Vliv protonace polyanilinových částic na elektroreologické chování jejich suspenzí

Ing. Martin STĚNIČKA

Disertační práce

The role of protonation of polyaniline particles on electrorheological efficiency of their suspensions

Abstract:

Over 60 years, a known group of smart materials has fascinated with their outstanding behaviour. Their uniqueness consists of extraordinary ability to be transformed from liquid- to solid-like state in order of milliseconds after the ap-plication of an external electric or magnetic field. This effect results in a signifi-cant change in material behaviour, and consequently, when the applied field dis-appears, the material can return back to the original fluid state. Firstly, this behaviour was described after application of an electric field as electrorheological (ER) effect by Winslow 1 in 1947. Analogous magneto-rheological (MR) effect has been recorded in a magnetic field by Rabinow 2 . Later, materials reacting in both electric and magnetic external fields simultane-ously have been developed [3]. And finally, in the case of application photo-active particles, the ER effect can be also enhanced by the UV illumination [4]. Since their discovery, ER and MR effects have become object of interest for researches from both academic and technical fields. A large body of literature has been already published and main results have been summarized in several reviews [5 15]. In addition to generally proposed applications such as clutches, brakes, torque transducers or damping systems, very interesting applications in medicine, e.g. human muscle simulators (haptic devices), knee resistance de-vices [16] or toners for electrophotography [17], have been proposed in recent years. However, wide extension to a practical life is still limited to findings of effective enough ER systems. In the presented doctoral thesis, the attention is focused on the study of ER performance of suspensions based on protonated polyaniline (PANI) particles dispersed in silicone oil. For this purpose, two groups of PANI samples were prepared. In the first part of the work, PANI powders were treated with either orthophosphoric or tetrafluoroboric acid in a broad range of molar concentra-tions to find an optimal conductivity of PANI particles with respect to the high-est ER effect. Later, the PANI particles were protonated with perfluorooctane-sulfonic, tartaric and sulfamic acids enabling to obtain series of PANI samples from hydrophobic to hydrophilic character with different mutual compatibility to silicone oil. Differences in ER behaviour were found and discussed.

Abstract:

Už více než 60 let je známa skupina inteligentních materiálů, které se vyznačují netradičním chováním. Jejich výjimečnost spočívá ve schopnosti přejít z kapalného do pevného stavu během několika milisekund po aplikaci elektric-kého anebo magnetického vnějšího pole, což je doprovázeno výraznou změnou v chování materiálu. Když vnější pole zmizí, materiál se vrátí do původního ka-palného stavu. Poprvé bylo takové chování pozorováno v elektrickém poli jako elektroreolo-gický efekt (ER) Winslowem v roce 1947 1 . Podobný magnetoreologický (MR) efekt byl zaznamenán v magnetickém poli Rabinowem 2 . Později byly objeveny materiály, které reagují za současného působení obou těchto polí [3]. A také, pokud jsou částice fotoaktivní, tak ER efekt může být zvýšen UV záře-ním [4]. Již od svého objevení, ER i MR efekt poutají zaslouženou pozornost jak v oblasti vědecké, tak i v oblasti praktického využití. Celkově bylo o této proble-matice publikováno velké množství informací a nejdůležitější poznatky byly shrnuty v několika rešeršních publikacích [5 15]. Mezi typické aplikace, kde se dá najít uplatnění ER efektu patří například spojky, brzdy, převodovky či tlumicí systémy v automobilovém průmyslu. V posledních letech se oblast uvažovaných aplikací rozšiřuje i do zajímavých oborů, jakými jsou medicína, kde přístroje využívající ER efektu mohou nahradit funkci lidských svalů, kolenních kloubů [16] a podobně, nebo jako tonery pro elektrofotografii [17]. Bohužel, širšímu začlenění do praktického života zatím brání nedostatečně účinné ER systémy. Snaha o další posun v tomto směru je tedy logickou náplní předkládané diser-tační práce, ve které je pozornost zaměřena na studium ER účinnosti suspenzí protonovaných polyanilinových (PANI) částic v silikonovém oleji. K tomu byly připraveny dvě skupiny PANI vzorků. V první části práce byly PANI částice protonovány buďto kyselinou ortofosforečnou, anebo tetrafluoroboritou v širokém rozsahu molárních koncentrací, s cílem najít optimální vodivosti PA-NI částic s výhledem na dosažení maximálního ER efektu. Druhá část práce je potom věnována protonaci PANI částic kyselinou perfluorooktansulfonovou, vinnou a sulfamovou, s cílem připravit řadu vzorků od hydrofobních po hydro-filní, s rozdílnou kompatibilitou k silikonovému oleji. Nalezené rozdíly v ER chování byly následně diskutovány.

Keywords

Elektroreologie, vodivé polymery, polyanilin, řízená protonace, silikonový olej, smykový tok, viskoelastická měření

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 1. 12. 2010

Identifikátor: 20075

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 22. 2. 2011

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Fakulta technologická

Doktorský studijní program / obor:
Chemie a technologie materiálů / Technologie makromolekulárních látek