КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 70, № 5, с. 581-586
УДК 532.135
ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЯ СУСПЕНЗИЙ МЕЗОСТРУКТУРИРОВАННЫХ И МЕЗОПОРИСТЫХ КРЕМНЕЗЕМОВ В ПОЛИДИМЕТИЛСИЛОКСАНЕ
© 2008 г. А. В. Агафонов, Т. А. Нефедова, О. И. Давыдова
Институт химии растворов РАН 153045 Иваново, ул. Академическая, 1 Поступила в редакцию 21.11.2007 г.
Исследовано влияние электрических полей на вязкость и напряжение сдвига дисперсий порошков мезо-структурированного диоксида кремния, полученных с применением различных структурообразующих реагентов - октиламина, додециламина, полиэтиленимина, и продуктов их термической обработки - ме-зопористых кремнеземов в силиконовом масле. Установлено, что напряжения сдвига, развиваемые при наложении электрических полей на системы с мезоструктурированными порошками дисперсных фаз, в несколько раз превосходят напряжения сдвига в дисперсиях мезопористых материалов. Напряжения сдвига в системах с дисперсной фазой из порошков мезоструктурированных материалов в электрических полях зависят от природы органического субстрата, включенного в поры, и проводимости систем. Электрореологический эффект в дисперсиях мезопористых кремнеземов слабо зависит от структуры материала. Наблюдаемый синергизм может быть связан со взаимным влиянием компонентов мезо-структурированного материала, проявляемым через усиление межфазной поляризации. Получены кривые нагружения систем при растяжении и сжатии в электрических полях с различной напряженностью.
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее десятилетие создание высокоэффективных электрореологических жидкостей и теоретические разработки в области электрореологии являются одним из наиболее перспективных направлений в области химии "умных материалов" (smart materials). Данная проблема затрагивает ряд приоритетных направлений в различных областях современного материаловедения, таких как синтез гибридных органо-неорганических материалов, золь-гель технология, наноматериалы, проводящие полимеры. Достигнутые в данном направлении результаты позволили разработать ряд составов электрореологических жидкостей, которые под действием электрического поля совершают быстрые обратимые переходы из вязкотекучего состояния в твердое [1-9], и открыли широкие перспективы для использования устройств на основе электрореологических эффектов в автомобильной технике, робототехнике, космической технике, медицине, микроэлектромеханических системах в качестве демпферов, сцеплений, клапанов, захватов, элементов прецизионного позиционирования, тактильных устройств и др.
Важной задачей является создание электрореологических жидкостей (ЭРЖ), характеризующихся значительными напряжениями сдвига при наложении электрических полей, при небольших затратах электрической мощности. Прогресс в этой области связан с решением материаловедческих проблем по созданию материалов дисперсных фаз для высо-
коэффективных ЭРЖ, а также с использованием методов исследования, дающих полную реологическую характеристику исследуемых объектов в широком интервале скоростей нагружения.
Электрореологические жидкости представляют собой суспензии электрически поляризуемых частиц в диэлектрических жидкостях в качестве дисперсионных сред [2-5]. В отсутствие электрического поля ЭРЖ ведут себя как ньютоновские или псевдопластические жидкости. При наложении электрического поля в электрореологической жидкости формируются цепочечные структуры, направленные параллельно силовым линиям поля [6-8]. За счет структурирования ЭРЖ происходит увеличение вязкости системы вплоть до полного затвердевания и потери текучести. Данный процесс обратим: при снятии электрического поля исходная структура системы быстро восстанавливается.
Наиболее важными факторами, влияющими на величину электрореологического эффекта, являются напряженность приложенного электрического поля и диэлектрические характеристики компонентов ЭРЖ, кроме того, могут играть роль размер, форма и структура частиц. В частности, большой вклад вносит поляризация частиц дисперсной фазы под действием приложенного электрического поля [9]. В целом на величину диэлектрической проницаемости материалов оказывает влияние электронная, ионная, дипольная, миграционная и межфазная поляризации [10]. Несмотря на успехи в данной области, исследования механизма электрореологи-
Физические характеристики порошков мезопористых и мезоструктурированных кремнеземов
Номер образца Удельная поверхность, м2/г Влажность, мас. % Объем пор прокаленного материала, %
1 167 18 -
2 84 3.4 -
3 380 9 -
4 470 «1 50
5 670 «1 23
6 >800 «1 55
ческого эффекта сопряжены с рядом трудностей. Главная состоит в том, что величина электрореологического эффекта существенно зависит от химической природы дисперсной фазы. В связи с этим не разработана адекватная физико-химическая модель данного эффекта. Предсказательная сила современных моделей ограничивает электрореологический эффект напряжениями сдвига до 2 кПа, в то время как отдельные системы реализуют напряжения сдвига в десятки раз выше.
Интересным представляется использование мезопористых материалов в качестве дисперсной фазы электрореологических жидкостей. Порошок мезо-пористого кремнезема МСМ-41 был использован в качестве компонента ЭРЖ в работе [10]. При напряженности электрического поля 3 х 103 кВ/м и скорости сдвига у = 50 с1 20%-ная дисперсия МСМ-41 характеризуется напряжением сдвига около 45 Па.
Мезопористые материалы могут быть получены в процессе самосборки неорганических частиц на поверхности молекулярных шаблонов, сформированных в растворах органическими веществами различной природы (полимерами, ПАВ). Это позволяет контролировать свойства и структуру получаемых продуктов (размеры пор, площадь поверхности, толщину стенок и т.д.) [11-15].
Целью настоящей работы является сравнение электрореологического эффекта в дисперсиях мезоструктурированных (наполненных мицеллами ПАВ или полимерами) материалов и продуктов их термической обработки - мезопористых порошков. Такой подход позволяет рассмотреть роль поляризации материала дисперсной фазы, сформированного пористой диэлектрической матрицей или заполненной молекулами с определенной проводимостью, в электрореологическом эффекте.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Синтез и физико-химические свойства мезопористых кремнеземов
Синтез мезопористых кремнеземов был проведен "золь-гель"-методом в спиртовой среде с при-
менением в качестве шаблонов поверхностно-активных веществ (октиламина, додециламина) и ка-тионного полиэлектролита (полиэтиленимина). Особенностью данного метода синтеза мезопористых материалов является то, что мезофазы в них формируются в растворе при взаимодействии нано-структурированных органических фаз, образованных полимерами или ПАВ, с разнообразными гид-роксоформами кремния. Формирующиеся в результате таких взаимодействий супрамолекулярные образования, включающие на первичном уровне органическое ядро и неорганическую оболочку, являются мезоструктурированными предшественниками мезопористых материалов. Для получения мезопористых порошков диоксида кремния полученные материалы были прокалены при 800°С.
Физико-химические и структурные особенности синтезированных материалов были изучены методами термогравиметрического анализа, ИК-фурье-спектроскопии, малоуглового рентгеновского рассеяния, электронной микроскопии, методом БЭТ. (Синтез и свойства исследуемых мезопористых кремнеземов были подробно описаны нами в работе [15]). Характеристики синтезированных материалов приведены в таблице.
2.2. Методика электрореологических измерений
Суспензии мезопористых кремнеземов и их предшественников, поры которых заполнены молекулами ПАВ, были приготовлены с применением в качестве дисперсионной среды полидиметилсилоксана ПДМС-20 (массовая концентрация дисперсной фазы составляет 15%). Для удобства обозначим ЭРЖ на основе мезоструктурированного диоксида кремния и прокаленного диоксида кремния, синтезированных соответственно с октиламином (ОА), доде-циламином (ДДА) и полиэтиленимином (ПЭИ), как образцы 1-3 и 4-6.
Изучение механических свойств ЭРЖ при растяжении и сжатии проводили по описанным в работе [16] методикам. Принцип действия и конструкция применяемой установки подобны приведенным в работах [17, 18]. Измерительная ячейка представляет собой стакан из полиметилметакрилата, в дно стакана вмонтирован латунный электрод диаметром 30 мм (нижний электрод), к которому подведен высоковольтный выход источника постоянного тока. Верхний электрод представляет собой латунный диск, закрепленный в нижней части пуансона диаметром 20 мм из того же полимера, соединенный с входом того же источника тока. Механика позволяет верхнему электроду совершать вертикальные перемещения с постоянной скоростью 0.18 мм/мин, обеспечивающей квазистатические параметры на-гружения. Стакан закреплен на тензодатчике, который соединен через интерфейс с персональным компьютером. Это позволяет регистрировать изме-
т, Па 500
400
300
200
100
0
3
,2 ▲ ▲
6
1А
и н □ °
10
4 5 6 7 8 Е0 х 103, кВ/м
Рис. 1. Зависимости напряжения сдвига т суспензий от напряженности электрического поля 1 - ЗЮ2 + + ДДА, 2 - 8Ю2 + ОА, 3 - 8Ю2 + ПЭИ, 4 - 8Ю2 + ДДА (прокален), 5 - 8Ю2 + ОА (прокален) и 6 - 8Ю2 + + ПЭИ (прокален).
т, Па
500 -
400
300 200 100 0
2.5 3.0 3.5 1/Я х 108, м/с
Рис. 2. Зависимости напряжения сдвига суспензий от проводимости в межэлектродном зазоре. 1 - ЗЮ2 + + ДДА, 2 - 8Ю2 + ОА, 3 - 8Ю2 + ПЭИ, 4 - 8Ю2 + ДДА (прокален), 5 - БЮ2 + О А (прокален) и 6 - 8Ю2 + + ПЭИ (прокален).
нение силы с интервалом 2 с, чувствительность датчика 1 х 10-4 Н.
При изучении механических свойств ЭРЖ при сжатии между верхним и нижним электродами ячейки устанавливали начальный зазор величиной 2 мм. После этого к системе прикладывали электрическое напряжение и опускали верхний электрод с постоянной скоростью. Электрическое напряжение регистрировали после остановки верхнего электрода. Конечное расстояние между электродами составляло 1 мм.
При испытаниях прочности электрореологической жидкости при растяжении между электродами устанавливали расстояние 1 мм, после чего к системе прикладывали электриче
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.