电共轭液的制备

电共轭液的制备
李丹;朱平
【摘要】电共轭液是一种智能液体,当两电极接上直流高压,电极之间将形成非均匀电场,在非均匀电场的作用下,电共轭液从阳极流向阴极,产生射流.但是驱动电压过高,限制了它的应用.介绍了电共轭液的制备方法,它是由分子末端带烷基的酯类化合物、含5～10个碳原子的烃基化合物以及添加剂组成;它在25℃的动力黏度在2.5
×10-1～7.5·10-1Pa·s之间变化;导电率在5.5×10-10～2.0×10-6S/m之间变化,
性质稳定、均匀、较低大幅度地降低了驱动电压,其驱动电压在4～5.5 kV,腐蚀程
度小于0.046 mg/cm2,可用于多种领域,特别是仿生微手指、人工肌肉、液态陀螺仪等.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2014(014)022
【总页数】3页(P149-151)
【关键词】电共轭液;射流;动力黏度;导电率;驱动电压;腐蚀
【作者】李丹;朱平
【作者单位】中北大学电子测试技术重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点
实验室,太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,仪器科学与动态测试教育
部重点实验室,太原030051
【正文语种】中文
【中图分类】TB381
电流变液是一种由介电微粒与绝缘液体混合而成的液体，在电场作用下，黏滞性显著增加(可达几个量级)的固-液混合体系。

在没有外电场时，它的外观很像机器用
的润滑油，一般由基础液、固体粒子和添加剂组成。

液体为矿物油、植物油或有机溶液，有时还加入少量表面活性剂。

但是这样的电流变液是多相的、不均匀的，存在存储稳定性的问题;且有的含有特殊的氟化合物，对环境有一定的威胁。

希望有
一种智能流体(例如电共轭液)，能解决如上所述的现有技术的一种或多种缺陷。

电共轭液是一种智能液体，里面不含介电微粒，当两电极接上直流高压，电极之间将形成非均匀电场，在非均匀电场的作用下，电共轭液从阳极流向阴极，产生射流［1］。

它在25℃的动力黏度在2.5×10-4～7.5×10-1Pa·s之间，导电率在
5.5×10-10～2.0 ×10-6S/m 之间［2］。

目前，根据电共轭液的这种效应，已经发明了微手指［3，4］、人工肌肉［5，6］、微电机［7，8］、陀螺［9，10］、CPU散热器［11，12］等。

这些器件
与传统器件相比具有驱动装置尺寸小、能量转换效率高、灵敏度高等优点。

用电共轭液制成的器件在工作过程中，柔和且无摩擦存在，具有噪音低、振动少等特点，因而制成的器件是一种低噪音、工作平稳柔和的器件［13］。

但是与其他控制系统比较，用电共轭液制成的器件，所用的驱动电压较高(kV级)，要达到6 kV，这就限制了它的应用。

1 电共轭液的制备方法
制备性质稳定、低压化的电共轭液是研究其在微器件领域的基础。

近年来，很多学者都致力于寻求电共轭液的制备方法，现提出电共轭液的制备方法，它是由分子末端带烷基的酯类化合物和含5～10个碳原子的烃基化合物及少量的添加剂组成。

具体为:将至少一种分子末端由烷基组成的酯类化合物和至少一种含5～10个碳原
子的烃基化合物(质量百分比含量为0.1% ～20%)以及一定量的添加剂(质量百分比
含量为0.1～3.4%)混合而成。

分子末端带烷基的酯类化合物的典型的结构式表示为以下式(1)、式(2)或式(3)。

式(1)中，X1是含1～14个碳原子的二价基团，可以含有氧原子，有氧原子的基团中或者有一个醚键或者有一个酯键;Y1和Z1是相互独立的由1～5个碳原子组成
的烷基，可以相同或不同。

X1可能是一个直链或者一个支链，可能是烷基，也可
能不是烷基。

在这些基团中，有氧原子的基团中有一个醚键或一个酯键。

Y1和Z1包括甲基，乙基，正丙基，异丙基，正丁基，异丁基，三级丁基，正戊烷基和异戊烷基。

Y1和Z1是直链烷基或支链烷基，可以相同或不同于彼此。

式(2)中，X2是含有2～9个碳原子的烷基，Y2是含有1～6个碳原子的烷基，Z2是含有1～6个碳原子的烷基，n是1或2，m是1或2，如果m=1，则A是一
个氢原子;如果m=2，则式(2)是一个聚合对称二聚物，A则作为连接左右两边的纽带。

式(3)中，X3是由a个碳原子，b个氧原子，2a+1-2b个氢原子(a:1～25的整
数;b:0，1，2，3且 2a+1＞2b)组成的一价基团，可以是烷基或者不是烷基;Y3是由2～10个碳原子组成的烷基团，可能有支链。

含甲基且满足运动黏度和电导率的的稳定酯类化合物包括以下酯类化合物但不限于这些，如己二酸二丁酯，甘油醋酸酯，富马酸二甲酯，丙二醇甲醚醋酸酯，衣康芳樟酯，癸二酸二丁酯，丁基纤维素醋酸酯，丁基卡必醇乙酸酯，3-甲氧基-3-甲基
醋酸丁酯，富马酸二甲酯，丙二醇甲醚醋酸酯，甲基乙酰蓖麻酸，衣康酸二正丁酯，马来酸二烯丙酯，硬脂酸丁酯，丙二醇乙醚乙酸酯，9，10-环氧硬脂酸丁酯，四
氢化邻苯二甲酸二辛脂，2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇单异丁酸酯，2-乙基己基
棕桐酸脂，乙酸芳樟酯等。

烃基化合物在电共轭液中质量百分比为0.1% ～20%，可以优选为1% ～10%，然而，这些烃基化合物的混合可能引起电共轭液比重的降低或升高，所以混合的比例可根据使用目的适当调整。

烃基化合物和酯类化合物的浓度在满足黏度和电导率要求，同时达到其他标准如配比比例也是非常重要的。

含5～10个碳原子的烃基化合物包括石油醚、轻石油、己烷、戊烷、环己烷、环
戊烷或苯。

把它们添加到新型电共轭液中，可以提高流体的电敏感性，尤其是单独用石油醚和轻石油或者把它们混合起来。

石油醚，定义为JIS K8594，是一种有50～80℃蒸馏温度且含5～8个碳原子的烃类化合物。

轻石油，定义为JIS K8937，是一种有80～110℃蒸馏温度且含5～9个碳原子的烃类化合物。

在加这些烃类化合物时，再添加适量的无水乙醇到新型电共轭液中，以方便互溶。

由于电共轭液在有电极的基础上遇到高压电源才会有射流现象，所以制备的电共轭液必须有抗腐蚀性和抗氧化性以免电极被破坏。

添加剂应包含腐蚀抑制剂和抗氧化剂，其中腐蚀抑制剂包含抑制镀锡铁、铝、黄铜和铜腐蚀的化合物，添加剂的比重为0.1% ～10%。

2 电共轭液性能的测试
根据以上所述，由分子末端由烷基组成的酯类化合物和含5～10个碳原子的烃基
化合物及少量的添加剂组成的电共轭液满足黏度和电导率的条件，且耐腐蚀。

因此通过对满足电共轭液的材料测试其黏度、电导率、耐腐蚀程度、驱动电压等性能，从而证实此电共轭液的制备方法是可行且有效的。

(1)三乙酸甘油酯为无色油状液体，无毒，有着式(1)的结构
其结构式为
制备电共轭液需要91.45%的三乙酸甘油酯，3.5%的无水乙醇(便于互溶)，3.5%的石油醚，0.05%的1，2，4三唑和 BHT(丁基化羟基甲苯)。

向次电共轭液中加入25 mg/L的双氧水，分别测量铜和铁在此新型电共轭液里的腐蚀程度，经多次密闭测量，它们的质量变化不超过0.046 mg/cm2。

用LVDV-1型黏度计测试其黏度，在25℃工作环境下，经多次测量，得到三乙酸甘油酯的黏度为1.4×10-2Pa·s，电导率为3.64×10-9S/m，在通上高压电源5 kV时，射流强度很强，由于射流推动转子，转子的转速为77 r/min。

(2)二乙二醇丁醚醋酸酯为性状、无色带有愉快香气的液体，微溶于水，能和大多数有机溶剂混溶，有着式(2)的结构
其结构式为
制备电共轭液需要91.45%的二乙二醇丁醚醋酸酯，3.5%的无水乙醇(便于互溶)，3.5%的石油醚，0.05%的1，2，4三唑和 BHT(丁基化羟基甲苯)。

向此电共轭液中加入25 mg/L的双氧水，分别测量铜和铁在此新型电共轭液里的腐蚀程度，经多次密闭测量，它们的质量变化不超过0.043 mg/cm2。

用LVDV-1型黏度计测试其黏度，在25℃工作环境下，经多次测量，得到二乙二醇丁醚醋酸酯的黏度为1.7×10-3Pa·s，电导率为5.20×10-8S/m 。

在通上高压电源5.2 kV时，射流强度明显，转子的转速为96 r/min。

(3)9、10环氧硬脂酸丁酯为淡黄色油状液体，有着式(3)的结构
其结构式为
制备电共轭液需要91.45%的9，10-环氧硬脂酸丁酯，3.5%的无水乙醇(便于互
溶)，3.5%的石油醚，0.05%的1，2，4三唑和 BHT(丁基化羟基甲苯)。

向此电共轭液中加入25 mg/L的双氧水，分别测量铜和铁在此新型电共轭液里的腐蚀程度，经多次密闭测量，它们的质量变化不超过0.045 mg/cm2。

用LVDV-1型黏度计
测试其黏度，在25℃工作环境下，经多次测量，得到9，10-环氧硬脂酸丁酯的粘黏为2.0×10-2Pa·s，电导率为5.46×10-9S/m。

在通上高压电源4.9 kV时，射
流强度很强，转子的转速为85 r/min。

3 总结
本文详细介绍了电共轭液的制备方法，并通过实验验证了其在驱动电压上的优势和抗腐蚀性的程度。

作为一种新型动力能源，电共轭液也日益受到关注，是近十几年随着材料科学的突破而出现的一种新型智能材料，是微应用领域的一项革命性发展。

电共轭液的出现填补了传统机械式的能量转换的空白，它既具有传统材料的响应速度，又具备转换效率特性，还具有可流动性。

与传统材料相比，具有很多的优点，无需任何维护和保养的绿色能源。

由于对微应用领域的不断创新，电共轭液将成为21世纪重要的储能元件之一。

但是研究与开发新的电共轭液仍然是一项重大的工程，不仅具有良好的经济和社会效益，更具有重要的战略意义。

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