In this thesis, surfactant effects on the stability and electrorheological properties were investigated experimentally. The electrorheological fluid was composed of semi-conductive polyaniline particles dispersed in a mineral oil. To promote the phase stability, small amount of nonionic surfactant was added. The polyaniline was synthesized by polymerization of aniline monomer, and the surfactants selected were Span20, Span80 and Span85, which are distinctly different in their molecular structures.
Dynamic yield stress of polyaniline suspension, which possessed the quadratic dependence on electric field strength at low electric field, showed the linear dependence at high electric field. In addition, the conductivity of polyaniline particles influenced the electrorheological response and there existed the optimal conductivity for the maximum yield stress.
In the presence of nonionic surfactants used here, the yield stress of polyaniline exhibited a local maximum at a certain surfactant concentration. The existence of optimal surfactant concentration was confirmed by the surfactant adsorption isotherm. Below the optimal threshold concentration, the electrorheological activity was enhanced by the increased interfacial polarization induced by the adsorbed surfactant molecules. Above the threshold concentration, however, the electrorheological activity was degraded by the conduction through the field-induced surfactant-rich microstructure. This optimal concentration coincided with the saturation concentration in the adsorption isotherm.
The surfactants used in this study showed the improved phase stability due mainly to the induced steric hindrance effect. For the colloidal stability, Span80 was the most effective. However, considering that most of ER activity comes from relatively large particles, Span85 was the best choice for a stabilizing additive in the present ER suspension. In addition, our results showed that the presence of the nonionic surfactants considered here did not cause any sensible degradation at high temperature.
본 연구에서는 계면활성제가 전기유변유체의 안정화와 유변학적 물성에 미치는 영향을 고찰하였다. 실험에 사용한 전기유변유체는 반전도성 고분자인 폴리아닐린 입자와 미네랄 오일로 구성되어 있으며, 여기에 소량의 계면활성제를 첨가한 것이다. 폴리아닐린은 아닐린 단량체를 이용하여 화학적인 방법으로 합성하였으며, 계면 활성제는 비이온성 계면활성제인 Span20, Span80, Span85로써 그 분자구조적인 효과를 비교, 고려할 수 있도록 선택하였다.
폴리아닐린 현탁계의 전기유변학적 물성은 (즉, 항복응력) 낮은 전기장하에서는 전기장 세기의 제곱에 비례하고, 높은 전기장하에서는 전기장 세기에 선형적으로 비례하는 거동을 보였다. 또한, 입자의 전도도가 증가함에 따라 전기유변학적 효과는 증가하다 감소하였으며, 최대의 전기유변학적 효과를 위한 최적의 입자 전도도가 있음을 확인하였다. 수반되는 실험에서는 전기유변효과를 극대화하기 위하여, 위에서 찾아낸 최적의 전도도를 가지는 입자를 사용하였다.
계면활성제 첨가 시에는 계면활성제의 농도 증가에 따라 전기유변효과가 증가하다가 감소하였다. 이러한 현상을 규명하기 위하여 전류밀도와 유전상수의 변화, 계면활성제의 흡착거동, 그리고 미세구조 관찰을 수행하였다. 최대의 전기유변효과가 나타나는 계면활성제 농도 이하에서는 첨가된 계면활성제가 입자의 표면에 흡착되어 입자상의 전기적인 성질을 변화시킴으로서 계면 분극화를 촉진하기 때문에 전기유변효과가 증대되는 것으로 나타났다. 반면에, 그 이상의 농도에서는 입자사이의 좁은 공간에 계면활성제의 미세구조가 형성되어 이를 통해서 대부분의 전류가 통과하므로 실제 입자의 분극화는 감소하게 되어 전기유변효과 역시 저하되는 것으로 나타났다. 이 최적의 계면활성제 농도는 흡착 등온선에서 나타나는 흡착포화시점의 농도와 잘 일치하였다. 사용한 계면활성제 모두 분산계의 안정화에 뚜렷한 효과를 나타내었으며, 본 연구에 사용한 계면활성제는 주로 입자간의 입체장애 효과를 유발하였다. 콜로이드 수준의 분산에는 Span80이 가장 효과적이었으나, 실제로 전기유변효과를 지배하는 상대적으로 큰 입자의 농축 분산계서는 Span85의 효과가 가장 뛰어났다. 또한 사용한 계면활성제 모두 넓은 온도 범위에서 활성을 유지하였다.
