导电聚吡咯/二氧化硅介孔复合材料的制备及其电流变行为研究

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电流变液体是一种重要的人工智能材料,在交通、机械工业、传感器等工程领域有着广泛的应用前景。目前,制约电流变技术发展与应用的主要障碍仍然是电流变材料的性能达不到实用化要求,因此设计和制备高性能电流变材料是解决这一问题的关键。本文利用介孔材料主-客体间的作用,合成了一种新型无水电流变材料——聚吡咯/二氧化硅介孔复合材料,并研究了其电流变行为。 采用介孔硅材料MCM-41与SBA-15为主体材料,通过气相吸附及原位氧化聚合方法,把客体材料——半导体的聚吡咯(PPy)引入介孔孔道,利用不同的测试方法验证了PPy基本上被封装在介孔孔道。合成复合材料保持了介孔材料的基本特征,PPy没有破坏介孔孔道,但是PPy的引入明显影响了主体材料的结构性质,特别是复合材料的比表面积、孔径及孔容都有不同程度地降低。孔道内PPy的含量随吸附反应温度的升高而增大,相同温度下SBA-15孔道装填的PPy量多。值得注意的是,合成的介孔复合材料的室温电导率比块体PPy的电导率降低7-8个数量级。 以PPy/MCM-41及PPy/SBA-15为分散相,硅油为分散介质制备得到各自的电流变液。在稳态剪切下,考察了两类电流变液的流变性能与材料结构之间的关系,以及流变性质随电场的变化规律。封装在孔道内的PPy显著提高了介孔复合材料的电流变效应。零电场时,两种电流变液展现类似牛顿流体行为;在施加电场时,流体出现一屈服点,展现宾汉行为。相同的电场下,PPy/MCM-41的电流变性能优于PPy及MCM-41,但PPy/SBA-15的电流变性能却低于PPy。随PPy含量的增加,PPy/MCM-41电流变效应逐渐降低,而PPy/SBA-15的电流变效应先增大后降低。 界面极化引起了复合材料显著的电流变效应。材料的介电性能测试表明封装的PPy改变了材料的介电性质,使得复合材料的介电损耗增加,低频范围介电弛豫增大。在低频范围内,PPy/MCM-41电流变液比PPy/SBA-15具有强的介电弛豫以及高的介电常数。孔道内的PPy成纳米线状排列,且高度掺杂,其与介孔材料的复合改变了材料的界面性质,进而影响了电流变液的界面极化行为,产生了不同的电流变行为。 采用小幅度振荡实验,研究了两种电流变液的动态粘弹性能,重点考察了电流变液的储能模量(G),损耗模量(G")与应变幅度、频率以及电场的之间的相互关系。G,G"随电场增强而增大,随应变振幅增大而减小。在相同的电场下,体系的G,G"受频率的影响要小于受应变振幅的影响。在线性粘弹性范围内,PPy/MCM-41的G要高于PPy/SBA-15的G,表明前者作为电流变材料比后者具有更好的振动响应功能。材料动态粘弹性能的变化反映了电流变液内部结构的转变。线性粘弹性范围内,G,越大,颗粒间形成的类固体结构越强,电流变效应越明显。超出线性粘弹性区域,电流变液经历由固态到流体转变的弛豫过程。
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