分用滴管缓慢滴加到第一组分之中，滴加完毕后继续搅拌5～10分钟以使反应物混合更加均匀，并用硝酸或盐酸调节pH值为2～3，形成透明溶液；然后将此透明溶液放入通风橱中静置12～72小时让其胶凝。待凝胶形成以后，将其放入80℃真空干燥箱内干燥7～8小时，以脱掉有机溶剂和水，并得到疏松的干凝胶块状颗粒。用研钵将其研成细粉，转入坩埚放入箱式电阻炉中，按200℃/2小时、400℃/2小时、550℃/4h连续处理，即得到了掺杂过渡金属离子二氧化钛电流变液分散相材料。最后将此颗粒150℃/8h干燥后与经150℃/2h烘制过的甲基硅油按一定的颗粒/硅油体积比混合均匀，即得到掺杂过渡金属离子二氧化钛电流变液。
本发明的实现过程和材料的性能由实施例和
实施例一(纯TiO2电流变液)将13.6ml Ti(O-Bu)4(密度约为1.0g/cm3)加入到20ml无水乙醇中，并不断搅拌使之混合均匀作为第一组分；将少量硝酸酸和0.5ml二次去离子水混合均匀加入到另半量20ml无水乙醇中作为第二组分。在室温和剧烈搅拌下将第二组分用滴管缓慢滴加到第一组分之中，调整pH值＝2～3。待滴加完毕后，继续搅拌5～10分钟，使反应物混合均匀形成透明溶液，并放入通风橱中静置12小时，让其胶凝。待凝胶形成后，将其放入80℃真空干燥箱内干燥7～8小时，，得到疏松的干凝胶颗粒，用研钵将其研细后放入坩埚内转入箱式电阻炉中，按200℃/2小时、400℃/2小时、550℃/4h连续处理，得到白色的纯二氧化钛粉体。将得到白色的纯二氧化钛粉体按颗粒/硅油的体积比18％混合均匀即得到二氧化钛电流变液。测量其动态屈服应力与电场强度的关系如图1所示。
实施例二将13.6ml Ti(O-Bu)4加入到20ml无水乙醇中，并不断搅拌使之混合均匀作为第一组分；将少量硝酸酸，0.5ml二次去离子水，0.48克硝酸铬混合均匀加入到另半量20ml无水乙醇中形成透明溶液作为第二组分。在室温和剧烈搅拌下将第二组分用滴管缓慢滴加到第一组分之中，用硝酸调整pH值＝2～3。待滴加完毕后，继续搅拌5～10分钟，使反应物混合均匀形成透明溶液，并放入通风橱中静置24小时，让其胶凝。待凝胶形成后，将其放入80℃真空干燥箱内干燥7～8小时，得到疏松的干凝胶颗粒，用研钵将其研细后放入坩埚内转入箱式电阻炉中，按200℃/2小时、400℃/2小时、550℃/4h连续处理，得到褐色的8nol％掺杂铬离子二氧化钛粉体。将得到粉体按颗粒/硅油的体积比18％混合均匀即得到二氧化钛电流变液。测量其动态屈服应力与电场强度的关系如图1所示，电流密度与电场强度的关系如图2所示，剪切强度与剪切速率的关系如图3所示，表观粘度与剪切速率的关系如图4所示。
实施例三按实施例二的制备工艺过程，制备掺铬离子二氧化钛颗粒材料，并按上述颗粒/硅油体积比10％、18％、23％、17％、34％配制成电流变液。测量其屈服应力与电场强度的关系如图5所示。
实施例四按实施例二的制备工艺过程，制备掺硝酸铬0.32、0.64、1.76、2.40克的掺铬离子二氧化钛颗粒材料，并按上述颗粒/硅油体积比18％配制成电流变液。测量其动态屈服应力与电场强度的关系如图6所示。
实施例五按实施例二的制备工艺过程，制备掺0.50克硝酸铜的掺铜离子二氧化钛颗粒材料，并按上述颗粒/硅油体积比18％配制成电流变液。测量其动态应力与电场强度的关系如图1所示。
实施例六按实施例二的制备工艺过程，制备掺0.51克硝酸锌掺锌离子二氧化钛颗粒材料，并按上述颗粒/硅油体积比18％配制成电流变液。测量其动态应力与电场强度的关系如图1所示。
实施例七按实施例二的制备工艺过程，制备掺0.51克硝酸铁掺铁离子二氧化钛颗粒材料，并按上述颗粒/硅油体积比18％配制成电流变液。
实施例八按实施例二的制备工艺过程，制备掺0.51克硝酸钒掺钒离子二氧化钛颗粒材料，并按上述颗粒/硅油体积比18％配制成电流变液。
权利要求
1.一种掺杂过渡金属离子的二氧化钛电流变液材料，其特征在于该材料的分散相为掺杂过渡金属离子的二氧化钛介电颗粒，连续相基液为甲基硅油。
2.如权利要求1所述掺杂过渡金属离子二氧化钛电流变液材料，其特征在于分散相颗粒中二氧化钛作为基体物质，过渡金属离子作为掺杂剂，以置换固溶形式存在于材料中，其中过渡金属为铬、铜、锌、铁、钒等元素。
3.如权利要求1所述掺杂过渡金属离子二氧化钛电流变液材料，其特征在于材料元素的摩尔比为过渡金属离子/钛离子＝0～0.30。
4.如权利要求1所述掺杂过渡金属离子二氧化钛电流变液材料，其特征在于分散相颗粒的制备方法包括以下步骤①选用钛酸丁酯(Ti(O-Bu)4)、过渡金属的硝酸盐(Cr(NO3)3、Cu(NO3)2、Zn(NO3)2、Fe(NO3)3等)或氯化盐(CrCl3、CuCl2、ZnCl2、FeCl3等)、二次去离子水作反应原料，无水乙醇作有机溶剂，硝酸或盐酸做催化剂；②反应物的摩尔配比为钛酸丁酯∶无水乙醇∶水∶硝酸或盐酸＝1∶18～20∶0.625∶0.1～0.2，过渡金属离子/钛离子＝0～0.30摩尔比称取过渡金属的硝酸盐或氯化盐；水与钛酸丁酯的摩尔比控制在0.025～0.25之间，溶液的pH值为2～3，反应温度在15～35℃之间；③将钛酸丁酯与无水乙醇混合获得第一组分；将一定量的二次去离子水、过渡金属的硝酸盐或氯化盐溶解于无水乙醇作为第二组分；将第二组分缓慢滴加到第一组分之中形成透明溶液，并调节pH值为2～3；将此透明溶液静置12～48小时胶凝并将凝胶在80℃真空干燥7～8小时，得到干凝胶块状颗粒；用研钵将其研成细粉，转入坩埚并按200℃/2小时、400℃/2小时、550℃/4小时热处理，即得到掺杂过渡金属离子二氧化钛电流变液分散相材料；④将此颗粒150℃/8小时干燥后与经150℃/2小时烘制过的甲基硅油按一定的颗粒/硅油体积比混合均匀，即得到掺杂过渡金属离子二氧化钛电流变液。
全文摘要
本发明涉及一种电流变液材料，特别涉及一种掺杂过渡金属离子改性二氧化钛无水电流变液材料。与先前的稀土掺杂改性的二氧化钛电流变液材料相比，本发明选用了廉价易得的过渡金属离子如铬、铁、铜等作为掺杂剂，采用常温溶胶－凝胶法制备了改性二氧化钛电流变液材料。该材料不仅具有高的力学性能(附图显示了掺杂过渡铬金属离子改性后二氧化钛电流变液剪切应力与剪切速率的关系曲线(25℃，颗粒体积比18％))，同时克服了用昂贵的稀土元素作掺杂剂，大大降低了原有材料的成本，拓宽了改性二氧化钛电流变液材料的种类。
文档编号C10M125/10GK1607242SQ20031010582
公开日2005年4月20日 申请日期2003年10月13日 优先权日2003年10月13日
发明者赵晓鹏, 尹剑波 申请人:西北工业大学