納米纖維素對二氧化鈦電流變液的性能改善研究.pdf

1、Yi-O體系電流變液（Electrorheological fluid，ERF）是一種Ti-O微粒分散在油相中所形成的液體材料，根據(jù)在電場下高介電性極性分子發(fā)生取向從而大幅度提升剪切強度的原理，可以發(fā)展其在半主動減震裝置、離合制動裝置、液體閥等方面的應(yīng)用。但這種電流變液目前還存在易團聚和沉降、電流變性能低和不穩(wěn)定等需要改善的問題。將可從林業(yè)剩余物中制備的納米纖維素晶須(CNW)與納米纖維素纖絲(CNF)與Ti-O體系復(fù)合是改善電流變液性

2、能的一種新思路。納米纖維素具有的形態(tài)尺寸精細、比表面積大、表面能高和高介電性等優(yōu)點，側(cè)鏈的羥基可在油液中更好吸附極性分子，在電場作用下更加容易聚合成鏈，與油液相近的密度也使其抗沉降性更佳，能夠滿足電流變液的易成鏈、抗沉降性強以及剪切強度穩(wěn)定等要求。本文利用溶膠-凝膠法與水熱法分別制備出CNW與二氧化鈦(TiO2)膠體的復(fù)合物和CNF與銳鈦礦的復(fù)合物，調(diào)節(jié)原料的添加比例使納米纖維素與二氧化鈦以10％、20％和30％的比例復(fù)合。通過透射電鏡

3、、X射線衍射、紅外光譜進行形貌表征分析以及電流變性能測試后得出以下結(jié)論:
　　(1)溶膠-凝膠法制備的納米晶須/TiO2復(fù)合材料直徑平均在10nm左右，長度為200-300nm，TiO2均勻覆蓋，當(dāng)其比例較大時無定形TiO2會連接成塊使數(shù)個纖絲連接在一起。水熱法制備的納米纖絲/TiO2復(fù)合材料直徑在10-50nm區(qū)間，長度為數(shù)微米，TiO2呈顆粒狀附著，當(dāng)其比例較大時TiO2的包覆會增厚使直徑增加。兩種材料尺寸均符合新型電流變液的

4、尺寸需求。
　　(2)在剪切強度-電場強度與剪切強度-極性分子的對比測試中，YiO2的剪切強度受到Ti-OH含量與吸附性的制約無法充分發(fā)揮極性分子的作用。納米纖維素的復(fù)合解除了這一限制，使極性分子電流變效應(yīng)中可得到充分的發(fā)揮同時增大了極性分子的吸附上限，測試中由于極性分子的充分發(fā)揮剪切強度不同程度的提高，最高達到6倍。
　　(3)在剪切強度-剪切速率關(guān)系測試中，對比YiO2電流變液(17％、22％)，納米纖維素發(fā)揮其形貌優(yōu)勢

5、使復(fù)合材料電流變液在高剪切速率下保持了較高比例的剪切強度(58.9％，48.8％)，纖維狀材料形貌優(yōu)勢是強度提高的主要原因。此時兩種纖維素復(fù)合材料間出現(xiàn)了差異，納米晶須的添加使復(fù)合材料有更高的剪切強度保留比，納米纖絲則是在剪切強度穩(wěn)定性上保持。
　　(4)在剪切強度-溫度關(guān)系測試中，納米纖維素的形貌與TiO2的晶型并沒有影響兩種材料的溫度變化特性。兩種復(fù)合材料均在納米纖維素復(fù)合比例從10％增加到20％電流變液溫度特性發(fā)生變化。

6、r>　　(5)在電流變重復(fù)性測試中，在作為對比測試的YiO2電流變液均出現(xiàn)擊穿(4kV·mm-1)或劣化的情況下，復(fù)合材料的剪切強度基本不受影響（小于4％）。這說明納米纖維素的復(fù)合使電流變液在諸多條件與環(huán)境下電流變液依舊可以正常工作，拓寬了應(yīng)用范圍同時延長了其電流變液的使用壽命。納米纖絲復(fù)合材料在重復(fù)測試后電流密度小于晶須復(fù)合材料，這說明納米纖絲在這方面提升更明顯。
　　(6)在抗沉降性測試中，納米纖維素的加入提高了TiO2的整體

7、抗沉降性能。一方面大幅度降低了沉降率，使TiO2的沉降率由50％提升至平均10％左右。另一方面減緩了電流變材料的沉降速度，由一天達到最終沉降值延長至五天。納米纖絲在沉降率提升及沉降速度降低這兩方面表現(xiàn)的更加優(yōu)秀。
　　研究結(jié)果證實，納米纖維素的應(yīng)用使得Ti-O體系ERF減少極性分子流失，在電場強度和溫度等環(huán)境變化中的剪切強度以及在ERF的使用壽命上都有很大程度提升，整體電流變效果得到了明顯改善，納米纖絲在穩(wěn)定性提升方面表現(xiàn)的更加明