Povrchová modifikace částic pro přípravu ER a MR suspenzí

Ing. Miroslav MRLÍK

Disertační práce

Surface modification of particles for preparation of ER and MR suspensions

Abstract:

V současnosti se řada výzkumníků zaměřuje na vývoj speciálních typů materiálů, jejichž vlastnosti lze vratně řídit vnějším podnětem. V roce 1948 Winslow [1] objevil, že částice dispergované v kapalném médiu po aplikaci vnějšího elektrického pole vytvářejí vnitřní organizované struktury. Podobné pozorování publikoval v roce 1953 Rabinow [2] při aplikaci vnějšího magnetického pole. Změna vnitřní struktury suspenzí se odráží ve změně reologických vlastností (viskozita nebo viskoelastické moduly), v některých případech až o několik řádů. Dále je pak tato změna viskozity vratná a v případě, že je elektrické pole vypnuto hodnota viskozity se během smýkání vrátí na původní hodnotu. Schopnost suspenzí měnit charakter z kapalného do téměř tuhého skupenství během několika milisekund, poutá zájem vědecké i aplikační sféry. Systémy schopné reagovat na vnější elektrické pole se nazývají elektroreologické (ER) kapaliny a na vnější magnetické pole pak magnetoreologické (MR) kapaliny. V podstatě jsou tyto suspenze dvoufázovými systémy obsahující polarizovatelné částice v případě ER a magnetické částice v případě MR dispergované v kapalném médiu. Ačkoliv, byly oba jevy známé již přibližně 60 let, první skutečné aplikace takovýchto materiálů se objevily až v devadesátých letech. Zatímco MR suspenze jsou široce používané v tlumících systémech, nebo jako absorbéry nárazů, ER suspenzím brání v jejich širším uplatnění nižší ER účinnost. Ačkoliv jsou ER a MR suspenze využívány v praktických aplikacích, stále mají svá omezení, se kterými je třeba počítat, jako jsou sedimentace částic, tepelná a korozní nestabilita apod. Cílem této práce je příprava nových ER a MR suspenzí, které přinesou odstranění některých ze zmiňovaných nevýhod. Jedna část práce je zaměřena na syntézu materiálů na bázi částic typu jádro-slupka (core-shell) ve tvaru tyčinek a částic anilinových oligomerů, které přináší zvýšenou ER účinnost jejich suspenzí pod vlivem vnějšího elektrického pole. Dále bude hodnocen vliv tvaru částic stejně tak jako vliv vodivého polymeru tvořícího povrchovou vrstvu částic typu jádro-slupka. V případě nového ER materiálu na bázi anilinových oligomerů bude hodnocen vliv podmínek jednokrokové polymerační reakce na účinnost ER suspenzí. Druhá část práce se zabývá povrchovou úpravou v současnosti široce používaných částic karbonylového železa, která přinese zlepšení sedimentační, termooxidační stability, redispegovatelnosti suspenzí, při zachování dostatečné MR účinnosti.

Abstract:

Nowadays, many scientists are focused on the development of the special types of materials, whose properties could be reversibly controlled by an external stimulus. In 1948 Winslow found out phenomenon when suspensions of particles dispersed in liquid medium were able to create internal structures after application of the external electric field. Similar observations were published by Rabinow in 1953 for suspensions sensitive to application of magnetic field. Development of internal structures results in the change of rheological properties, in some cases in several orders of magnitude. Furthermore, such changes (viscosity or viscoelastic moduli) are reversible and when the external field is switched-off they revert to their original values. Such infinitely reversible change from liquid-like to solid-like state within the few milliseconds falls under interest of both academics and engineers. The systems able to react on the external electric field are called electrorheological (ER) suspensions and those sensitive to the external magnetic field magnetorheological (MR) suspensions. Basically, suspensions are two-phase systems including polarizable particles in case of ER fluids and magnetic particles in case of MR fluids randomly dispersed in a liquid medium. Although, both phenomena were found approximately 60 years ago, the first real applications for such materials have been realized since 1990s. While MR suspensions are widely used in dumping systems or shock absorbers, real application of ER suspension are still limited due to their lower efficiency. Although, such suspensions can be found in various application, there are still some limitations, which should be taken into account i.e. sedimentation of the particles, thermal and corrosion instability, etc. All these disadvantages influence potential applicability of ER or MR suspensions. In the case of ER suspensions the priority is in improvement of their efficiency, which is considerably lower in comparison to MR ones. Therefore, the aim of this study is to prepare novel ER and MR suspensions providing solution of some of above mentioned problems. One part is dealing with synthesis and preparation of novel materials based on core-shell, rod-like particles and aniline oligomers, both exhibiting enhanced ER efficiency of suspensions under applied external electric field. In the case of core-shell particles the influence of the rod-like shape as well as the effect of the conducting polymer polypyrrole on the ER efficiency was investigated. In case of novel ER material aniline oligomers, the impact of the one-step synthesis conditions on the ER efficiency was elucidated. The other part is concentrated on the surface modification of the carbonyl iron particles, in order to enhance the sedimentation, thermooxidation stability and suspensions redispersibility, while the MR efficiency remains in level enabling their usage in the real applications.

Keywords

Elektroreologie, magnetoreologie, vodivé polymery, polypyrol, titanáty, karbonylové železo, jádro-slupka, dielektrika, ustálený smyk, oscilační smyk, sedimentační a termooxidační stabilita.

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 30. 4. 2013

Zveřejnit od: 30. 4. 2013

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 21. 6. 2013

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Fakulta technologická

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