專利名稱：一種具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流變液材料的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種電流變液材料，特別涉及一種具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳 電流變液材料。
背景技術(shù)：
電流變液是一類智能型的軟物質(zhì)，它通常是由高介電常數(shù)、低電導率的固體顆粒 分散于低介電常數(shù)的絕緣油中形成的懸浮體系。由于電流變液具有一些優(yōu)異的性能，使其 在減震器、離合器、阻尼器、驅(qū)動器、無級調(diào)速等裝置中具有潛在的應用價值。普遍認為，電 流變效應受控于顆粒的性質(zhì)，其中主要包括顆粒幾何參數(shù)(如尺寸與形貌)和物理性質(zhì) (介電與電導特性)。很多無機和有機高分子材料作為電流變液分散相被廣泛研究。多孔 材料由于其自身孔結(jié)構(gòu)而較易獲得良好的抗沉降性能和較優(yōu)的電流變效應。同時，不管其 來源或制備方法，傳統(tǒng)的含碳電流變顆粒均只具有微孔結(jié)構(gòu)。應用無機或有機，硬性或軟性模板制備多孔材料取得了很大的進展。近年來，具有 孔徑可控或者具有分級結(jié)構(gòu)的多孔材料受到越來越多的關注。氧化硅是一種被廣泛使用的 模板用于制備多種形貌的多孔材料。同時，加熱淀粉與水的混和液(淀粉乳)時，淀粉顆粒 中的無定形區(qū)吸水膨脹，變成半透明的粘稠糊狀，稱為糊化。此時淀粉顆粒中結(jié)晶相和無定 形相間的氫鍵斷裂，微晶束解體成碎片。淀粉糊在低溫下靜置會變?yōu)槟z體，稱為淀粉的回 生或老化。此時顆粒中直、支鏈平行排列以氫鍵重新組成微晶束，與原來的結(jié)構(gòu)相似，但此 時分子間締合牢靠且難再溶解。利用硅溶膠輔助的淀粉糊化、老化過程，借助于膨脹淀粉的 微孔結(jié)構(gòu)，可以進一步處理得到具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流 變液材料，該電流變液材料的分散相為硅溶膠輔助淀粉碳化生成的具有介孔/微孔分級結(jié) 構(gòu)的多孔碳顆粒，連續(xù)相為甲基硅油。分散相采用碳化的膨脹淀粉/氧化硅前驅(qū)體得到，其 介孔平均孔徑為4. 6nm且具有平均為1. lnm-1. 5nm的微孔結(jié)構(gòu)。為解決上述問題，本發(fā)明利用硅溶膠輔助的淀粉糊化、老化過程，制備得到膨脹淀 粉/氧化硅前驅(qū)體，再通過碳化得到多孔碳/氧化硅材料，去除模板后即得到具有介孔/微 孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳材料。這種具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流變液材料由于其分 級孔結(jié)構(gòu)引起介電極化性能的改善，同時也能獲得相對較小的密度，從而引起其電流變效 應的改善。本發(fā)明方法的制備步驟如下(1)在20g去離子水中加入適量硅溶膠，并用5% WH2SO4調(diào)節(jié)PH值為2-3;將IOg 土豆淀粉加入其中，待分散完全后在100°c恒溫反應4h ；反應完成后得到半透明凝膠狀產(chǎn) 物，將其置于5°C下冷藏3d ；將冷藏后產(chǎn)物用無水乙醇50ml浸泡洗滌2h，再于真空干燥箱 內(nèi)60°C下真空干燥8h，即得到白色的膨脹淀粉/氧化硅顆粒；
(2)稱取60mg對甲基苯磺酸溶于50ml無水乙醇中，加入5g膨脹淀粉/氧化硅顆 粒，攪拌反應12h，將乙醇蒸發(fā)得到白色的疏松粉體，該粉體置于真空干燥箱內(nèi)于60°C下真 空干燥6h ；(3)將已催化處理的膨脹淀粉/氧化硅顆粒置于陶瓷瓷舟中，在流量為lOOml/min 的氮氣氣氛下于管式爐中煅燒3h，即制得黑色的多孔碳/氧化硅材料； (4)將碳/氧化硅顆粒浸泡入5M的NaOH溶液中，超聲處理2h，過濾并用大量去離 子水洗滌至濾液為中性，然后置于真空干燥箱內(nèi)于60°C下真空干燥12h，即得到具有介孔/ 微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳顆粒；(5)將粉末狀的具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳顆粒與甲基硅油按照顆粒/硅 油質(zhì)量比為1 9混合，在瑪瑙研缽中研磨均勻，即制得具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳 電流變液。該制備方法簡單、易操作、成本低且重復性好。制備得到的具有介孔/微孔分級結(jié) 構(gòu)的多孔碳電流變液材料的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)隨不同的煅燒溫度發(fā)生較大的改變。由此材料配制 的電流變液由于分散相的分級孔結(jié)構(gòu)而具有抗沉降優(yōu)良的性能。不同碳化處理溫度下的多 孔碳顆粒電流變液由于其內(nèi)部分級孔結(jié)構(gòu)和介電性質(zhì)的差異而具有不同的電流變效應。


圖1為具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳材料的BET比表面積、平均孔徑和密度 表(介孔平均孔徑采用BJH法計算得到；微孔平均孔徑采用HK方法計算得到。S/Si02-10 僅具有微孔結(jié)構(gòu)而無介孔結(jié)構(gòu)。)圖2為具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流變液(10vol%)的介電常數(shù)與頻率 的關系(25°C )圖3為具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流變液(10vol%)的介電損耗與頻率 的關系(25°C )圖4為具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的C-10-700多孔碳電流變液(10vol% )的剪切 應力與剪切速率關系曲線(25°C )圖5為500 0C碳化的具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的C-10-500多孔碳電流變液 (IOvol% )的剪切應力與剪切速率關系曲線(25°C )圖6為500 0C碳化的具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的C-5-500多孔碳電流變液 (IOvol% )的剪切應力與剪切速率關系曲線(25°C )
具體實施例方式本發(fā)明所用淀粉為市售玉米淀粉，其他試劑均為分析純。下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明實施例一在20g去離子水中加入IOml硅溶膠，并用5%的H2SO4調(diào)節(jié)PH值為2-3 ；將IOg 土 豆淀粉加入其中，待分散完全后在100°c恒溫反應4h ；反應完成后得到半透明凝膠狀產(chǎn)物， 將其置于5°C下冷藏3d ；將冷藏后產(chǎn)物用無水乙醇50ml浸泡洗滌2h，再于真空干燥箱內(nèi) 60°C下真空干燥8h，即得到白色的膨脹淀粉/氧化硅顆粒。將其命名為S/Si02-10。其孔性能和密度見圖1。實施例二 在20g去離子水中加入IOml硅溶膠，并用5%的H2SO4調(diào)節(jié)PH值為2_3 ；將IOg 土豆淀粉加入其中，待分散完全后在100°c恒溫反應4h ；反應完成后得到半透明凝膠狀產(chǎn) 物，將其置于5°C下冷藏3d ；將冷藏后產(chǎn)物用無水乙醇50ml浸泡洗滌2h，再于真空干燥箱 內(nèi)60°C下真空干燥8h，即得到白色的膨脹淀粉/氧化硅顆粒；稱取60mg對甲基苯磺酸溶于 50ml無水乙醇中，加入5g膨脹淀粉/氧化硅顆粒，攪拌反應12h，將乙醇蒸發(fā)得到白色的疏 松粉體，該粉體置于真空干燥箱內(nèi)于60°C下真空干燥6h ；將已催化處理的膨脹淀粉/氧化 硅顆粒置于陶瓷瓷舟中，在流量為lOOml/min的氮氣氣氛下于管式爐中700°C煅燒3h，即制 得黑色的多孔碳/氧化硅材料；將多孔碳/氧化硅顆粒浸泡入5M的NaOH溶液中，超聲處 理2h，過濾并用大量去離子水洗滌至濾液為中性，然后置于真空干燥箱內(nèi)于60°C下真空干 燥12h，即得到具有分級孔結(jié)構(gòu)的多孔碳顆粒，將其命名為C-10-700。將粉末狀的分級孔多 孔碳C-10-700顆粒與甲基硅油按照顆粒/硅油體積比為1 9混合，在瑪瑙研缽中研磨均 勻，即制得C-10-700電流變液。其孔性能和密度見圖1，介電性能見圖2、圖3，圖4為該電 流變液剪切應力與剪切速率關系曲線。實施例三在20g去離子水中加入IOml硅溶膠，并用5%的H2SO4調(diào)節(jié)PH值為2_3 ；將IOg 土豆淀粉加入其中，待分散完全后在100°c恒溫反應4h ；反應完成后得到半透明凝膠狀產(chǎn) 物，將其置于5°C下冷藏3d ；將冷藏后產(chǎn)物用無水乙醇50ml浸泡洗滌2h，再于真空干燥箱 內(nèi)60°C下真空干燥8h，即得到白色的膨脹淀粉/氧化硅顆粒；稱取60mg對甲基苯磺酸溶于 50ml無水乙醇中，加入5g膨脹淀粉/氧化硅顆粒，攪拌反應12h，將乙醇蒸發(fā)得到白色的疏 松粉體，該粉體置于真空干燥箱內(nèi)于60°C下真空干燥6h ；將已催化處理的膨脹淀粉/氧化 硅顆粒置于陶瓷瓷舟中，在流量為lOOml/min的氮氣氣氛下于管式爐中500°C煅燒3h，即制 得黑色的多孔碳/氧化硅材料；將多孔碳/氧化硅顆粒浸泡入5M的NaOH溶液中，超聲處 理2h，過濾并用大量去離子水洗滌至濾液為中性，然后置于真空干燥箱內(nèi)于60°C下真空干 燥12h，即得到具有分級孔結(jié)構(gòu)的多孔碳顆粒，將其命名為C-10-500。將粉末狀的分級孔多 孔碳C-10-500顆粒與甲基硅油按照顆粒/硅油體積比為1 9混合，在瑪瑙研缽中研磨均 勻，即制得C-10-500電流變液。其孔性能和密度見圖1，介電性能見圖2、圖3，圖5為該電 流變液剪切應力與剪切速率關系曲線。實施例四在20g去離子水中加入5ml硅溶膠，并用5 %的H2SO4調(diào)節(jié)PH值為2_3 ；將IOg 土豆 淀粉加入其中，待分散完全后在100°c恒溫反應4h ；反應完成后得到半透明凝膠狀產(chǎn)物，將 其置于5°C下冷藏3d ；將冷藏后產(chǎn)物用無水乙醇50ml浸泡洗滌2h，再于真空干燥箱內(nèi)60°C 下真空干燥8h，即得到白色的膨脹淀粉顆粒；稱取60mg對甲基苯磺酸溶于50ml無水乙醇 中，加入5g膨脹淀粉顆粒，攪拌反應12h，將乙醇蒸發(fā)得到白色的疏松粉體，該粉體置于真 空干燥箱內(nèi)于60°C下真空干燥6h ；將已催化處理的膨脹淀粉顆粒置于陶瓷瓷舟中，在流量 為lOOml/min的氮氣氣氛下于管式爐中500°C煅燒3h，即制得黑色的多孔碳/氧化硅材料； 將多孔碳/氧化硅顆粒浸泡入5M的NaOH溶液中，超聲處理2h，過濾并用大量去離子水洗滌 至濾液為中性，然后置于真空干燥箱內(nèi)于60°C下真空干燥12h，即得到多孔碳顆粒；將其命名為C-5-500。將粉末狀的C-5-500顆粒與甲基硅油按照顆粒/硅油體積比為1 9混合 ， 在瑪瑙研缽中研磨均勻，即制得C-5-500電流變液。其孔性能和密度見圖1，介電性能見圖 2、圖3，圖6為該電流變液剪切應力與剪切速率關系曲線。
權(quán)利要求
一種具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流變液材料，其分散相為硅溶膠輔助淀粉碳化生成的具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳顆粒，連續(xù)相為甲基硅油，其主要特征是分散相采用碳化的膨脹淀粉/氧化硅前驅(qū)體得到，其介孔平均孔徑為4.6nm且具有平均為1.1nm-1.5nm的微孔結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述一種具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流變液材料，其特征在 于制備過程使用硅溶膠作為介孔輔助模板并且使用5M的NaOH溶液去除。
3.如權(quán)利要求1所述一種具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流變液材料，其特征在 于膨脹淀粉/氧化硅前驅(qū)體是將玉米淀粉加入去離子水和硅溶膠混合溶液后，在100°C恒 溫反應得到，其中玉米淀粉與去離子水質(zhì)量比為1 2。
4.如權(quán)利要求1所述一種具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流變液材料，其特 征在于碳化催化劑對甲基苯磺酸與膨脹淀粉/氧化硅質(zhì)量比為1 80，碳化處理溫度在 500-700°C之間。
5.如權(quán)利要求1所述一種具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流變液材料，其制備方 法包括以下步驟(1)在20g去離子水中加入適量硅溶膠，并用5%的H2SO4調(diào)節(jié)PH值為2-3 ；將IOg 土豆 淀粉加入其中，待分散完全后在100°C恒溫反應4h ；反應完成后得到半透明凝膠狀產(chǎn)物，將 其置于5°C下冷藏3d ；將冷藏后產(chǎn)物用無水乙醇50ml浸泡洗滌2h，再于真空干燥箱內(nèi)60°C 下真空干燥8h，即得到白色的膨脹淀粉/氧化硅顆粒；(2)稱取60mg對甲基苯磺酸溶于50ml無水乙醇中，加入5g膨脹淀粉/氧化硅顆粒，攪 拌反應12h，將乙醇蒸發(fā)得到白色的疏松粉體，該粉體置于真空干燥箱內(nèi)于60°C下真空干 燥6h ；(3)將已催化處理的膨脹淀粉/氧化硅顆粒置于陶瓷瓷舟中，在流量為lOOml/min的氮 氣氣氛下于管式爐中煅燒3h，即制得黑色的多孔碳/氧化硅材料；(4)將多孔碳/氧化硅顆粒浸泡入5M的NaOH溶液中，超聲處理2h，過濾并用大量去離 子水洗滌至濾液為中性，然后置于真空干燥箱內(nèi)于60°C下真空干燥12h，即得到具有介孔/ 微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳顆粒；(5)將粉末狀的具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳顆粒與甲基硅油按照顆粒/硅油質(zhì) 量比為1 9混合，在瑪瑙研缽中研磨均勻，即制得具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流 變液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流變液材料，該電流變液材料的分散相為硅溶膠輔助淀粉碳化生成的具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳顆粒，連續(xù)相為甲基硅油。利用硅溶膠輔助的淀粉糊化、老化過程，制備得到膨脹淀粉/氧化硅前驅(qū)體，再通過碳化得到多孔碳/氧化硅材料，去除模板后即得到具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳材料。這種具有介孔/微孔分級結(jié)構(gòu)的多孔碳電流變液材料由于其內(nèi)部的分級孔結(jié)構(gòu)從而引起介電極化性能的改善，同時也能獲得相對較小的密度，具有良好的電流變效應，有廣闊的應用前景。
文檔編號C10M169/04GK101838577SQ200910021578
公開日2010年9月22日 申請日期2009年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月17日
發(fā)明者喬蔭頗, 趙曉鵬 申請人:西北工業(yè)大學