Magnetoreologické systémy s optimalizovaným výkonem

Ing. Martin Cvek

Doctoral thesis

Magnetorheological Systems with Optimized

Abstract:

Materiály reagující na vnější fyzikální pole nepochybně patří mezi atributy moderní společnosti, jelikož nabízejí sofistikovaná řešení pro mnoho technických potřeb. V tomto ohledu je velký potenciál přisuzován magnetoreologickým (MR) systémům, které jsou složeny z feromagnetických mikročástic dispergovaných v nemagnetické nosné kapalině nebo elastomerní matrici. Hlavním charakteristickým rysem těchto systémů je tzv. MR efekt, což je jejich schopnost rychle, vratně a řízeným způsobem měnit své reologické/viskoelastické vlastnosti v přítomnosti vnějšího magnetického pole. Předkládaná doktorská práce je věnována vývoji nových MR systémů s regulovatelným výkonem a zvýšenou stabilitou, čehož je dosaženo pomocí pokročilé technologie využívající roubování polymeru na povrch částic. Důraz je kladen na návrh a syntézu feromagnetických částic typu jádro-obal pomocí kontrolované radikálové polymerace s přenosem atomu (ATRP). Použitím různých reakčních podmínek tato technika umožňuje připravit žádaný polymerní obal s definovanou strukturou, molekulovou hmotností a tloušťkou. Jak známo, kvalita polymerního obalu hraje hlavní roli zajišťující stabilitu částic, ale také významně ovlivňuje výkon jak MR suspenzí, tak i MR elastomerů. Částice syntetizované v rámci této doktorské práce vykazují značně zvýšenou termo-oxidační a chemickou stabilitu bez nežádoucího ovlivnění jejich magnetizace. Tuto kombinaci vlastností je v současné době velmi obtížné dosáhnout pomocí konvenčních technik modifikace. Vylepšení prezentovaná v této tezi umožňují významně zvýšit sedimentační stabilitu MR suspenzí s nepatrným snížením MR efektu MR suspenzí. Inkorporace polymerem roubovaných částic připravených pomocí ATRP do vhodně zvolené elastomerní matrice může zlepšit mezifázovou kompatibilitu a dokonce zintenzivnit relativní MR efekt u výsledných MR elastomerních systémů. Získané MR elastomery jsou navíc charakteristické zlepšenou magnetostrikcí a tlumícími schopnostmi. Jak je prezentováno v této doktorské práci, speciálně navržené struktury typu jádro-obal připravené z povrchu iniciovanou ATRP se mohou uplatnit ve vývoji následující generace MR systémů s vhodně uzpůsobenými vlastnostmi přímo pro konkrétní aplikaci, čehož nebylo možné dosáhnout pomocí konvenčních metod. S ohledem na potenciální aplikace je očekáváno uplatnění výsledků v řadě odvětví včetně automobilového a stavebního průmyslu, obzvláště při vývoji bezemisních MR brzd nebo semiaktivních MR uložení mostů potlačujících jejich degradaci.

Abstract:

The field-responsive materials belong among necessary attributes of today´s modern society as they offer a sophisticated solution for many technical needs. From this perspective, the immense potential is assigned to the magnetorheological (MR) systems, which are composed of micron-sized soft ferromagnetic particles dispersed either in non-magnetic dispersing medium or an elastomeric matrix. The feature of these systems known as the MR effect is the ability to rapidly, reversibly and in a controlled manner change their rheological/viscoelastic properties upon the exposure of an external magnetic field. The presented doctoral thesis is devoted to the development of novel MR systems with controlled performance and enhanced stability properties through the advanced particle-grafting technology. The emphasis is given to the design and synthesis of ferromagnetic core-shell structured particles via atom transfer radical polymerization (ATRP). Using different reaction conditions, this technique allows achieving desired polymer shells with defined structure, molecular weight and thickness. As known, the quality of polymer shell plays a major role in particle stability and also significantly influences the performance of both, the MR suspensions and the MR elastomers. Herein, synthesized particles exhibit remarkably enhanced thermo-oxidation and chemical stability without unsuitably affected magnetization. To this date, this combination of characteristics was challenging to achieve via conventional modification techniques and majority of attempts was not successful. The inventions in Thesis provide significantly enhanced sedimentation stability with negligibly lower MR effect of the MR suspensions. Further, the embedding the ATRP polymer-grafted particles into suitable polymer matrix improves interfacial compatibility and even intensifies the relative MR effect when used in the MR elastomer systems. Moreover, the obtained MR elastomer is characterized by improved magnetostriction and damping capabilities. As presented in this doctoral thesis, the specially-designed core-shell structures prepared via surface-initiated ATRP may contribute to the development of the next-generation of the MR systems with well-balanced properties tailored towards a specific application, which was not possible to achieve by foregoing conventional methods. In a view of potential applications, the prospects are expected in the areas ranging from automotive to civil engineering, especially in the development of emission-free MR brakes or semi-active MR bridge bearings preventing the bridge degradation.

Keywords

Magnetoreologie, suspenze, elastomer, magnetická částice, radikálová polymerace s přenosem atomu, stabilita suspenze, částicové systémy, termo-oxidační stabilita, chemická stabilita, viskoelasticita.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 6. 2018

Thesis defence

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds