含芳環(huán)聚合物分散相微粒材料的合成、表征和電流變性能研究.pdf

1、電流變流體是一種新型的智能材料。電流變流體在外電場(chǎng)作用下能產(chǎn)生奇特的電流變效應(yīng)，即毫秒間可在液態(tài)和固態(tài)間進(jìn)行連續(xù)、可逆的轉(zhuǎn)變，當(dāng)一撤去外加電場(chǎng)，瞬間又恢復(fù)原狀。電流變流體的研究技術(shù)涉及物理、化學(xué)、材料等多個(gè)學(xué)科，由電流變技術(shù)開(kāi)發(fā)的高科技智能型產(chǎn)品，如電流變減振器、電流變離合器、電流變閥門等，其性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)制動(dòng)裝置，具有無(wú)級(jí)連續(xù)變化可調(diào)節(jié)性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作部件磨損小、響應(yīng)速度快、控制過(guò)程能耗低等特點(diǎn)，多年來(lái)一直被人們認(rèn)為是一種能使機(jī)

2、械制造、汽車工業(yè)、液壓控制工程和航空航天領(lǐng)域等許多行業(yè)技術(shù)發(fā)生顯著變化的一種新材料。因此其開(kāi)發(fā)研究在國(guó)際上深受工業(yè)和國(guó)防部門的重視。 電流變流體通常由具有較高介電常數(shù)的分散相微粒和不導(dǎo)電的分散介質(zhì)組成。二十世紀(jì)八十年代末，Block 和Kelly以專利和論文形式報(bào)道了聚(芘-醌)、聚(萘-醌)等有機(jī)聚合物作分散相微粒材料制得的ER 流體可以完全不含水，具有工作溫度范圍較寬等特點(diǎn)，從而引起人們對(duì)有機(jī)類分散相微粒材料研究的興趣，先后

3、選擇聚苯胺、聚吡咯等聚合物作電流變流體分散相微粒材料進(jìn)行研究。 到目前為止，電流變流體仍存在屈服應(yīng)力不夠高、工作溫度范圍不夠?qū)?、抗沉降能力欠佳等?wèn)題。本文根據(jù)有機(jī)聚合物材料具有一定的介電常數(shù)，密度、硬度適中，且制備工藝可控等特點(diǎn)，選擇含芳環(huán)結(jié)構(gòu)化合物為合成聚合物分散相微粒材料的基體，研究含芳環(huán)聚合物分散相微粒材料的合成、表征及電流變性能。 文章采用超聲輻照和回流攪拌方法，研究三種聚苯撐乙烯衍生物的合成方法，結(jié)果表明：采用

4、超聲輻照方法，反應(yīng)時(shí)間大大縮短，產(chǎn)率明顯提高（比回流攪拌方法所獲產(chǎn)率相應(yīng)高16—19％）；設(shè)計(jì)、合成七種含雙噻唑基等共軛聚合物，其中有五種聚合物系首次合成；采用含芳環(huán)化合物對(duì)微晶纖維素進(jìn)行改性研究。 因所合成的聚合物具有難溶難熔性，采用IR 光譜、元素分析等對(duì)所合成的聚合物進(jìn)行表征，用掃描電鏡測(cè)試其表面形態(tài)，用熱分析儀測(cè)試其熱穩(wěn)定性，表明所制備的聚合物符合設(shè)計(jì)要求。 文章使用上述三類物質(zhì)作分散相微粒材料與兩種不同分散介質(zhì)

5、制備不同濃度的懸浮體，考察不同條件下各懸浮體的剪切應(yīng)力、剪切粘度、電導(dǎo)率、介電損耗模量及其穩(wěn)定性等。結(jié)果表明：（1）由聚苯撐乙烯衍生物，含雙噻唑基等聚合物及其改性微晶纖維素作分散相微粒材料制備的懸浮體均有一定的電流變效應(yīng)。其中，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為E=4.2kV/mm，20％聚[N,N’-（2-氨基-5-羧基-1,3-苯二甲基） -2,2’-二氨基-4,4’-雙噻唑]和聚[N,N’-（2-氨基-5-磺酸基-1,3-苯二甲基） -

6、2,2’-二氨基-4,4’-雙噻唑]分別與溴代二苯甲烷組成的懸浮體其剪切應(yīng)力值分別可達(dá)到3.3 kPa、2.3 kPa 以上，改性微晶纖維素懸浮體的剪切應(yīng)力值比未改性微晶纖維素的剪切應(yīng)力值增大39％。均高于相近聚合物相同質(zhì)量含量懸浮體的剪切應(yīng)力值。由于分散相微粒和分散介質(zhì)的密度相近，實(shí)驗(yàn)考察的幾種聚合物懸浮體放置60 天后沉降率均在10.2％以下, 說(shuō)明所制備的聚合物沉降穩(wěn)定性能好。 （2）懸浮體中產(chǎn)生電流變效應(yīng)的強(qiáng)弱與組成懸浮

7、體的分散相微粒材料結(jié)構(gòu)、濃度等有關(guān)，即含極性基團(tuán)聚合物的電流變效應(yīng)比未含極性基團(tuán)的大；聚合物分子中取代基團(tuán)極性越強(qiáng)，極化能力越大，電流變效應(yīng)越好；聚合物分子鏈上取代基團(tuán)的空間體積過(guò)大會(huì)阻礙微粒之間的緊密排列，電流變效應(yīng)相應(yīng)降低；在外電場(chǎng)下，懸浮體中分散相微粒濃度越大，其電流變效應(yīng)越強(qiáng)；分散相微粒表面形態(tài)呈微孔狀時(shí)表現(xiàn)出的電流變效應(yīng)強(qiáng)。 （3）聚苯撐乙烯衍生物因具有π-共軛體結(jié)構(gòu)，便于體系中電子的遷移，電導(dǎo)率值較高；當(dāng)其分散在硅油

8、中、低電場(chǎng)下能產(chǎn)生電流變效應(yīng)，但外電場(chǎng)強(qiáng)度升高或懸浮體中分散相微粒濃度超過(guò)一定值時(shí)，其漏電流密度快速增大，產(chǎn)生明顯的放電現(xiàn)象直至系統(tǒng)被擊穿而使其電流變效應(yīng)消失； 同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚(2-甲氧基-5-丁氧基)苯撐乙烯分散在溴代二苯甲烷中具有負(fù)的電流變效應(yīng)。 （4）綜合各聚合物分散相微粒材料電流變效應(yīng)的研究結(jié)果，認(rèn)為三類聚合物電流變效應(yīng)產(chǎn)生過(guò)程可歸結(jié)為：在外電場(chǎng)作用下，聚合物懸浮體內(nèi)含π-共軛體結(jié)構(gòu)及極性基團(tuán)的聚合物微粒通過(guò)極化作