УДК  53.097/538.956

Полиимиды, проявляющие обратный электрореологический эффект

 

THE POLYIMIDES EXHIBITING INVERSE ELECTRORHEOLOGICAL EFFECT

 

Семенов Н.А., Власов А.Н., Келбышева Е.С. (ФГБУН Институт прикладной механики РАН, г. Москва, РФ)

Semenov N.A., Vlasov A.N., Kelbysheva E.S. (FGBUN Institute of applied mechanics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia)

 

В статье представлены результаты реологических исследований суспензий частиц полиимидов в среде полидиметилсилоксановой жидкости, которые снижали свою вязкость в приложенном электрическом поле на 10-20%. Подобное свойство называется обратным электрореологическим эффектом.

In this research has shown a result of the rheological investigation of suspension of polyimides particle, which decreases itself viscosity on 20 per cent into applied electric fields. This property of matter called negative electro rheological effect.

 

Ключевые слова: электрореология, полиимиды, умные материалов

Key words: electrorheology, polyimides, smart materials

 

Введение

Электрореологические (ЭР) жидкости - это коллоидные суспензии, состоящие из поляризующейся, жидкой [1] или твёрдой [2, 3] дисперсной фазы и диэлектрической дисперсионной среды. Реологические свойства, такие как вязкость и модуль сдвига в электрореологических материалах быстро и обратимо изменяются с приложением электрического поля [4, 5]. Благодаря тому, что физико-механические свойства можно контролировать, изменяя напряженность электрического поля, электрореологические суспензии являются перспективными в использовании для широкого ряда устройств, таких как трансмиссии, микрожидкостные насосы, демпфирующие устройства и т. д. [6].

В данный момент в мире рассматривается два типа электрореологических материалов: ЭР жидкости прямого действия, ЭР жидкости обратного действия.

Обычно, обратный ЭР эффект проявляется в результате несоответствия проводимости дисперсных частиц и дисперсионной среды. Обратный ЭР эффект ожидается если σpf, а ep<ef [7]. В случаях если σp<<σf, ep>ef и σpf, ep<ef, электрореологический эффект будет меняться от прямого до обратного с понижением частоты электрического поля. Здесь σp, σf удельная проводимость, а ep и ef удельная диэлектрическая проницаемость частиц и среды соответственно. Обратный эффект возникает в результате двух факторов: электровращения частиц (вращение Квинке) [8, 9, 10] и фазовое разделение [11].

 

Результаты

В данной работе рассматриваются суспензии термостойкого полимера в среде полидиметилсилоксановой жидкости проявляющие обратный ЭР эффект по модели вращения Квинке.

Реологические исследования, в которых суспензия проявляла обратный ЭР эффект, проводились при двух значениях температуры 25оС и 40оС.

Графики зависимости касательных напряжений от скорости деформации сдвига    при температуре 25оС показаны на рис.1.

Рисунок 1 - Зависимость касательных напряжений (Па) от скорости сдвига (с-1) для 10% суспензии полиимида 24оС

 

Из них видно, что при измерении в более сильном электрическом поле значения касательных напряжений уменьшаются при одних и тех же значениях скоростей сдвиговой деформации, что свидетельствует об уменьшении вязкости системы.

Для того, чтобы установить обратимость необходимо провести измерения с плавным увеличением и уменьшением напряженности поля в зазоре. На рис.2 представлены результаты такого эксперимента, проведенного с постоянной скоростью сдвига 30с-1 при температуре 25оС.

 

Рисунок 2 - Зависимость касательных напряжений от электрического поля, при постоянной скорости сдвига 30с-1 при температуре 25oC

 

Как видно на рис.2, суспензия полностью восстанавливается со снятием электрического поля, при этом возникает эффект гистерезиса. При этом кривая уменьшения напряженности идет ниже кривой повышения, что и является свидетельством обратимости.

 

Выводы

Рассмотренные в данной работе суспензии полиимидов в силиконовой жидкости проявляют обратный электрореологический эффект обусловленный электровращением частиц в среде. Это явление возможно связано сопряженной связью между мономерами. При этом ЭР эффекты, возникающие в суспензиях полиимидов обратимы со снятием электрического поля.

 

Список использованных источников

1.    Frank E. Filisko, Current Developments in Electrorheological Materials In: Mel Schwartz,  Smart Materials, 2008, pt 21, pp 1-6

2.    Winslow W.M., Induced fibration of suspensions // J. Appl. Phys. 1949. V.20. P.1137–1140

3.    Choi H.J., Kim T.W., Cho M.S.et.al. Electrorheological characterization of polyaniline dispersions. // Eur. Polym. J. 1997. V. 33. P. 699-703.

4.    Block H., Kelly J.P., Qin A., Watson T. Materials and mechanisms in electrorheology // Langmuir. 1990. V. 6. P. 6-14.

5.    Hao T. Electrorheological fluids // Adv. Mater. 2001. V. 13. P. 1847-1852.

6.    Sanjay Ramchandra Kumbhar, Subhasis Maji, Bimlesh Kumar Research on Smart Materials for Automotive Applications // Journal of Automobile Engineering and Applications, Vol 1, #1, 2014,

7.    Ramos-Tejada, M. M., F. J. Arroyo, and A. V. Delgado, “Negative electrorheological behavior in suspensions of inorganic particles,” Langmuir 26, 16833–16840 (2010).

8.    Quincke, G., Ueber rotationen im constanten electrischen felde,  Ann. Phys. 295, 417–486 (1896).

9.    Huang, H.-F., M. Zahn, and E. Lemaire, Continuum modeling of micro-particle electrorotation in Couette and Poiseuille flows—The zero spin viscosity limit,  J. Electrost. 68, 345–359 (2010).

10.    Lemaire, E., L. Lobry, N. Pannacci, and F. Peters, “Viscosity of an electro-rheological suspension with internal rotations,” J. Rheol. 52, 769–783 (2008).

11.    Van der Biest, O. O., and L. J. Vandeperre, “Electrophoretic deposition of materials,” Annu. Rev. Mater. Sci. 29, 327–352 (1999).

 

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда: код проекта № 14-19-01653