纳米纤维素对二氧化钛电流变液的性能改善研究

摘要

Yi-O体系电流变液（Electrorheological fluid，ERF）是一种Ti-O微粒分散在油相中所形成的液体材料，根据在电场下高介电性极性分子发生取向从而大幅度提升剪切强度的原理，可以发展其在半主动减震装置、离合制动装置、液体阀等方面的应用。但这种电流变液目前还存在易团聚和沉降、电流变性能低和不稳定等需要改善的问题。将可从林业剩余物中制备的纳米纤维素晶须(CNW)与纳米纤维素纤丝(CNF)与Ti-O体系复合是改善电流变液性能的一种新思路。纳米纤维素具有的形态尺寸精细、比表面积大、表面能高和高介电性等优点，侧链的羟基可在油液中更好吸附极性分子，在电场作用下更加容易聚合成链，与油液相近的密度也使其抗沉降性更佳，能够满足电流变液的易成链、抗沉降性强以及剪切强度稳定等要求。本文利用溶胶-凝胶法与水热法分别制备出CNW与二氧化钛(TiO2)胶体的复合物和CNF与锐钛矿的复合物，调节原料的添加比例使纳米纤维素与二氧化钛以10％、20％和30％的比例复合。通过透射电镜、X射线衍射、红外光谱进行形貌表征分析以及电流变性能测试后得出以下结论:
　　(1)溶胶-凝胶法制备的纳米晶须/TiO2复合材料直径平均在10nm左右，长度为200-300nm，TiO2均匀覆盖，当其比例较大时无定形TiO2会连接成块使数个纤丝连接在一起。水热法制备的纳米纤丝/TiO2复合材料直径在10-50nm区间，长度为数微米，TiO2呈颗粒状附着，当其比例较大时TiO2的包覆会增厚使直径增加。两种材料尺寸均符合新型电流变液的尺寸需求。
　　(2)在剪切强度-电场强度与剪切强度-极性分子的对比测试中，YiO2的剪切强度受到Ti-OH含量与吸附性的制约无法充分发挥极性分子的作用。纳米纤维素的复合解除了这一限制，使极性分子电流变效应中可得到充分的发挥同时增大了极性分子的吸附上限，测试中由于极性分子的充分发挥剪切强度不同程度的提高，最高达到6倍。
　　(3)在剪切强度-剪切速率关系测试中，对比YiO2电流变液(17％、22％)，纳米纤维素发挥其形貌优势使复合材料电流变液在高剪切速率下保持了较高比例的剪切强度(58.9％，48.8％)，纤维状材料形貌优势是强度提高的主要原因。此时两种纤维素复合材料间出现了差异，纳米晶须的添加使复合材料有更高的剪切强度保留比，纳米纤丝则是在剪切强度稳定性上保持。
　　(4)在剪切强度-温度关系测试中，纳米纤维素的形貌与TiO2的晶型并没有影响两种材料的温度变化特性。两种复合材料均在纳米纤维素复合比例从10％增加到20％电流变液温度特性发生变化。
　　(5)在电流变重复性测试中，在作为对比测试的YiO2电流变液均出现击穿(4kV·mm-1)或劣化的情况下，复合材料的剪切强度基本不受影响（小于4％）。这说明纳米纤维素的复合使电流变液在诸多条件与环境下电流变液依旧可以正常工作，拓宽了应用范围同时延长了其电流变液的使用寿命。纳米纤丝复合材料在重复测试后电流密度小于晶须复合材料，这说明纳米纤丝在这方面提升更明显。
　　(6)在抗沉降性测试中，纳米纤维素的加入提高了TiO2的整体抗沉降性能。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。另一方面减缓了电流变材料的沉降速度，由一天达到最终沉降值延长至五天。纳米纤丝在沉降率提升及沉降速度降低这两方面表现的更加优秀。
　　研究结果证实，纳米纤维素的应用使得Ti-O体系ERF减少极性分子流失，在电场强度和温度等环境变化中的剪切强度以及在ERF的使用寿命上都有很大程度提升，整体电流变效果得到了明显改善，纳米纤丝在稳定性提升方面表现的更加明显。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电流变液简介

1．2．2 电流变液理论模型

1．2．3 电流变材料的构成和分类

1．2．4 纤维型复合电流变材料

1．2．5 电流变液材料发展遇到的技术问题

1．3 纤维素在电流变材料中的应用

1．3．1 纤维素作为电流变材料的研究进展

1．3．2 纳米纤维素作为电流变材料的应用潜力

1．4 本论文的研究思路与研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究思路

1．4．3 研究内容

2 实验内容

2．1 实验材料

2．2 实验仪器

2．3 电流变材料的制备

2．3．1 纳米纤维素的制备

2．3．2 纤维素纳米晶须／无定形TiO2复合材料的制备

2．3．3 纤维素纳米纤丝／锐钛矿型TiO2复合材料的制备

2．4 结构表征与性能测试

3 纤维素纳米晶须／无定形TiO2结构与电流变性能表征

3．1 引言

3．2 复合材料的形貌与结构表征

3．2．1 透射电镜分析

3．2．2 红外光谱分析

3．2．3 XRD分析

3．3 复合材料电流变液的电流变性能表征

3．3．1 剪切强度-电场关系测试

3．3．2 剪切强度-极性分子关系测试

3．3．3 剪切强度-剪切速率关系测试

3．3．4 剪切强度-温度关系测试

3．3．5 电流变液可重复性能测试

3．3．6 电流变液抗沉降测试

3．4 本章小结

4 纤维素纳米纤丝／锐钛矿型TiO2结构与电流变性能表征

4．1 引言

4．2 复合材料的形貌与结构表征

4．2．1 透射电镜分析

4．2．2 红外光谱分析

4．2．3 XRD分析

4．3 复合材料的电流变性能表征

4．3．1 剪切强度-电场关系测试

4．3．2 剪切强度-极性分子关系测试

4．3．3 剪切强度-剪切速率关系测试

4．3．4 剪切强度-温度关系测试

4．3．5 电流变液可重复性能测试

4．3．6 电流变液抗沉降测试

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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