CC BY
16Т 50 (6)
ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
2007
УДК 532.135
А.С. Краев, А.В. Агафонов, Т.А.Нефедова, О.И. Давыдова, Т.А. Трусова
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ НА ОСНОВЕ НАНОРАЗМЕРНОГО ДИОКСИДА ТИТАНА
(Институт химии растворов Российской академии наук, г. Иваново)
E-mail: ava@isc-ras.ru
Представлены конструкции установок для изучения физико-механических свойств электрореологических жидкостей (ЭРЖ) при сдвиге, растяжении и сжатии в электрических полях. Золь-гель методом синтезирован наноразмерный порошок диоксида титана. Величина электрореологического отклика суспензии синтезированного материала в полидиметилсилоксане увеличивается с ростом напряженности электрического поля и уменьшением скорости деформации сдвига.
Электрореологические жидкости относятся к числу так называемых "умных материалов", реологические свойства которых (вязкость, предел текучести, модуль сдвига и т.д.) могут изменяться под воздействием внешнего электрического поля. При наложении электрического поля ЭРЖ переходят из жидкотекучего состояния к вязкопла-стичному в течение нескольких миллисекунд, вследствие этого они могут использоваться в качестве рабочих тел электрически управляемых механизмов в различных отраслях промышленности [1-3]. В настоящее время разработаны рецептуры электрореологических суспензий (ЭРС) на основе дисперсионных сред, обладающих низкой диэлектрической проницаемостью (трансформаторные масла, циклогексан, нафтен и д.р.). В качестве дисперсной фазы используют алюмосиликаты, фуллерены, микрокомпозиты и нанострук-турные материалы [4-9]. Переход к наноразмер-ным компонентам дисперсной фазы позволяет решить ряд проблем, связанных с повышением устойчивости коллоидной системы, уменьшением эффектов заторения и расслаивания при наложении электрических полей. При использовании на-норазмерных материалов возможно создание микроприводов, работающих на электрореологическом эффекте, для микроэлектромеханических систем. Для всесторонней оценки возможностей использования предлагаемых материалов помимо реологических свойств систем необходимо знать
такие свойства ЭРЖ, как предел прочности на растяжение, сжатие, "усталость", долговечность. Целью настоящей работы являлась разработка установок для тестирования физико-механических свойств электрореологических жидкостей в условиях наложения внешних электрических полей и изучение с их помощью электрореологического отклика дисперсий на основе наноразмерного порошка диоксида титана в полидиметилсилоксане с кинематической вязкостью 20 Сст (ПМС-20).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
За основу метода синтеза наноразмерного порошка диоксида титана нами был выбран предложенный в работе [10] золь-гель метод получения монодисперсных порошков оксидов металлов путем гидролиза соответствующих алкоксидов общей формулы: Me(OR)n, где R - алкоксидный радикал. Схема используемого нами синтеза приведена ниже:
Растворитель: Н2О, С3Н7ОН + ТХСз^О^ ^ Смешение ^ Перемешивание (5-10 ча-сов)^Катализатор гидролиза (диэтиламин) в С3Н7ОН ^ ^-Перемешивание ^ Формирование золя ^ Центрифугирование ^ Промывка ^ Сушка.
В качестве исходных реагентов нами были использованы: изопропоксид титана (IV) 97% фирмы АЫгю^ изопропиловый спирт марки "х.ч." с содержанием воды 4.4 % масс., диэтиламин 99,5% фирмы АЫйЛ (катализатор гидролиза),
вода дистиллированная. Методика проведения синтеза обеспечивает получение монодисперсного порошка с размером частиц от 0.52 до 1.2 мкм. На рис. 1 приведен электронно-микроскопический снимок синтезированного порошка диоксида титана.
-
Рис. 1. Электронно-микроскопическй снимок диоксида титана, полученного золь-гель методом (увеличение 50000).
Fig. 1. Electron microscopy image of the titanium dioxide prepared by sol-gel method (x 50000).
Можно отметить, что порошок имеет полидисперсный состав с достаточно узким диапазоном размеров частиц (10-30 нм). ИК спектр синтезированного порошка приведен на рис. 2. Был проведен термический анализ полученного продукта гидролиза, который дал количественную оценку содержания различных веществ. В частности, содержание гидроксида и оксида титана в продукте 86.45% (в пересчете на чистый диоксид титана), непрогидролизовавшаяся часть продукта составляет 6.85% (в пересчете на изопропоксид титана), из которого органическая часть составляет 7.15%.
Рис. 2. ИК спектр продуктов гидролиза в системе изопропоксид титана- диэтиламин Fig. 2. IR spectrum of the hydrolysis products in the titanium isopropoxide-diethylamine system.
На основании полученного наноразмерно-го порошка диоксида титана были приготовлены электрореологические жидкости. Жидкости готовились гравиметрическим методом, массовая доля дисперсной фазы составляла 30%. Необходимые количества твердой фазы и ПМС-20 тщательно растирались в агатовой ступке до получения однородной устойчивой суспензии.
ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Для сравнения электрореологической активности суспензий на основе полученных порошков были сконструированы специальные установки для измерения влияния электрических полей на вязкость дисперсных систем и на напряжение при растяжении и сжатии ЭРС. Для измерения вязкости и напряжения сдвига ЭРС были модифицированы вискозиметры РН-211 (Rheotest) и Брукфилд RVDV-И с автоматическим измерением реологических свойств жидкости и выводом их на дисплей. Из измеряемых величин нами было выбрано значение момента закручивания спиральной пружины в процентах от максимально возможного значения для данного вискозиметра равного 0.7187 мН-м. На рис. 3 представлена конструкция разработанной нами измерительной ячейки для модификации вискозиметра РН-211. Течение измеряемой жидкости осуществляется в зазоре (1мм) между плоскопараллельными пластинами (радиус пластин 0.75 см). Вращение одной из пластин осуществляется с фиксированными значениями угловой скорости 100, 60, 50, 30, 20 об/мин.
Рис. 3. Измерительная ячейка для электровискозиметра. 1-электрореологическая жидкость, 2-контакты для подачи напряжения на электроды, 3-крепление верхнего электрода к вращающейся части вискозиметра, 4-крепление ячейки к стационарной части вискозиметра, 5-изолятор, 6-верхний вращающийся электрод-пластина (диаметр пластины 15 мм), 7-нижний стационарный электрод-пластина, 8-ячейка-контейнер.
Fig. 3. Measuring cell for the electroviscosimeter: 1-electro-rheological fluid, 2-electric contacts for voltage applying to the electrodes, 3- the upper electrode mount to the viscosimeter rotating part, 4- the cell mount to the stationary part of the viscosimeter, 5- dielectric, 6- rotating upper plane electrode (10 mm in diameter), 7- stationary lower plate electrode, 8- container-cell.
Значения скорости сдвига Dr оценивались соотношением (1):
D, (1)
h
где Q - угловая скорость вращения (с-1), R - радиус пластины, h - расстояние между пластинами.
Значение касательного напряжения сдвига
п определялось уравнением (2):
М ™
* =-3, (2)
где М - крутящий момент пружины измерительного прибора (Н-м2), Я - радиус пластины (м).
Вязкость определялась из соотношения (3):
п =—, (3)
Ог
Конструкция вискозиметра позволяла измерять максимальные напряжения сдвига 320Па при изменении напряженности электрического поля от 0.367 до 7.144 кВ/мм. Ячейка вискозиметра выполнена из полиметилметакрилата, электрически изолирующего электродную систему от привода вискозиметра и его измерительной части. Конструкция вискозиметра предусматривает возможность измерения силы тока, протекающего между электродами ячейки. Калибровка вискозиметра по жидкостям с известной вязкостью, а также измерения по воспроизводимости результатов дали погрешность измерения вязкости в пределах 5%.
На рис. 4 (а,б) приведена конструкция установки для тестирования электрореологических жидкостей на растяжение и сжатие в электрических полях. Установка (рис.4а) представляет собой винтовой пресс, обеспечивающий вертикальное перемещение рабочего электрода со скоростью 0.003 мм/сек. В качестве датчика нагружения системы использован тензодатчик, обеспечивающий вывод информации со скоростью одно измерение в секунду на компьютер.
Рис. 4 (а ). Установка для испытания электрореологических жидкостей на растяжение и сжатие. 1 -винтовой пресс, 2-тензодатчик, 3-измерительная ячейка, 4-источник питания постоянного тока, 5-усилитель, 6-персональный компьютер. Fig. 4 (a). Measuring set-up for stretching - contracting tests of the electrorheological fluids: 1- screw press, 2- strain sensor, 3-measuring cell, 4- DC power source, 5- amplifier, 6-personal computer.
Рис. 4 (б) Конструкция измерительной ячейки. 1-электрический разъем из полиметилметакрилата, 2-предохранительное кольцо, 3-верхний электрод, 4-стакан, 5-
нижний электрод, 6-подставка. Fig. 4 (b). Measuring cell construction: 1- polymethacrylate electric cutoff point, 2- ferrule, 3- upper electrode, 4- bowl, 5- lower electrode, 6- support.
Конструкция измерительной ячейки (рис.4б) позволяет проводить нагружение ЭРЖ в условиях свободного истечения из межэлектродного зазора при напряженности электрического поля до 8 кВ/мм.
Для испытания механических свойств электрореологической жидкости при сжатии между верхним и нижним электродами ячейки устанавливался начальный зазор величиной 2 мм. После того, как к системе прикладывалось электрическое напряжение, верхний электрод опускался с постоянной скоростью. Величина конечного расстояния между электродами составляла 1 мм. После остановки верхнего электрода электрическое напряжение снималось с системы.
При испытании прочности электрореологической жидкости при растяжении между электродами устанавливалось исходное расстояние 1 мм, после чего к системе прикладывалось электрическое напряжение определенной величины, и верхний электрод поднимался до зазора между электродами 2 мм. После прекращения движения верхнего электрода электрическое напряжение снималось с системы.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На рисунке 5 приведены зависимости вязкости и напряжения сдвига ЭРЖ на основе диоксида титана от напряженности электрического поля при различных скоростях деформации. Как следует из рисунка, в системе наблюдается электрореологический эффект, который увеличивается с ростом напряженности поля и уменьшением скорости деформации.
- D=12,5 c-1
- D=6,25 c-1
- D =2,5 c-1
Рис. 5. Зависимости вязкости (а) и напряжения сдвига (б) суспензии с содержанием диоксида титана 30%масс. при разных скоростях сдвига от напряженности приложенного
электрического поля. Fig. 5. Viscosity and shear stress of the suspension with titanium dioxide containing of 30 mass% as a functions of applied electric field strength and shear rate.
На рисунке 6 представлены зависимости напряжения растяжения/сжатия от времени действия нагрузки для ЭРЖ в электрическом поле с напряжением 4.125 кВ.
Л
50 100 150 200 250 300
50 100 150 200 250 300 350
Рис. 6. Зависимости напряжения сжатия (а) и растяжения (б) ЭРЖ на основе диоксида титана от времени действия нагрузки растяжения/сжатия в электрическом поле с напряжением 4,125 кВ.
Fig. 6. Contraction- stretching stresses as a function of the load action time under applied voltage of 4.125 kV for the ERF based on titanium dioxide.
На кривой растяжения можно выделить два участка. Первый, характеризующийся увеличением напряжения растяжения, соответствует процессу растяжения ЭРЖ, максимум кривой отвечает моменту разрыва, за которым следует второй участок кривой, описывающий процесс дальнейшего разрыва ЭРЖ при постоянно уменьшаю-
щемся сечении. Кривую сжатия можно разделить на три участка: на первом - рост напряжения сжатия происходит пропорционально усилению сжимающего напряжения. На этом этапе поведение ЭРЖ можно охарактеризовать как псевдопластическое. Второй участок кривой характеризуется незначительным увеличением напряжения сжатия с ростом сжимающего усилия. Этот участок может быть связан с течением дисперсии. На третьем участке кривой можно наблюдать увеличение напряжения сжатия, объясняющееся резким структурированием жидкости, происходящим при наложении двух эффектов: дальнейшего сжатия и структурирования, вызванного ростом напряженности электрического поля при уменьшении зазора между электродами. Аналогичные зависимости для напряжений растяжения и сжатия в электрическом поле были получены нами для ЭРЖ на основе гибридного материала диоксид крем-ния/полипропиленгликоль в ПМ^20 [11].
ЛИТЕРАТУРА
1. Hao T. // Adv. Mater. 2001. Vol. 13. P. 1847-1852.
2. Halsey T.S. // Science. 1992. Vol. 258. P. 761-763.
3. Block H., Kelly J. P. // J. Phys. D. Appl. Phys. 1988. Vol. 21. P. 1661-1666.
4. Hao T., Xu Y. // J. Colloid. Int. Sci. 1997. Vol. 190. P. 334336.
5. Tao R., Zhang X., Tang X. // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 83. P. 5575-5580.
6. Lu J., Zhao X.P. // J. Mater. Res. 2002. Vol. 17. P. 15131517.
7. Choi H.J., Kim J.W. // J. Mater. Sci. Lett. 1999. Vol. 18. P. 1505-1512.
8. Cho M.S., Choi H.J., To K. // Macromol. Rapid. Commun. 1998. Vol. 19. P. 271-278.
9. Sheila Lopes Vieira // Inter. J. Mod. Phys. B. 1999. Vol. 13. N 14,15,16. P. 1908-1916.
10. Process for preparing monodisperse titania spheres: Заявка 89/08078 Междун. РСТ МКН3 CO1G 23/053/ Olson William; Allied - Signal Inc. - № 88100б40; Заявл. 03.03.88. Опубл. 08.09.89.
11. Нефедова Т.А. и др. // Механика композиционных материалов и конструкций. 200б. Т. 12. № 3. C. 391-406.
40
300
250
30
200
20
50
00
10
50
Время, с
Время, с
