Elektroreologické (ER) kapaliny, jako jeden z inteligentních materiálů, vykazující zajímavé reologické vlastnosti v elektrickém poli, jsou předmětem mnoha výzkumů. Typické ER kapaliny obsahují částice o vysoké permitivitě a nízké vodivosti dispergované v nevodivém kapalném prostředí. Vlivem elektrického pole tvoří polarizované částice řetízkovou strukturu ve směru elektrického pole. Tato struktura umožňuje ER kapalině náhle změnit svou viskozitu a smykové napětí během velmi krátké doby. Reologické změny ER kapaliny jsou vratné a velmi rychlé, tak že se mohou používat v automobilovém průmyslu pro spojky, brzdy a tlumící elementy. Potencionální aplikace přitahují velkou pozornost od svého prvního popisu v roce 1949 jak v akademické tak v průmyslové sféře. Pro uvažované použití jsou nejdůležitějšími vlastnostmi kapalin hlavně vysoké prahové napětí (mez toku), nízké proudové hustoty, vhodná teplotní stabilita a nízká sedimentace.
Doposud byly vyvinuty dva typy ER materiálů a to bezvodé a vlhkost obsahující. V ER systémech obsahujících vlhkost slouží adsorbovaná voda jako nosič pohyblivých nábojů na povrchu částic, což zvyšuje intenzitu ER efektu. Nicméně přítomnost adsorbované vlhkosti představuje také řadu problémů jako jsou úzký rozsah teplot použití, vysoká proudová hustota a možná koroze zařízení. Z těchto důvodů se pro praktické aplikace jeví vhodnější bezvodé systémy. Nedávno tak byly intenzivně zkoumány bezvodé částice anorganických materiálů, různých polovodivých polymerů, hybridních organicko-anorganických kompozitů a nových nanokompozitů. Bohužel experimentální výsledky jsou stále daleko od komercionalizace ER materiálů a bude třeba vyvinout ještě nemalé úsilí než se to podaří.
Cílem disertační práce je návrh a příprava nových nanokompozitních materiálů s řízenou strukturou jako jsou mezoporézní polypyrol/silika, mezoporézní silika modifikovaná triethanol aminem a jednodimenzionální nanokompozity polyanilín/titanát a polypyrol/titanát. Očekává se, že ER kapaliny na bázi těchto nových nanokompozitů budou vykazovat vysokou ER aktivitu. Výsledky ukázaly, že mezoporézní silika modifikovaná polypyrolem a triethanol aminem vykazuje vyšší ER efekt než původní neupravená silika. Na druhou stranu, u kapalin na bázi jednodimenzionálních nanotrubek polynilín/titanát přispívá jejich vyšší aspektální poměr k větší polarizovatelnosti částic, což vede k silnějšímu ER efektu v porovnání s kapalinami na bázi kulových částic polyanilín/TiO2. Dále byla provedena korelace reologických a dielektrických vlastností kapalin na bázi připravených nanokompozitů.
Annotation in English
As one of the important smart materials, electrorheological (ER) fluids have attracted much research showing interesting rheological properties upon an electric field. A typical ER fluid consists of particles with a high permittivity and low conductivity dispersed in an insulating liquid medium. Application of an electric field can make the polarized particles form column- or chain-structure along the electric field direction. These chains and columns enable ER fluid to suddenly increase its viscosity and shear stress in a very short time. Such rheological changes in ER fluid are reversible and very fast so that ER fluid could be used in the automotive industry for clutch, brake and damping systems. The potential applications have attracted a great deal of attention both in academic and industrial areas since the ER effect was first time described in 1949. Regarding these applications, ER properties such as high yield stress, low current density, optimal working temperature stability, and low sedimentation are of great importance to ER materials.
To date, two kinds of ER materials including hydrous and anhydrous materials have been developed. In hydrous ER system the adsorbed water is supposed to create mobile charge carriers on the surface of the particles, which induces the ER effect under electric field. However, the adsorbed water results in many shortcomings of such ER systems like narrow working temperature range, high current density and device corrosion. Therefore, anhydrous ER fluid is to be much more promising from the point of view of industrial applications. Recently, anhydrous ER fluids have been extensively explored with anhydrous particles including inorganic particles, various semiconducting polymers, organic-inorganic hybrid composites and some novel nanocomposites. Unfortunately, the experimental results are still a great distance from commercialization of ER materials and much effort must be put into this issue.
Following such idea, the aim of this thesis is to design and fabricate novel nanocomposites with controllable structure, i.e. mesoporous polypyrrole/silica, triethanolamine-modified mesoporous silica, one-dimensional polyaniline/titanate and polypyrrole/titanate nanocomposites. ER fluids made of these novel nanocomposites are expected to show high ER activity. The results show that polypyrrole and triethanolamine modified mesoporous silica demonstrate enhanced ER effect compared to pure mesoporous silica. On the other hand, one dimensional polyaniline/titanate nanotubes based fluids also show typical ER characteristics and their larger aspect ratios and higher surface area may contribute to larger polarizability under electric field, which leads to higher ER activity than that of spherical polyaniline/TiO2 based fluids. Correlation of rheological and dielectric properties of the above nanocomposites based fluids is also provided.
Elektroreologické (ER) kapaliny, jako jeden z inteligentních materiálů, vykazující zajímavé reologické vlastnosti v elektrickém poli, jsou předmětem mnoha výzkumů. Typické ER kapaliny obsahují částice o vysoké permitivitě a nízké vodivosti dispergované v nevodivém kapalném prostředí. Vlivem elektrického pole tvoří polarizované částice řetízkovou strukturu ve směru elektrického pole. Tato struktura umožňuje ER kapalině náhle změnit svou viskozitu a smykové napětí během velmi krátké doby. Reologické změny ER kapaliny jsou vratné a velmi rychlé, tak že se mohou používat v automobilovém průmyslu pro spojky, brzdy a tlumící elementy. Potencionální aplikace přitahují velkou pozornost od svého prvního popisu v roce 1949 jak v akademické tak v průmyslové sféře. Pro uvažované použití jsou nejdůležitějšími vlastnostmi kapalin hlavně vysoké prahové napětí (mez toku), nízké proudové hustoty, vhodná teplotní stabilita a nízká sedimentace.
Doposud byly vyvinuty dva typy ER materiálů a to bezvodé a vlhkost obsahující. V ER systémech obsahujících vlhkost slouží adsorbovaná voda jako nosič pohyblivých nábojů na povrchu částic, což zvyšuje intenzitu ER efektu. Nicméně přítomnost adsorbované vlhkosti představuje také řadu problémů jako jsou úzký rozsah teplot použití, vysoká proudová hustota a možná koroze zařízení. Z těchto důvodů se pro praktické aplikace jeví vhodnější bezvodé systémy. Nedávno tak byly intenzivně zkoumány bezvodé částice anorganických materiálů, různých polovodivých polymerů, hybridních organicko-anorganických kompozitů a nových nanokompozitů. Bohužel experimentální výsledky jsou stále daleko od komercionalizace ER materiálů a bude třeba vyvinout ještě nemalé úsilí než se to podaří.
Cílem disertační práce je návrh a příprava nových nanokompozitních materiálů s řízenou strukturou jako jsou mezoporézní polypyrol/silika, mezoporézní silika modifikovaná triethanol aminem a jednodimenzionální nanokompozity polyanilín/titanát a polypyrol/titanát. Očekává se, že ER kapaliny na bázi těchto nových nanokompozitů budou vykazovat vysokou ER aktivitu. Výsledky ukázaly, že mezoporézní silika modifikovaná polypyrolem a triethanol aminem vykazuje vyšší ER efekt než původní neupravená silika. Na druhou stranu, u kapalin na bázi jednodimenzionálních nanotrubek polynilín/titanát přispívá jejich vyšší aspektální poměr k větší polarizovatelnosti částic, což vede k silnějšímu ER efektu v porovnání s kapalinami na bázi kulových částic polyanilín/TiO2. Dále byla provedena korelace reologických a dielektrických vlastností kapalin na bázi připravených nanokompozitů.
Annotation in English
As one of the important smart materials, electrorheological (ER) fluids have attracted much research showing interesting rheological properties upon an electric field. A typical ER fluid consists of particles with a high permittivity and low conductivity dispersed in an insulating liquid medium. Application of an electric field can make the polarized particles form column- or chain-structure along the electric field direction. These chains and columns enable ER fluid to suddenly increase its viscosity and shear stress in a very short time. Such rheological changes in ER fluid are reversible and very fast so that ER fluid could be used in the automotive industry for clutch, brake and damping systems. The potential applications have attracted a great deal of attention both in academic and industrial areas since the ER effect was first time described in 1949. Regarding these applications, ER properties such as high yield stress, low current density, optimal working temperature stability, and low sedimentation are of great importance to ER materials.
To date, two kinds of ER materials including hydrous and anhydrous materials have been developed. In hydrous ER system the adsorbed water is supposed to create mobile charge carriers on the surface of the particles, which induces the ER effect under electric field. However, the adsorbed water results in many shortcomings of such ER systems like narrow working temperature range, high current density and device corrosion. Therefore, anhydrous ER fluid is to be much more promising from the point of view of industrial applications. Recently, anhydrous ER fluids have been extensively explored with anhydrous particles including inorganic particles, various semiconducting polymers, organic-inorganic hybrid composites and some novel nanocomposites. Unfortunately, the experimental results are still a great distance from commercialization of ER materials and much effort must be put into this issue.
Following such idea, the aim of this thesis is to design and fabricate novel nanocomposites with controllable structure, i.e. mesoporous polypyrrole/silica, triethanolamine-modified mesoporous silica, one-dimensional polyaniline/titanate and polypyrrole/titanate nanocomposites. ER fluids made of these novel nanocomposites are expected to show high ER activity. The results show that polypyrrole and triethanolamine modified mesoporous silica demonstrate enhanced ER effect compared to pure mesoporous silica. On the other hand, one dimensional polyaniline/titanate nanotubes based fluids also show typical ER characteristics and their larger aspect ratios and higher surface area may contribute to larger polarizability under electric field, which leads to higher ER activity than that of spherical polyaniline/TiO2 based fluids. Correlation of rheological and dielectric properties of the above nanocomposites based fluids is also provided.
