ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2014, том 50, № 4, с. 394-398
== НАНОРАЗМЕРНЫЕ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ
УДК 532.135
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В СУСПЕНЗИЯХ НАНОРАЗМЕРНЫХ АЦЕТАТОТИТАНИЛА И ОКСАЛАТОТИТАНИЛА БАРИЯ В СИЛИКОНОВОМ МАСЛЕ ПМС-20
© 2014 г. К. В. Иванов, А. В. Агафонов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук
e-mail: ava@isc-ras.ru Поступила в редакцию 13.12.2012 г.
Выявлены закономерности влияния напряженности электрических полей постоянного и переменного тока (частота 50 Гц) на диэлектрические и электрореологические характеристики ЭРЖ на основе силиконового масла ПМС-20 с наноразмерными наполнителями — ацетатотитанилом и окса-латотитанилом бария.
DOI: 10.7868/S0044185614040068
ВВЕДЕНИЕ
Электрореологические жидкости (ЭРЖ) представляют собой суспензии поляризуемых частиц в диэлектрических жидкостях, способные изменять свои вязкопластичные свойства при наложении внешних электрических полей, за несколько миллисекунд переходя от состояния текучести к твердому телу. Данное явление представляет собой электрореологический эффект (ЭРЭ). ЭРЖ могут использоваться как идеальные механико-электрические интерфейсы (осуществляющие управление механическим движением), обладающие малым временем отклика (порядка нескольких миллисекунд). Принцип работы таких интерфейсов основан на управлении вязкостью и напряжением сдвига ЭРЖ электрическим полем. Области применения устройств, основанных на электрореологическом эффекте, включают в себя тормозные системы, муфты сцепления, демпферы, робототехнические системы, системы для прецизионной обработки поверхностей, зажимные устройства, тактильные поверхности, имитаторы мускулов и др. [1—4]. В качестве наполнителей электрореологических жидкостей перспективны материалы, обладающие высокими поляризационными характеристиками, такие как диоксид титана, полианилин, полипирролы, гибридные неоргано-органические материалы, нанокомпо-зиты [5—11]. Для количественной характеристики электрореологического эффекта используют предел текучести или напряжение сдвига ЭРЖ до и после наложения электрического поля.
Рядом исследователей [12—14] было показано, что для реализации высоких параметров электрореологического эффекта необходимыми условиями являются существенные различия диэлектрических проницаемостей наполнителя и дисперсионной среды в диапазоне частот 102—105 Гц и наличие релаксационного максимума на зависимости тангенса потерь ЭРЖ в диапазоне 102—105 Гц.
Для понимания причин возникновения подобных эффектов и создания материалов с высокой электрореологической активностью, целесообразно провести сравнение электрореологического эффекта, развиваемого электрореологическими жидкостями с наполнителями, частицы которых имеют близкую химическую природу, но существенно различаются структурными и поляризационными характеристиками, содержат различное количество органической фазы в структуре материала, различаются полярностью кислотных солеобразующих групп. В этом плане представляется интересным использование в качестве наполнителя солей — ацета-тотитанила и оксалатотитанила бария.
Целью данной работы являлось выявление закономерностей влияния напряженности электрических полей постоянного и переменного тока (частота 50 Гц) на диэлектрические и электрореологические характеристики ЭРЖ на основе силиконового масла ПМС-20 с наноразмерными наполнителями — ацетатотитанилом и оксалато-титанилом бария.
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА 395
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Синтез и физико-химические характеристики ацетатотитанила бария ВаТЮ(СН3СОО)4 (АТБ) и оксалатотитанила бария ВаТЮ(С2О4)2 (ОТБ) описаны в работе [15].
При получении АТБ золь-гель методом в безводной уксусной кислоте растворяли стехиомет-рические количества гидроксида бария и тетрабу-тилата титана при непрерывном перемешивании в течении нескольких часов и последующем подъеме температуры до 85°С. Сформировавшийся прозрачный гель высушивали до порошкообразного состояния при температуре 120°С до постоянной массы. При синтезе ОТБ гидроксид бария растворяли при нагревании в водном растворе щавелевой кислоты до образования прозрачного раствора, к которому по каплям добавляли тетрабутилат титана. При этом образовывалась мутная суспензия белого цвета, которую выдерживали при непрерывном перемешивании и температуре 85°С в течение 2 ч. По окончании перемешивания твердая фаза седиментировала в течение суток, формируя рыхлый осадок белого цвета. Полученный осадок отделяли и высушивали на воздухе при температуре 120°С до постоянной массы. Свойства полученных материалов были изучены с использованием просвечивающей микроскопии, рентгенофазового анализа, термогравиметрического анализа, ИК-спектроскопии и диэлектро-метрии.
Исследование реологических свойств проводили на реометре РН-1, модифицированном для измерения вязкости при приложении электрического напряжения постоянного тока и с частотой 50 Гц к плоскопараллельным электродам радиусом 10 мм и зазором между ними 1 мм. Достигаемая напряженность поля до 7 кВ/мм. Подробно конструкция измерительной ячейки и методика работы на электровискозиметре изложена в работах [16—17]. ЭРЖ готовились весовым методом, массовая доля дисперсной фазы составляла 30%. Необходимые количества твердой фазы и силиконового масла ПМС-20 (компания ПЕНТА) тщательно растирались в агатовой ступке в течение двух часов до получения однородной устойчивой суспензии. Полидиметилсилоксан ПМС-20 — кремнийор-ганический полимер, обладающий широким интервалом жидкого состояния — от —60 до 200°С, высокой диэлектрической прочностью — 35 х 103 кВ/м, диэлектрической постоянной 2.3, тангенсом угла диэлектрических потерь 0.0001. Измерение ЭРЭ проводилось на свежеприготовленной суспензии. Диэлектрические спектры суспензий полученных материалов в интервале частот от 25 Гц до 106 Гц измеряли с помощью RCL — метра Е7-20 в ячейке конденсаторного типа. Влияние напряженности
Е, кВ/мм
Рис. 1. Зависимость напряжения сдвига суспензии на основе наноразмерного порошка 1-АТБ и 2-ОТБ 30 мас. % от напряженности постоянного (I = ВС) и переменного (I = АС) электрического поля при скорости сдвига 4 с-1.
электрического поля частотой 50 Гц на диэлектрические характеристики суспензий синтезированных материалов исследовали в ячейке конденсаторного типа с использованием высоковольтного моста переменного тока МЕП-4СА. В качестве источника напряжения постоянного тока использовали GW 1ш1ек GPT-815, для подвода переменного напряжения GW 1ш1ек GPI-826. В измерениях проводили регистрацию действующего напряжения и тока.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В качестве меры оценки величины ЭРЭ нами использованы значения напряжения сдвига, развиваемого твердеющими в электрических полях различной напряженности суспензиями. Исследования зависимостей напряжения сдвига 30% суспензий АТБ и ОТБ от напряженности постоянного и переменного электрического поля позволили установить, что электрореологический эффект существенно зависит как от типа материала наполнителя, так и от частоты электрического поля. При этом в поле постоянного тока происходит дифференциация электрореологического эффекта в зависимости от типа наполнителя, а поле переменного тока его нивелирует (рис. 1).
При сравнении влияния действующего значения напряжения на электрореологический эффект оказывается, что суспензии синтезированных материалов в переменно-токовых полях имеют большую сдвиговую прочность при меньшей напряженности по сравнению с влиянием постоянного напряжения.
396
ИВАНОВ, АГАФОНОВ
23 Е, кВ/мм
4 5 6 7
Рис. 2. Вольтамперные характеристики суспензий 1-АТБ и 2-ОТБ в ПМС-20 в поле постоянного (I = БС) и переменного (I = АС) тока в логарифмических координатах при скорости сдвига 4 с-1.
16 14 12 10
м
8 6 4 2
1 2 3 4 5 6 1ё(/)
Рис. 3. Частотные зависимости 5 и tg 5 30% суспензий 1-АТБ и 2-ОТБ в силиконовом масле ПМС-20 (напряжение 1 В).
Согласно поляризационным представлениям о природе ЭРЭ, влияние напряженности электрического поля на силу взаимодействия поляризованных частиц может быть оценено из следующего выражения [18]:
¥я = 24ла%КгфЕ)2/Я4,
(1)
где а — радиус частиц, 80 — диэлектрическая постоянная вакуума, Я — расстояние между центрами частиц, Е — напряженность приложенного поля, и в — параметр диэлектрических различий, который учитывает диэлектрические характеристики материалов ЭРЖ и влияние частоты приложенного электрического поля на поляризуемость, задается уравнением [4]:
р2 = [(ар -Ъ/)2 р(вр — £/)2]
[(а р + 2а /)
■ ®2£ 0(£ р
2£ / )2
(2)
где гр, 8/ и ар, а/ — соответственно диэлектрическая проницаемость и проводимость вещества наполнителя и дисперсионной среды ю — частота приложенного электрического поля.
В случае суспензий ацетатотитанила бария и оксалатотитанила бария различное влияние напряженности поля на напряжение сдвига, отражающего силу взаимодействия поляризованных частиц в суспензии, может быть связано с их различными диэлектрическими свойствами или проводимостью в переменном и постоянном электрическом поле. Анализ вольтамперных характеристик (ВАХ) 30% суспензий АТБ и ОТБ в силиконовом масле ПМС-20 (рис. 2) показал, что зависимости ток—напряжение линеаризуются с коэффициентами регрессии не ниже 0.9 в логарифмических координатах для характеристик как постоянного, так и переменного поля, что может свидетельствовать в пользу реализации механизма протекания токов, ограниченных пространственным зарядом. Это возможно при наличии в структуре материала электронных уровней захвата электронов, инжектируемых из электродов, и формировании объемных зарядов, препятствующих дальнейшему поступлению носителей зарядов. Падение напряжения внутри ЭРЖ при этом компенсируется внешним напряжением.
Из рис. 2 следует, что в поле переменного тока вольтамперные характеристики суспензий АТБ и ОТБ имеют близкие значения, а в поле постоянного тока они существенно различаются. Это может быть связано с тем, что перенос тока в электрореологически
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.