含水复合电流变弹性胶体的制备及其性能研究

论文摘要

根据电流变效应原理，以制备湿的仿生智能材料为目标，采用明胶水凝胶为基体，无机及天然有机物质为分散粒子，首次制备出含水复合电流变胶体。研究了影响胶体对电场响应行为的各种因素，为研制具有良好电流变性能的智能水凝胶打下基础。本项研究制备了钛酸钡／明胶水凝胶复合胶体、淀粉／甘油／明胶水凝胶复合胶体以及钛酸钡／甘油／明胶水凝胶复合胶体。通过对胶体中颗粒分布情况的观察，对胶体压缩模量的测量以及对胶体胶凝过程的电阻、介电常数的动态监测，研究了胶体微观结构、力学性能以及电学性能。取得以下主要结果：1．将钛酸钡微米颗粒在有／无电场作用下分散于明胶水溶液中，冷却胶凝后经化学交联得到了含水复合弹性胶体。对胶体的微观结构和力学性能的研究表明，两种不同条件下制备的胶体中分散相颗粒的分布明显不同，且对电场的响应程度也有很大差异。在电场作用下胶凝所得的胶体中，钛酸钡颗粒有序排列成珠串结构。颗粒的有序分布使得胶体的压缩模量增强，对电场作用的响应程度增大，颗粒成链及对交联网络填充的共同作用，使胶体在颗粒浓度1．5wt％时压缩模量出现一极大值，并对电场的响应最强。实验表明，胶凝时所加电场越强，胶体的压缩模量随之增加；一定电场下胶凝的胶体，其压缩模量则随外加测试电场的增大而增大。2．为了改善颗粒在基体中的分散状况，提高基体的稳定性，研制稳定性高、对环境友好的电流变胶体，将天然高分子淀粉颗粒分散到明胶／甘油含水体系中，在有／无电场作用的条件下胶凝，分别得到了两种含水电流变弹性胶体。对胶体压缩模量进行测试，并对胶体胶凝过程电阻进行动态监测，结果表明，胶体的压缩模量在外加直流电场作用下有显著增加，且随着颗粒浓度的增加而增大，在颗粒浓度为25wt％时达到最大值。根据胶凝过程中电阻的动态监测结果，认为由于电场作用使颗粒有序分布于母体的胶联网络中，并形成链状结构，导致胶体对电场作用的响应程度增大，压缩模量增强，胶体体系的电阻值增大。3．为了进一步研究含水复合弹性胶体的电流变行为和影响因素，采用反胶束-低温溶剂热法制备了长度1～2μm，粒径约80～100nm钛酸钡纳米棒。将钛酸钡纳米棒在有／无电场作用下分散于甘油／明胶含水体系中，经胶凝固化后得到了含水复合弹性胶体，并对其弹性模量以及胶凝过程的介电常数进行了测量。结果表明，胶体体系的性能不仅受外加电场、所含粒子浓度的调节，还受粒子体积和形貌的影响。随着外加电场的增强，胶体模量先增大后减小，在1kV／mm出现一极大值；胶凝体系的介电常数的变化趋势是先降低后升高，在1kV／mm出现一极小值。随着粒子浓度从0．5wt％增至2．5wt％，所测物理量在1．5wt％处出现极值：模量的极大值，介电常数的极小值；随着粒子中纳米棒的含量增多，胶体模量增大，胶凝体系的介电常数减小。4．依据物理化学理论原理和实际实验结果，综合总结分析了以明胶水凝胶为基体的复合胶体电流变效应的影响因素。粒子的高介电常数，与母体适配的密度，有利于极化后易产生较大偶极距的几何尺寸和形状，以及适宜的分散浓度，都能促进复合胶体的电流变效应。母体的物理化学稳定性及适宜的柔弹性对胶体电流变效应也是非常重要的。母体的性能是胶体电流变效应的基础条件，分散粒子的性能则是改善和提高胶体电流变性能的突破口，外加电场是调节和控制胶体性能变化的核心。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• §1.1 智能材料
• §1.2 电流变材料
• §1.3 本研究的目的及工作安排
• 第二章 电流变材料研究进展
• §2.1 电流变液研究进展
• 2.1.1 无机材料
• 2.1.2 有机材料
• 2.1.3 包覆材料
• 2.1.4 有机-无机杂化材料
• §2.2 电流变胶体
• 2.2.1 基体材料
• 2.2.2 分散粒子
• 2.2.2.1 无机粒子
• 2.2.2.2 有机粒子
• 2.2.2.3 多层包覆材料
• §2.3 电流变效应的影响因素
• 2.3.1 电场强度的影响
• 2.3.2 电场频率的影响
• 2.3.3 电流变颗粒介电性质和电导的影响
• 2.3.4 分散相颗粒浓度的影响
• 2.3.5 颗粒的粒径和形状的影响
• 2.3.6 基体的影响
• §2.4 电流变效应的机理
• 2.4.1 介电极化模型
• 2.4.2 电导模型
• 2.4.3 成纤化模型
• 2.4.4 双电层极化模型
• §2.5 电流变体的结构特征
• 2.5.1 静态结构特征
• 2.5.2 动态结构特征
• §2.6 本论文的基本思想
• 参考文献
• 第三章 钛酸钡/明胶水凝胶复合胶体的制备及其性能研究
• §3.1 引言
• §3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器与试剂
• 3.2.2 样品制备
• 3）微米颗粒的制备'>3.2.2.1 钛酸钡（BaTiO₃）微米颗粒的制备
• 3.2.2.2 电流变胶体的制备
• 3.2.3 电流变胶体的力学性能测试
• §3.3 电流变颗粒的表征及胶体的结构分析和力学性能研究
• 3.3.1 钛酸钡微米颗粒的表征
• 3.3.3 电流变胶体的力学性能研究
• 3.3.3.1 胶凝电场对胶体弹性模量的影响
• 3.3.3.2 测试电场对胶体弹性模量的影响
• 3.3.3.3 颗粒浓度对胶体弹性模量的影响
• 3.3.3.4 电场强度对弹性胶体压缩模量的影响
• §3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 淀粉/甘油/明胶水凝胶复合胶体的制备及其性能研究
• §4.1 引言
• §4.2 实验部分
• 4.2.1 仪器与试剂
• 4.2.2 淀粉颗粒表征
• 4.2.2.1 淀粉的粒径和形貌
• 4.2.2.2 淀粉的比重测定
• 4.2.4 复合胶体的性能测试
• 4.2.4.1 力学性能测试
• 4.2.4.2 电学性能测试
• §4.3 复合胶体的性能研究
• 4.3.1 胶体力学性能研究
• 4.3.1.1 两种胶体的压缩模量
• 4.3.1.2 胶体对电场的响应
• 4.3.1.3 测试电场强度对胶体压缩模量的影响
• 4.3.2 胶体电学性能研究
• 4.3.2.1 胶凝电场对含不同浓度淀粉的体系电阻的影响
• 4.3.2.2 颗粒浓度对胶体体系电阻的影响
• 4.3.2.3 胶体胶凝体系的电阻与其压缩模量之间的关系
• 4.3.3 胶体的稳定性
• §4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 钛酸钡/甘油/明胶水凝胶复合胶体的制备及其性能研究
• §5.1 引言
• §5.2 实验部分
• 5.2.1 仪器与试剂
• 5.2.2 样品制备
• 5.2.2.1 钛酸钡纳米粒子的制备
• 5.2.2.2 电流变胶体的制备
• 5.2.3 材料表征和性能测试
• §5.3 电流变胶体的性能
• 5.3.1 外加电场强度对胶体性能的影响
• 5.3.1.1 电场作用对胶体模量和介电常数的影响
• 5.3.1.2 外加电场强度对胶体模量和介电常数的影响
• 5.3.2 分散相粒子浓度与胶体性能的关系
• 3纳米棒的含量与胶体性能的关系'>5.3.3 分散相粒子中BaTiO₃纳米棒的含量与胶体性能的关系
• §5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 影响明胶水凝胶复合胶体电流变性能的因素
• §6.1 引言
• §6.2 粒子的介电常数
• §6.4 粒子形貌和体积
• §6.5 粒子浓度
• §6.6 母体的组成
• §6.7 本章小结
• 参考文献
• 第七章 全文总结及展望
• §7.1 全文总结
• §7.2 研究展望
• 攻读博士学位期间取得的成果
• 致谢