膨胀淀粉制备的多孔碳材料及其电流变性能.doc

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1、膨胀淀粉制备的多孔碳材料及其电流变性能*基金项目：西北工业大学基础研究计划和西北工业大学博士创新基金（CX200515）乔荫颇赵晓鹏**本文联系人：赵晓鹏教授西安市710072，西北工业大学141信箱E-mail:xpzhao@nwpu.edu.cn（西北工业大学电流变技术研究所141#，西安710072）摘要：本文利用淀粉的糊化和老化性质，使淀粉颗粒中支链和直链的高分子结构组装成纳米尺度的介孔结构，经碳化后制得多孔碳材料。氮气吸附测试表明，制备得到的溶胀淀粉前驱体材料具有平均为3.816nm的介孔和31.44m2/g的比表面积。碳化产物C350和C500具有微孔结构，且其比表面积随处理

2、温度的升高而增大。元素分析（EA）测试表明多孔碳材料中的C/O原子比随着热处理温度的升高而逐渐增大。流变学测试表明，颗粒浓度Φ=10vol%时，C350电流变液在2.5kV/mm电场强度和0.25s-1的剪切速率下，电流变效率（(τE-τ0)/τ0）为50.36，而C500电流变液具有较大的漏电流密度。关键词：膨胀淀粉，碳化，多孔碳材料，电流变液1引言电流变液[1]是一种智能型软物质，它一般是由高介电常数的固体颗粒分散在低介电常数的绝缘油中形成的悬浮体系。在电场作用下，其表观粘度可以瞬间发生几个数量级的可逆改变，因此应用领域十分广泛[2]。很多无机和有机高分子材料作为电流变液分散相被广泛

3、研究[3-5]。碳材料电流变液[6,7]因其电导率的控制困难也未获得更进一步的研究。同时，以多孔碳颗粒作为电流变液分散相也鲜见报道。多孔碳材料因其在许多领域的应用而越来越受到广泛关注[8]。在过去的十年里，应用无机多孔模版合成具有单一均匀孔径的多孔碳材料的方法获得了很大的发展[9,10]。这样制备的多孔碳材料具有高度有序的孔结构，但是，这种方法存在模板合成困难、成本高且去除较难等问题[11]。因此，发展有机高分子自组装模板或利用分子的自身结构来合成多孔碳材料已受到越来越多的研究和重视[12,13]。淀粉[14]是一种存在于有机生命体中的生物多糖大分子，用途极其广泛。淀粉颗粒中的无定形区在

4、热水中吸水膨胀，变成半透明的粘稠糊状，称为糊化。淀粉糊在低温下静置会变为凝胶体，称为淀粉的回生或老化。颗粒中直、支链平行排列以氢键重新组成微晶束，与原来的结构相似，但此时分子间缔合牢靠且难再溶解。本文采用了一种新的方法制备多孔碳材料[15]，并测试了其介电和电流变性能。不使用多孔模板而利用淀粉的糊化和老化性质，使淀粉颗粒中支链和直链的高分子结构组装成纳米尺度的有机片层状结构，再通过控制不同的碳化温度得到多孔碳材料。制备的膨胀淀粉前驱体具有一定的介孔结构。经热处理碳化后得到了具有多孔结构的无定形碳材料。经测试表明，这种材料配制的电流变液在电场作用下颗粒极化成链而具有一定的电流变效应。2实验

5、部分2.1膨胀淀粉和多孔碳材料的制备将土豆淀粉（市售）与去离子水中混合液在约100℃恒温反应4h。反应完成后得到半透明凝胶产物，置于5℃下冷藏3d。将冷藏后产物取出用无水乙醇（分析纯）浸泡洗涤。产物置于真空干燥箱内60℃下真空干燥12h，即得到颗粒状的膨胀淀粉前驱体。用对甲苯磺酸（PTSA,分析纯）对膨胀淀粉前驱体进行催化处理。将已催化处理的膨胀淀粉前驱体在氮气保护下（N2流量为100ml/min）于管式炉中煅烧处理5h，煅烧结束后使产物随炉冷却至室温。煅烧及冷却过程中一直通氮气保护。实验中在100℃、350℃和500℃的目标温度下热处理得到黑色的碳化产物。原淀粉颗粒、膨胀淀粉前驱体颗粒

6、、100℃、350℃、500℃热处理得到的多孔碳颗粒分别命名为S0、Sp、C100、C350和C500。2.2多孔碳材料电流变液的配制将粉末状的C350和C500颗粒与甲基硅油（ρ=0.993~1.001g·cm-3,η=50mPa·s,εf=2.60~2.80,）按照一定的颗粒/硅油质量比混合，在玛瑙研钵中研磨均匀，即制得相应的电流变液。2.3材料的表征制备得到的材料的孔结构表征使用NOVA-2000e比表面积和孔径测试仪（QUANDROMECo.US）在77K进行；元素分析（EA）使用日本JEOL公司的JSM-6460扫描电子显微镜的元素分析附件进行。电流变液的介电性能使用HP428

7、4A精密LCR测试仪（Agilent）进行测量，测试频率范围为20-1MHz。电流变液的剪切流动性能使用HaakeRheoStress-600流变仪（HaakeCo.,Germany）进行测量。测量时使用PP35ER测量头系统，极板间距1.000±0.001mm。剪切速率范围0.01-1000s-1。所施加的电场由GYW-010型高压电源输出。在测量电路中连接电流表以得到漏电流数值。电流变液中颗粒在电场下的响应行为由连接有CCD的光