掺碳纳米管硅油基磁性液体的制备及其性能研究

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具有耐高温、低蒸气压、粘度随温度变化小等优点的硅油基磁性液体,可应用于民事、军事等领域。为制备出有良好性能的硅油基磁性液体,突破国外技术垄断,本课题采用油酸或硅烷偶联剂作为表面活性剂,通过原位化学沉淀法制备了经表面活性剂包覆的掺碳纳米管Fe3O4(Fe3O4@MWNT)磁性颗粒,并将其通过球磨、超声等方式分散在硅油基载液中,制备得到掺碳纳米管硅油基磁性液体,通过TEM、XRD、IR、VSM等表征手段对获得的Fe3O4@MWNT颗粒进行了形貌、结构等性能方面的表征。通过L-C振荡电路检测磁性液体不同位置的颗粒浓度从而判断磁性液体的稳定性。磁性液体的应用与它的流变性能密不可分,因此,对磁性液体的流变性能进行系统性的研究十分必要,利用安东帕流变仪对磁性液体的流变性能进行测试与分析,通过粘温曲线、磁粘曲线、流动曲线和应力应变曲线等实验结果与理论结合,对硅油基磁性液体的复杂流变性能有了系统深入的认识。本文的研究内容及主要结果如下:(1)Fe3O4磁性颗粒的饱和磁化强度高、化学性质稳定,易于制备,因此常用于制备磁性液体。但同时因为它的密度(5.8 g/cm~3)与硅油基载液的密度(0.863g/cm~3)相差太多,十分容易团聚沉降。本文使用密度为1.8 g/cm~3、具有中空结构的碳纳米管(MWNT)制备Fe3O4@MWNT复合磁性颗粒降低磁性颗粒的密度,从而提高磁性液体的稳定性。采用油酸或硅烷偶联剂作为表面活性剂,通过原位化学沉淀法制备Fe3O4@MWNT颗粒,探讨不同反应温度和反应时长对磁性颗粒的尺寸和形貌的影响。结果表明,反应温度和反应时长的改变对颗粒的形貌并无明显影响,更高的反应温度有利于得到粒径更大的颗粒,同时更短的反应时间有利于得到粒径尺寸更小的Fe3O4颗粒。MWNT在原位反应过程中给Fe3O4的成核及长大提供位置,大部分Fe3O4在MWNT上生长;通过红外光谱结果我们可以知道油酸已经成功包覆在Fe3O4颗粒上,MWNT也成功掺杂。球磨时间过长会降低磁性液体的稳定性,加入MWNT能够提高磁性液体的稳定性。(2)采用N-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(792)作为表面活性剂,Fe3O4@MWNT磁性颗粒呈球形,粒径约为8.5 nm,大部分Fe3O4在MWNT上生长,硅烷偶联剂成功包覆在Fe3O4颗粒上,MWNT也成功掺杂。颗粒都具有超顺磁性的同时掺杂MWNT会导致磁性颗粒的饱和磁化强度下降,由未掺杂MWNT的饱和磁化强度122 emu/g下降至掺杂后的106 emu/g。(3)通过L-C振荡电路探讨表面活性剂种类、磁性颗粒与基载液配比、磁性颗粒的分散方式以及碳纳米管含量对磁性液体稳定性的影响。加入MWNT可以提高磁性液体的稳定性。分散方式对磁性液体稳定性的影响最大,通过球磨分散的磁性液体稳定性表现出两个极端,球磨时间过长会破坏材料的结构,降低磁性液体的稳定性,但同时通过球磨得到的磁性液体颗粒浓度分布更加均匀。(4)研究了表面活性剂种类、磁性颗粒与基载液配比、磁性颗粒分散方式和碳纳米管含量等参数对掺碳纳米管硅油基磁性液体的流变性能影响。不同反应条件下得到的磁性液体粘度均随温度升高而下降,更大的MWNT掺杂量有利于提高粘温性能。反应条件的不同会影响最终制备得到的磁性液体的粘温性能,用粘度温度常数VT=1-η75℃/η15℃进行表示,其中η75℃、η15℃分别是75℃、15℃下的粘度。对粘温曲线进行指数型拟合,拟合结果也很好的符合Arrhenius公式η=A(?)B/T,其中A、B为常数,T是温度,η是粘度。硅烷偶联剂虽然在整体磁性液体中的占比很小,但对磁性液体粘度对温度的敏感性有一定的影响,Fe3O4@792的粘度温度的敏感性最高。磁性液体的粘度随磁场强度的升高而增加,随剪切速率的增大而减小。(5)使用安东帕流变仪对掺碳纳米管硅油基磁性液体的流变特性进行研究。磁性液体在磁场作用下发生磁矩偏移以及形成链结构等,导致磁性液体粘度增加。剪切作用会破坏磁性液体的内部结构,表现为粘度下降。根据Shiloims相对旋转公式计算单个磁性颗粒内部磁矩在磁场作用下可以引起的最大粘度变化量,以确定磁性颗粒在外力作用下的内部结构变化。同时应力应变结果表明磁性液体在没有磁场的情况下表现出牛顿行为,在磁场存在的条件下更接近拟塑性Bingham体。硅油基载液粘度变化则不受磁场强度和剪切速率的影响。(6)简单研究掺杂碳纳米管石墨烯制备掺石墨烯硅油基磁性液体的影响。TEM表明,大多数磁性颗粒在MWNT上生长,并且发生少量的磁性颗粒团聚。身为碳纳米管的同素异形体,大尺寸(800 nm)的石墨烯不利于磁性颗粒在其表面上的成核及生长。同时掺杂MWNT和石墨烯的TEM结果表明MWNT可以和石墨烯缠绕在一起,形成了大的结构,磁性液体也表现出最差的稳定性。图80幅,表33个,参考文献154篇。
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