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Rheological properties and material characteristics of field-responsive fluids = 응답성 유체의 유변 물성과 재료 특성
서명 / 저자 Rheological properties and material characteristics of field-responsive fluids = 응답성 유체의 유변 물성과 재료 특성 / Byung-Doo Chin.
저자명 Chin, Byung-Doo ; 진병두
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2000].
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In this thesis, experimental studies on the field-responsive fluids were performed in terms of the development of novel materials and characterization of the rheological properties. The field-responsive fluids are representative smart materials having electric or magnetic field-dependent properties induced by the patterned structures in the external field. Among them, electrorheological (ER) and magnetorheological (MR) fluids can offer a potential applicability in development of a novel device as a fast, reversible mechanical-electrical interface. However, the performance of ER and MR fluids should be further improved along with the fundamental understanding of related mechanisms. Therefore, major objective of this thesis is placed in the understanding of the relation between the material properties and microscopic/rheological behavior of these fluids. As a novel ER material for the high temperature application, semiconductive polymeric particle suspension is prepared. In order to investigate the effects of the electrical properties of polymeric particles on the ER phenomena, conductivity of semiconductive poly(p-phenylene) particle is controlled. The dielectric behaviors of ER suspension revealed facilitated interfacial polarization for the suspension with intermediate conductivity of particle. These behaviors were closely related with the magnitude of dynamic yield stress, which showed a maximum and then decreased with increasing the conductivity of particles. Therefore, we established an optimum condition of particle conductivity showing the maximum ER activity. In order to promote the ER effect considerably, a novel multiphase dispersion system has been designed and investigated. Here the dispersed emulsion drop is introduced to the polyaniline particle suspension with optimum conductivity. The electrical conductivity of emulsion drop (Celeclor s45) was $10^2$ times higher than that of medium (silicone oil), so that this emulsion itself showed ER activity. Only when the dispersed drops with a higher conductivity formed the dispersed liquid phases in the presence of dispersed polyaniline particles, a synergistic effect in the magnitude of yield stress was observed, giving a better ER performance and reduced current density. A direct observation of microscopic change demonstrated that such synergistic effect is due to the unique microstructures in a complex composed of particles and deformed emulsion drops. Not only the magnitude but also the dependence on the electric field strength of yield stresses was strongly affected by the change in relative composition of particulate and liquid drop phases. The associated mechanism in particle-drop bi-dispersion was explained on the basis of the relationship between the microscopic change of structures and macroscopic rheological properties. Investigation on the dynamic rheological behavior of ER fluids containing emulsion drops, dispersed particles, and particle-drop bi-dispersed phases were also performed in the oscillatory shear flow. For the polyaniline ER suspensions, torque waveforms subjected to sinusoidal strain input showed deviation even at the small strain about 5.0%, indicating the transition from viscoelastic to viscoplastic (yielding) behaviors. Within the region of viscoelasticity, the linear region is restricted below the amplitude of 0.1%, whereas the ER-active emulsions showed rather wide linear regime. Increase of the electric field strength and the volume fraction of emulsion drops (φ) enlarged the range of viscoelasticity and delayed the onset of yielding. Frequency dependence of the storage shear modulus in the linear viscoelastic region revealed the plateau value, which is the typical feature of the elastic solid. Subjected to strain with large amplitude, ER material cannot be treated as a viscoelastic body. For the improvement of the dispersion stability for ER suspensions based on semi-conductive polymers, polyaniline stabilized by poly(vinyl methyl ether) (PVME) was prepared. In the presence of PVME, one can easily obtain the stable aqueous colloidal dispersions of the polyaniline. However, stable suspension of polyaniline in silicone oil can be obtained only at the low concentration of the PVME (0.75%), although the average particle size of the isolated-redispersed particles is generally reduced with the amount of PVME stabilizer. In the PVME-rich condition, morphological evolution and the formation of highly packed particle aggregates was investigated by the SEM image. The maximum dynamic yield stress for the well-stabilized polyaniline suspension (0.75% PVME stabilizer) is consistent with the change of the zero-field apparent viscosity for the materials with equal weight fraction, representing the different state of dispersions. The magnetorheological (MR) fluid can be effective counterpart of ER fluid for the area of application requiring higher mechanical strength. Magnetic and rheological properties of MR suspension can be systematically investigated by utilizing the analogy between ER and MR phenomena. The yield stress ($τ_y$) was observed to vary as $H_0\face^(3/2)$, indicating that local magnetization saturation occurs between the neighboring particles. Only in the low concentration of particles, $τ_y$ depends on the volume fraction of the particles (φ). Rheological behaviors of MR fluids subjected to a small-strain oscillatory shear flow were investigated as a function of the strain amplitude, frequency, and the external magnetic field. In order to improve the stability of carbonyl iron-based MR fluid, ferromagnetic $Co-γ-Fe_2O_3$ and $CrO_2$ particles were incorporated as stabilizing and thickening additives. The needle-like ferromagnetic particles seem to play a role of steric repulsion between the relatively large carbonyl iron particles, resulting in the improved stability against the rapid sedimentation of dense iron particles. Furthermore, the yield stresses of the additive-containing MR suspensions increased in the application of strong magnetic field strength.'

전기장 및 자기장 하에서 형성되는 미세구조로 인하여 유변학적 물성의 변화를 나타내는 응답성 유체를 대상으로 실험적 연구를 수행하였다. 대표적인 응답성 유체인 전기 및 자기유변유체는 전기적 신호를 기계적 응답으로 빠르게 전환시킬 수 있는 특성을 가지고 있어 여러 분야에의 응용 가능성이 제시되어 왔다. 그러나, 실제 적용을 위해서는 점도 조절 성능의 향상 및 관련 메커니즘에 대한 정확한 이해가 요구된다. 따라서, 본 연구의 주된 목적은 이들 유체를 구성하는 입자와 분산매질의 물리화학적 특성과 미시적 거동 및 유변학적 성질 사이의 상관 관계를 이해하는 데 있다. 고온에서도 활성을 갖는 전기유변유체의 제조를 위하여 반전도성의 고분자입자 현탁액을 조성하였다. 입자의 전기전도도를 조절하여 전기적 성질이 유변학적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 맥스웰-와그너 계면편극화 현상을 따르는 전기유변유체의 유전특성은 적절한 전도도의 입자 현탁계에서 가장 큰 유전상수의 값을 나타내었으며, 이러한 경향은 전기유변효과를 대표하는 동적항복응력의 변화 추이와도 일치하였다. 이러한 실험을 통하여 전기유변유체의 최적 입자 전도도를 구하였고 소량의 계면활성제를 사용할 경우에도 계면편극화 현상이 전기유변학적 활성에 미치는 영향을 확인하였다. 단순 입자 현탁계에서보다 향상된 전기유변효과를 얻기 위하여 다성분계 분산액을 제조하였다. 폴리아닐린의 입자 현탁액에 에멀젼 액적을 도입하였을 때 전기유변효과가 상당히 증가하는 것을 확인하였다. 이는 에멀젼 액적이 전기전도도의 차이로 인하여 전기장 하에서 미세구조를 형성하기 때문으로, 연속상(silicone oil) 보다 큰 전기전도도를 갖는 에멀젼 액적(Celeclor) 을 사용할 경우에만 이와 같은 항복응력의 뚜렷한 증가가 관찰되었다. 광학현미경을 사용하여 전기장 하에서의 사슬구조를 고찰함으로써 미세구조 형성에 관한 메커니즘을 제시하였고 이로써 유변학적 물성의 변화를 설명하였다.. 입자 및 에멀젼 액적의 상대적 부피분율은 전기장 하에서의 항복응력의 세기 뿐만 아니라 전기장에의 의존성에도 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 정현파 형태의 동적변형 하에서 입자 및 에멀젼액적을 포함하는 전기유변유체의 유변학적 특성을 고찰하였다. 폴리아닐린 입자현탁계는 약1.0~5.0% 정도의 작은 변형에서도 사인파 형태의 응력 응답에서 조금씩 벗어나는 결과를 보였고, 이는 선형점탄성에서 비선형 점탄성, 그리고 점성 소성으로의 전이를 의미한다. 이 중에서 선형점탄성 영역은 매우 좁아서 약 0.1% 이내이지만, 비선형을 포함하는 점탄성 영역은 전기장 세기 및 액적 부피분율의 증가에 따라 다소 넓어지는 경향을 나타내었다. 선형영역에서의 저장탄성계수는 주파수에 거의 무관한 응답을 나타내어 탄성고체와 유사한 성질을 가짐을 알 수 있었다. 큰 변형 하에서의 전기유변유체는 점탄성 물질의 특성을 나타내지 않으며, 이 영역에서의 해석을 위하여 전단응력-변형의 히스테리시스를 관찰하였다. 고분자 현탁액으로 제조된 전기유변유체의 분산안정성을 개선하기 위하여 폴리비닐메틸에테르(PVME)를 이용한 폴리아닐린의 안정화를 시도하였다. 안정화제인 PVME를 도입한 상태에서 폴리아닐린을 분산중합 시키면 안정한 콜로이드 입자 형태의 폴리아닐린 수분산액을 얻을 수 있다. 얻어진 입자를 분리, 건조시키고 오일에 분산시키면 0.75%의 낮은 PVME 농도에서 합성된 폴리아닐린 현탁액에서 분산 안정성이 개선되는 결과를 얻었다. 합성단계에서 PVME의 농도가 높아짐에 따라 입자의 평균직경은 감소하는 경향을 보이지만 입자의 밀도가 증가하였으며, 일부 입자의 응집을 촉진시키는 현상이 나타남을 주사전자현미경을 사용한 표면 관찰로부터 알 수 있었다. 전기장 하에서 현탁액의 동적 항복응력을 측정하고 PVME 농도의 영향을 해석하였다. 자기유변유체는 큰 기계적 응력전달을 필요로 하는 응용분야에서 전기유변유체의 단점을 극복할 수 있는 소재이다. 자기유변유체의 유변학적 물성 및 자기적 특성에의 의존성을 전기유변유체와의 유사성을 이용하여 체계적으로 연구하였다. 자기유변유체의 동적 항복응력은 자기장의 3/2승에 의존함을 확인하였고, 이는 인접한 입자들 사이에서 국부적인 자기장 포화가 일어나는 실제조건을 고려한 수치모사 결과와 일치하는 것이다. 동적 전단흐름에서의 유변학적 물성인 탄성 및 손실계수를 자기장의 세기, 변형의 진폭 및 주파수의 함수로 구하였다. 자기유변유체의 분산안정성은 입자의 높은 밀도로 인하여 전기유변유체에 비해 좋지 않으므로 이에 대한 개선이 반드시 필요하다. 자기유변유체의 입자에 비해 작아서 분산안정성이 우수한 강자성 입자 ($Co-γ-Fe_2O_3$ , $CrO_2$)를 도입함으로써 안정성을 향상시키고자 하였다. 이 입자들은 구형이 아닌 바늘모양의 형상을 띠며, 상대적으로 큰 자기유변유체의 입자 사이에서 입체 반발 효과를 나타내어 분산안정성이 어느 정도 증가하는 결과를 보였으며, 자기장 하에서의 사슬 구조 형성에도 기여하는 효과를 나타내었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCHE 00013
형태사항 xiii, 124 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 진병두
지도교수의 영문표기 : O-Ok Park
지도교수의 한글표기 : 박오옥
수록잡지명 : "Dielectric and rheological behaviors of semiconductive polymer suspension as an electrorheological fluid". Journal of colloid and interface science, vol. 13, No. 14-16, pp. 1852-1859 (1999)
수록잡지명 : International journal of modern physics B
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 화학공학과,
서지주기 Includes references
주제 Electrorheological fluid
Magnetorheological fluid
Yield stress
Viscoelasticity
Dispersion stability
전기유변유체
자기유변유체
항복응력
점탄성
분산안정성
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