KR100479739B1 - Synthesis and electrorheology of semiconducting polyaniline-coated polymethyl methacrylate microsphere suspensions - Google Patents

Synthesis and electrorheology of semiconducting polyaniline-coated polymethyl methacrylate microsphere suspensions Download PDF

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본 발명은 PMMA 마이크로 구형입자 100 중량부를 폴리아닐린 4∼200 중량부로 코팅한 PAPMMA 입자 계열을 탈도핑시킨 PAPMMA 입자 10∼30 부피%를 실리콘 오일, 트랜스포머 오일, 미네랄 오일, 올리브 오일, 콘 오일 및 소이빈 오일로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 비전도성 용매에 분산시켜 제조한 PAPMMA 마이크로 입자형 전기유변유체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to 10-30% by volume of PAPMMA particles dedoped with PAPMMA particle series coated with 100 parts by weight of PMMA micro spherical particles with 4 to 200 parts by weight of polyaniline to silicone oils, transformer oils, mineral oils, olive oils, corn oils and soybeans. It relates to a PAPMMA micro-particulate electrorheological fluid prepared by dispersing in at least one non-conductive solvent selected from the group consisting of oil and a method for producing the same.

Description

폴리아닐린 코팅된 폴리메틸메타아크릴레이트 입자형 전기유변유체 및 이의 제조방법{SYNTHESIS AND ELECTRORHEOLOGY OF SEMICONDUCTING POLYANILINE-COATED POLYMETHYL METHACRYLATE MICROSPHERE SUSPENSIONS} SYNTHESIS AND ELECTRORHEOLOGY OF SEMICONDUCTING POLYANILINE-COATED POLYMETHYL METHACRYLATE MICROSPHERE SUSPENSIONS

본 발명은 전도성 고분자중 대표적인 고분자재료인 폴리아닐린을 이용한 전기유변유체에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 본 발명은 PMMA 마이크로 구형입자 100 중량부를 폴리아닐린 4∼200 중량부로 코팅한 PAPMMA 입자 계열(series)을 탈도핑(dedopping)시킨 PAPMMA 입자 10∼30 부피%를 실리콘 오일, 트랜스포머 오일, 미네랄 오일, 올리브 오일, 콘 오일 및 소이빈 오일로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 비전도성 용매에 분산시켜 제조한 PAPMMA 마이크로 입자형 전기유변유체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrorheological fluid using polyaniline, which is a representative polymer material among conductive polymers. More specifically, in the present invention, 10 to 30% by volume of PAPMMA particles de-doped PAPMMA particle series coated with 100 parts by weight of PMMA micro spherical particles with 4 to 200 parts by weight of polyaniline may be used as silicone oil, transformer oil or mineral. The present invention relates to a PAPMMA micro-particulate electrorheological fluid prepared by dispersing in at least one non-conductive solvent selected from the group consisting of oil, olive oil, corn oil and soybean oil.

전기유변유체라 함은 가해지는 전기장에 따라 그 기계 및 물리적 특성이 변하는 유체를 총칭하는 것으로, 일반적으로는 전기적으로 절연성 용매 중에 전기적으로 분극이 가능한 입자들을 분산시킨 용액이다. 특히 전기유변유체는 부하되는 전기장에 의하여 점도의 증가와 항복응력의 거동을 보이며, 그 반응은 매우 빠르고 전기장의 부하에 대하여 가역적인 반응을 나타내는데 이를 전기유변효과(ER)라 한다. Electro-fluidic fluid is a generic term for fluids whose mechanical and physical properties change depending on the applied electric field, and are generally a solution in which electrically polarizable particles are dispersed in an electrically insulating solvent. In particular, the rheological fluid exhibits an increase in viscosity and yield stress behavior due to an electric field being loaded. The reaction is very fast and exhibits a reversible response to an electric field load. This is called an electrorheological effect (ER).

19세기 말에 최초로 개발된 전기유변유체는 액체만으로 구성되었으나, 이러한 전기유변유체는 만족할 만한 결과를 제공하지는 아니하였다[ 참고: Duff, A.W., Physical Review, Vol. 4, No. 1, 23 (1986)]. 그러나 윈슬로우에 의해 최초로 제안된 고체 분산 시스템은 종전에 비해 상당한 진보를 가져다 주었으며 [참고: Winslow, W.H., J. of Applied Physics, Vol. 20, 1137 (1949)], 이 이후 전도성 입자 및 비전도성 용매를 함유하는 시스템에 대한 연구가 계속되고 있다. 대부분의 전기유변유체는 콘스타치(corn starch)나 활성 실리카겔(active silica gel) 입자들이 미네랄 오일에 분산된 형태, 제올라이트 입자가 실리콘 오일에 분산된 형태 등 수분을 매개체로 하여 분극을 유도하는 수계성 유체이었다. 즉 입자표면이 친수성 성질을 띠고 있으며, 흡수된 수분은 ER효과에 매우 중요한 역할을 하나, 이런 전기유변유체를 고온이나 높은 신장률 (strain rate)을 요하는 시스템에 적용할 경우 입자에서 수분이 분리되어 그 일부가 수증기화하여 ER효과가 떨어질 뿐 아니라 쇼트의 위험성까지 있게 되므로, 근본적으로 수분을 필요로 하지 않는 드라이 베이스(dry base) 전기유변유체의 개발이 시급한 형편으로서 이러한 문제를 해결하는 방법으로는 수분의 존재를 입자내부에 국한시킬 수 있는 입자(예: zeolite)를 제조하는 방법과 분극화 현상이 입자내 전자 이동에 의한 유도 쌍극자 모멘트(induced dipole moment)에 기인하여 나타나는 드라이 베이스 전기유변유체의 개발 등이 있을 수 있다.The first rheological fluids developed at the end of the 19th century consisted of liquids only, but they did not provide satisfactory results [Duff, A.W., Physical Review, Vol. 4, No. 1, 23 (1986)]. However, the first solid dispersion system proposed by Winslow has made significant progress compared to the past [see Winslow, W.H., J. of Applied Physics, Vol. 20, 1137 (1949), after which studies on systems containing conductive particles and nonconductive solvents continue. Most electrorheological fluids are aqueous fluids that induce polarization through water, such as corn starch or active silica gel particles dispersed in mineral oil, and zeolite particles dispersed in silicone oil. It was. In other words, the surface of the particles has hydrophilic properties, and the absorbed water plays a very important role in the ER effect.However, when the electrofluid is applied to a system requiring high temperature or high strain rate, the water is separated from the particles. As part of the water vaporizes, not only the ER effect is lowered, but also the risk of a short is generated. Therefore, it is urgent to develop a dry base electrofluidic fluid that does not basically require moisture. Development of particles (eg zeolites) that can limit the presence of moisture within the particles and development of dry-based electro-fluidic fluids in which polarization phenomena are caused by induced dipole moments caused by electron transport in the particles And the like.

전기유변유체는 전기장하에서 급격한 점도의 증가로 인해 고체화(solidification) 현상을 나타내는 특성을 가진 유체로, 일반적으로 절연오일과 분극성(polarizable) 입자의 분산 상태로 존재한다. 전도성 고분자로 잘 알려져 있는 폴리아민은 우수한 전기적 성질로 인하여 많은 연구가 되어왔다. 그러나 중합된 폴리아민은 매우 불규칙한 입자모양을 보이며 이 때문에 이론적으로 제안된 여러 가지 모델과 비교해 다소 큰 차이를 보였다. 본 발명에서는 이런 불규칙한 입자형태를 가진 폴리아민의 모양을 제어하기 위해 코아 물질로 완전 구(sphere) 형태의 PMMA를 제조함으로써 전기유변학적 특성이 어떻게 변화할 것인가에 대해 알아보았다.Electrorheological fluids are fluids that exhibit solidification due to a sharp increase in viscosity under an electric field, and are generally present in a dispersed state of insulating oil and polarizable particles. Polyamines, well known as conductive polymers, have been studied for their excellent electrical properties. The polymerized polyamines, however, exhibit very irregular particle shapes, which makes them somewhat different compared to the theoretically proposed models. In the present invention, how to change the electrorheological properties by producing a full sphere (PMMA) of the core material to control the shape of the polyamine having such irregular particle shape.

폴리아민이 코팅된 PMMA입자는 본래의 장소에(in-situ) 폴리머화로 제조하였고, FT-IR, TGA, SEM, 피코암메타(picoammeter) 등의 기기를 이용하여 특성분석을 하였다. 제조된 입자는 크게 세가지로 분류할 수 있다. 첫번째로는 아민양을 다르게 하여 코팅 두께에 대한 영향을 보기 위한 입자, 두번째로는 코아 PMMA 입자의 크기를 바꾸어 그에 대한 영향을 살펴보기 위한 입자, 마지막으로 PMMA 입자의 세공(pore)이 전기유변효과에 어떠한 영향을 주는지 살펴보기 위한 입자이다.The polyamine-coated PMMA particles were prepared by in-situ polymerization and characterized using FT-IR, TGA, SEM, picoammeter, and the like. The prepared particles can be classified into three categories. The first is a particle to see the effect on the coating thickness by varying the amount of amine, the second to change the size of core PMMA particles to examine the effect, and finally the pores of the PMMA particles are electrorheological effects. To see how this affects particles.

전기유변유체는 항복응력을 가진 빙햄(Bingham) 유체의 거동을 보여주고 있으며, 항복응력은 전기장의 함수로 얻어졌다. 또한 임피던스 분석기(impedance analyzer)를 사용하여 유전체 스펙트럼(dielectric spectra)을 측정함으로써 분산입자 자체나 입자 표면의 편극화(polarization) 성향을 관찰하여 유변학적 특성과 상호 비교하였다.The rheological fluid shows the behavior of the Bingham fluid with yield stress, and the yield stress was obtained as a function of the electric field. Also, by measuring the dielectric spectra using an impedance analyzer, the polarization propensity of the dispersed particles themselves or the particle surface was observed and compared with the rheological properties.

이러한 특성은 브레이크, 엔진마운트, 댐퍼 등의 제어가 가능한 가변감소 기구나 브레이크, 클러치 등의 동력장치에 응용이 가능하며, 자동차 및 항공산업 등을 비롯한 로봇 산업에 까지도 그 영역을 넓히고 있다.Such characteristics can be applied to variable reduction mechanisms capable of controlling brakes, engine mounts, dampers, and the like, and power devices such as brakes and clutches, and are also extending to the robotics industry, including the automobile and aviation industries.

전기전도성 고분자로서의 폴리아닐린의 역할이나 활용도 중요하지만 반전도성을 띠게 하여 전기 유변유체에 활용하는 것도 전도성 고분자의 응용분야를 넓힌다는 의의를 갖는다.The role and application of polyaniline as an electrically conductive polymer is also important, but it is also important to use it as an electroconductive fluid by making it semi-conductive.

좋은 전동유체는 낮은 전기장하에서 높은 항복응력을 가져야 하며 사용 가능 온도의 범위가 넓어야하고 침전의 불안정성이 없는 조건을 만족시켜야한다. 전도성고분자로 알려져 있는 폴리아닐린은 우수한 전기적 성질로 인하여 많은 연구가 되어왔다. 그러나 중합된 입자는 불규칙한 입자모양을 보이며 이 때문에 이론적으로 제안된 여러 가지 모델과 비교해 다소 큰 차이를 보였다. 본 발명은 전도성 입자인 폴리아닐린을 폴리메틸메타아크릴레이트 입자 위에 코팅시킴으로써 폴리아닐린의 모양을 구형태로 제어함으로써 전기유변학적 특성이 어떻게 변화할 것인가에 대해 알아보고 최적의 전기유변효과를 나타낼 수 있는 유체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. A good fluid must have a high yield stress under a low electric field, have a wide range of usable temperatures, and satisfy conditions without precipitation instability. Polyaniline, known as a conductive polymer, has been studied for its excellent electrical properties. However, the polymerized particles showed irregular particle shape, which was somewhat larger than the theoretically proposed models. The present invention provides a fluid which can determine how the electrorheological properties will be changed by controlling the shape of the polyaniline in a spherical form by coating the polyaniline, which is a conductive particle, on the polymethylmethacrylate particles. It is for that purpose.

본 발명은 PMMA 마이크로 구형입자 100 중량부를 폴리아닐린 4∼200 중량부로 코팅한 PAPMMA 입자 계열을 탈도핑시킨 PAPMMA 입자 10∼30 부피%를 실리콘 오일, 트랜스포머 오일, 미네랄 오일, 올리브 오일, 콘 오일 및 소이빈 오일로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 비전도성 용매에 분산시켜 제조한 PAPMMA 마이크로 입자형 전기유변유체 및 이의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to 10-30% by volume of PAPMMA particles dedoped with PAPMMA particle series coated with 100 parts by weight of PMMA micro spherical particles with 4 to 200 parts by weight of polyaniline to silicone oils, transformer oils, mineral oils, olive oils, corn oils and soybeans. It provides a PAPMMA micro-particulate electro-fluidic fluid prepared by dispersing in at least one non-conductive solvent selected from the group consisting of oil and a method for producing the same.

또한 본 발명은 PMMA 모노머 10 중량% 및 아조비스이소부티로나이트릴 0.1 중량%를 상온에서 폴리비닐피롤리돈 4 중량%가 녹아있는 메탄올 85.9 중량%에 용해시킨 용액을 질소 퍼징으로 산소를 제거하고 55℃에서 48시간동안 열을 가한 후 모노분산된 입자를 메탄올에서 씻어내어 2∼10㎛의 PMMA 입자를 제조하는 단계; 상기 PMMA 입자 10g 및 소듐도데실설페이트 0.0095M을 증류수에 넣어서 교반시킨 후 아닐린을 PMMA 100 중량부 당 4∼200 중량부와 하이드로퀴논 용액 0.002M을 첨가하여 상기 혼합용액을 1.2 M 염산 수용액 하에서 pH를 0.7으로 산성화시키고 상기 용액 하에서 (NH4)2S2O8을 초기 산화제/모노머의 몰비율을 1.25로 고정시킨 개시제로 하여 25℃에서 24시간 동안 교반하면서 중합하여 PMMA 표면에 폴리아닐린을 코팅시켜 PAPMMA 입자를 제조하는 단계; 상기 PAPMMA 입자를 탈도핑시킨 PAPMMA 입자 10∼30 부피%를 실리콘 오일, 트랜스포머 오일, 미네랄 오일, 올리브 오일, 콘 오일 및 소이빈 오일로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 비전도성 용매에 분산시켜 PAPMMA 마이크로 입자형 전기유변유체의 제조방법을 제공한다.The present invention also removes oxygen by nitrogen purging a solution in which 10% by weight of PMMA monomer and 0.1% by weight of azobisisobutyronitrile are dissolved in 85.9% by weight of methanol in which 4% by weight of polyvinylpyrrolidone is dissolved at room temperature. Heating at 55 ° C. for 48 hours to wash the monodispersed particles in methanol to produce 2-10 μm PMMA particles; 10 g of the PMMA particles and 0.0095 M of sodium dodecyl sulfate were added to distilled water, followed by stirring. Then, 4 to 200 parts by weight of aniline was added per 100 parts by weight of PMMA and 0.002 M of hydroquinone solution. Acidified to 0.7 and under the solution (NH 4 ) 2 S 2 O 8 as an initiator to fix the molar ratio of the initial oxidizer / monomer to 1.25 was polymerized with stirring at 25 ℃ for 24 hours to coat polyaniline on the PMMA surface PAPMMA Preparing the particles; 10-30% by volume of PAPMMA particles dedoped with PAPMMA particles are dispersed in at least one nonconductive solvent selected from the group consisting of silicone oil, transformer oil, mineral oil, olive oil, corn oil and soybean oil It provides a method for producing a type electro-fluidic fluid.

본 발명에서 사용된 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA)입자의 합성은 모노분산된(monodispersed) 폴리머 입자를 만드는 가장 유용한 방법 중에 하나인 분산 폴리머화(dispersion polymerization) 방법[참고: Barthet, C., Armes, S. P., Lascelles, S. F., Luk, S. Y., Stanley, H. M. E, Langmuir, vol. 14, 2032 (1998)]에 의해서 제조하였다. 본 발명에서 사용된 PMMA는 2∼10㎛의 입자 범위를 가진 PMMA가 바람직하다.Synthesis of the polymethylmethacrylate (PMMA) particles used in the present invention is one of the most useful methods of making monodispersed polymer particles, the dispersion polymerization method [Barthet, C., Armes]. , SP, Lascelles, SF, Luk, SY, Stanley, HM E, Langmuir, vol. 14, 2032 (1998). PMMA used in the present invention is preferably PMMA having a particle range of 2 ~ 10㎛.

본 발명에서 사용되는 PMMA 마이크로 구형입자는 바셋 등이 제안한 방법[참고: Barthet, C., Armes, S. P., Lascelles, S. F., Luk, S. Y., Stanley, H. M. E, Langmuir, vol. 14, 2032 (1998)]에 따라 폴리아닐린으로 코팅한다. 전도성 고분자로서 많은 주목을 받아온 폴리아닐린은 합성이 쉽고, 산화상태를 변화시켜 전기적 특성을 조절할 수 있는 장점을 가지고 있어 비수계 ER 유체로서 많은 연구가 되어왔다. 도3은 PMMA 입자(10㎛)의 주사 전자 현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM) 사진이다. 우선 이러한 PMMA 입자와 SDS (sodium dodecylsulfate)를 증류수에 넣어서 교반시키고, 아닐린을 PMMA 100 중량부당 각각 4∼200 중량부와 소량의 하이드로퀴논(hydroquinone) 용액에 넣는다. 그 혼합된 용액은 염산 수용액 하에서 pH를 0.7정도로 산성화시키고 그 용액하에서 (NH4)2S2 O8 (ammonium persulfate)를 개시제로 하여 25℃에서 24시간동안 교반하여 중합한다. 중합온도를 일정하게 유지해주기 위하여 미리 제작된 2리터 반응기와 회전기(circulator)를 사용한다(도 1 참조). 본 발명에서 생성된 폴리아민은 강한 산성용액에서 중합되었기 때문에 산에 의하여 도핑되어 있는 상태여서 전기전도도가 높다. 전기유변유체에 사용하기 위해서는 전기전도도를 낮추어 주어야만 하고, NaOH로 원하는 pH 7.5∼10.0로 중화시킨다. 탈도핑된 폴리아민-PMMA의 올리고머와 잔여 모노머를 제거하고 침전물을 여과한 후 1.2M HCl로 3 내지 5차례 세척한 후 여과시킨다. 이 침전된 생성물의 입자를 밀링시킨 후 시브(sieve)를 이용하여 입자 크기를 조절한다. 도 4는 이러한 실험방법에 대해서 알기 쉽게 간단히 순서도의 형태로 나타낸 그림이다. 여과된 폴리아민-PMMA 입자를 상온에서 진공 오븐에 넣어 수분이나 다른 용매가 모두 날아갈 때까지 건조시킨 후 완전 건조된 PAPMMA 입자를 얻는다. 모든 입자들의 중합에 대한 내용은 표 1에 제시되어 있다. 도 5는 PMMA 입자 위에 폴리아닐린을 코팅한 중합에 의해서 완전 건조된 PAPMMA 입자의 주사전자현미경 사진을 보여주고 있다. 도 5a는 PAPMMA30-20 입자의 주사전자현미경이며 도 5b는 PAPMMA100-20 입자의 주사전자현미경이다.PMMA micro spherical particles used in the present invention is proposed by Basset et al. [Reference: Barthet, C., Armes, SP, Lascelles, SF, Luk, SY, Stanley, HM E, Langmuir, vol. 14, 2032 (1998)]. Polyaniline, which has attracted much attention as a conductive polymer, has been studied as a non-aqueous ER fluid because it is easy to synthesize and has an advantage of controlling electrical properties by changing oxidation state. 3 is a Scanning Electron Microscopy (SEM) photograph of PMMA particles (10 μm). First, these PMMA particles and SDS (sodium dodecylsulfate) are added to distilled water and stirred, and aniline is added to 4 to 200 parts by weight and a small amount of hydroquinone (hydroquinone) solution per 100 parts by weight of PMMA. The mixed solution was acidified to pH about 0.7 in aqueous hydrochloric acid and polymerized by stirring at 25 ° C. for 24 hours with (NH 4 ) 2 S 2 O 8 (ammonium persulfate) as an initiator. In order to maintain a constant polymerization temperature, a prefabricated 2 liter reactor and a circulator are used (see FIG. 1). Since the polyamine produced in the present invention is polymerized in a strong acidic solution, the polyamine is doped with an acid and thus has high electrical conductivity. In order to be used in the rheological fluid, the electrical conductivity must be lowered and neutralized with NaOH to a desired pH of 7.5 to 10.0. The oligomers and residual monomers of the undoped polyamine-PMMA are removed and the precipitate is filtered, washed three to five times with 1.2 M HCl and filtered. The particles of this precipitated product are milled and then sieves are used to adjust the particle size. Figure 4 is a simple diagram showing in the form of a simple flow chart for this test method. The filtered polyamine-PMMA particles are placed in a vacuum oven at room temperature and dried until all of the moisture or other solvents are blown to obtain completely dried PAPMMA particles. The content of the polymerization of all particles is given in Table 1. FIG. 5 shows a scanning electron micrograph of PAPMMA particles completely dried by polymerization of polyaniline coated on PMMA particles. 5A is a scanning electron microscope of PAPMMA30-20 particles and FIG. 5B is a scanning electron microscope of PAPMMA100-20 particles.

본 발명의 전기유변유체는 도 5에서 보여지는 것과 같이 마이크로 크기의 입자를 제조한 후 비전도성 용매에 분산시켜 제조한다. 본 발명의 비전도성 용매로 사용될 수 있는 물질은 전기유변유체에 사용되는 다른 물질과 화학적 반응이 일어나지 않아야 하며, 통상의 작동 온도 범위내에서 적절한 안정성을 가지고, 전기장 무부하시에는 저점도를 갖는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명에는 실리콘 오일을 주로 사용하였으나 이외에도 트랜스포머 오일, 미네랄 오일, 올리브 오일, 콘 오일, 소이빈 오일 등이 사용될 수 있다.       The electrorheological fluid of the present invention is prepared by dispersing the micro-sized particles in a non-conductive solvent as shown in FIG. The material which can be used as the non-conductive solvent of the present invention should not have a chemical reaction with other materials used in the electrofluidic fluid, have an appropriate stability within a normal operating temperature range, and preferably have a low viscosity under no electric field. Do. Therefore, the present invention mainly used silicone oil, in addition to transformer oil, mineral oil, olive oil, corn oil, soybean oil may be used.

전동유체의 전기유변학적 특성결정은 고전위 발전기(high voltage generator)가 부착된 계기(Physica rheometer)를 사용하였다. 여기서 사용된 측정 지오메트리(geometry)는 Couette cell형이고 전기장은 DC로 컵과 밥의 양면에 가해진다. 전기장을 3~5분 정도로 시료에 충분히 가하여 사슬의 형성이 정상상태에 도달하도록 한다. 그 후 전기장 하에서 쉐어 비율(shear rate)을 조정하면서 정적 수율 스트레스(static yield stress)를 얻는다. 실험결과의 정확성을 기하기 위해 전동유체를 매번 재 분산시킨 후 위의 과정을 행한다.      Electrorheological characterization of the motor fluid was performed using a physica rheometer with a high voltage generator. The measurement geometry used here is of the Couette cell type and the electric field is DC, applied to both sides of the cup and bob. Apply enough electric field to the sample for 3-5 minutes to allow the formation of chains to reach a steady state. The static yield stress is then obtained while adjusting the shear rate under the electric field. To ensure the accuracy of the test results, redistribute the transmission fluid each time and then proceed with the above procedure.

도 6a는 PAPMMA200-20 입자를 실리콘오일에 10 vol%의 입자비로 분산시켜서 전기장의 변화에 따라 전단응력을 측정한 결과이다. 사슬모양의 입자구조가 쉐어 스트레스(shear stress)가 높은 곳에서도 잘 유지되며 전기장의 크기에 따라서 사슬구조가 와해되는 쉐어 스트레스가 변화하는 것을 알 수 있다. 하지만 PAPMMA 입자의 전기유변유체 역시 아주 큰 전단 속도에서는 뉴톤성 유체의 거동을 보여줌을 알 수 있다. 전기장을 가하지 않은 경우 뉴톤성 유체의 거동을 보이다가 전기장을 가하게 되면 일정 이상의 전단응력값에서 흐름의 거동을 보이는 것을 알 수 있다. 도 6b는 pH가 조절된 PAPMMA 계열 입자(표1 참고)를 실리콘 오일에 10 vol%의 입자비로 분산시켜 제조한 전기유변유체를 계열 변화에 따라 전단응력과 전단 점도를 측정한 결과이다. 도 7는 PAPMMA 계열 입자와 전기장에 대하여 전기 유변유체의 정적 항복 응력이 변화하는 결과이다. 전기유변유체는 외부 전기장 영향하에 있을 때 입자들이 전기장 방향으로 배열하기 때문에 높은 전단응력이 형성된다. 이러한 유체가 외력에 의하여 연속적인 변형이 일어나 흐르는 경우 입자 체인이 파괴되지만, 전기장이 유지되는 한 계속 다시 형성된다. 유속이 느릴수록 더 많은 입자가 체인을 형성하며, 특히 체인이 잘 발달되어 있는 정지 상태에서 초기 흐름을 유도하기 위해서는 더욱 높은 전단응력 즉 항복응력이 필요하기 때문에 유변학적 특성은 빙햄 유출(Bingham fluid)의 모델을 따른다고 볼 수 있다.      Figure 6a is a result of measuring the shear stress in accordance with the change of the electric field by dispersing PAPMMA200-20 particles in silicon oil at a particle ratio of 10 vol%. It can be seen that the chain-shaped particle structure is well maintained even at high shear stress, and the shear stress at which the chain structure is broken depends on the size of the electric field. However, the electrorheological fluids of PAPMMA particles also show the behavior of Newtonian fluids at very high shear rates. When the electric field is not applied, the behavior of the Newtonian fluid is shown, but when the electric field is applied, the flow behavior is shown at a predetermined shear stress value. Figure 6b is a result of measuring the shear stress and shear viscosity of the electro-fluidic fluid prepared by dispersing the pH-controlled PAPMMA series particles (see Table 1) in silicone oil at a particle ratio of 10 vol%. 7 is a result of changing the static yield stress of the electric rheological fluid for the PAPMMA series particles and the electric field. Electro-fluidic fluids produce high shear stresses because the particles align in the direction of the electric field under the influence of an external electric field. When such a fluid flows through a continuous deformation caused by an external force, the particle chain is broken, but continues to form again as long as the electric field is maintained. The slower the flow rate, the more particles form the chain, and the rheological properties of the Bingham fluid are particularly high because a higher shear stress, or yield stress, is required to induce the initial flow in a well-developed static state. It follows the model of.

본 발명에서는 전기유변유체의 정전기 상호작용(electrostatic interaction)과 분극화 성질의 메커니즘을 연구하기 위해서 임피던스 분석기를 사용하여 20Hz∼106Hz의 범위에서 전기유변유체의 유전체 스펙트럼을 측정했다. 도 8a, 도 8b 및 도 8c는 각각 전기적 주파수의 함수로써 유전율(permittivity) (ε')와 유전체 손실계수(loss factor) (ε") 그리고 다른 폴리아닐린 양을 가지는 ER 유체의 PAPMMA 계열에 대한 Cole-Cole 플롯을 나타내는 그림이다. 그것은 입자(polarizable-dispersed phase)와 오일(insulating medium)로 구성되어 있는 전기유변유체와 같은 분산체의 내부면 분극화(interfacial polarization of suspensions)에서 나오는 전형적인 결과라고 할 수 있다.In the present invention, in order to study the mechanism of electrostatic interaction and polarization property of the electrofluidic fluid, the dielectric spectrum of the electrofluidic fluid was measured in the range of 20 Hz to 10 6 Hz using an impedance analyzer. 8A, 8B and 8C show Cole- for the PAPMMA series of ER fluids having a permittivity (ε ') and dielectric loss factor (ε ") and other polyaniline amounts as a function of electrical frequency, respectively. This is a Cole plot, a typical result from the interfacial polarization of suspensions, such as an electrorheological fluid consisting of a polarizable-dispersed phase and an insulating medium. .

실시예 1 : PMMA 마이크로 구형입자의 제조Example 1 Preparation of PMMA Micro Spherical Particles

고순도의 메틸메타크릴레이트 (폴리사이언스) 모노머(2.5 g, 10wt%)과 라디칼 개시제(azobisisobutyronitrile, AIBN) (0.025g, 0.1wt%)를 상온에서 안정제인 폴리비닐피롤리돈(PVP) (1g, 4wt%)가 있는 메탄올(21.475g, 85.9wt%)에 용해시킨다. 상기 용액은 질소 퍼징(purging)으로 산소를 제거하고 55℃에서 48시간동안 열을 가한다. 그 모노분산된 입자를 메탄올에서 충분히 씻어내어 2∼10㎛의 입자 범위를 가진 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)입자를 제조하였다.Polyvinylpyrrolidone (PVP), a high-purity methylmethacrylate (polyscience) monomer (2.5 g, 10 wt%) and a radical initiator (azobisisobutyronitrile (AIBN) (0.025 g, 0.1 wt%), stabilizer at room temperature (1 g, 4 wt%) in methanol (21.475 g, 85.9 wt%). The solution is deoxygenated by nitrogen purging and heated at 55 ° C. for 48 hours. The monodispersed particles were sufficiently washed out in methanol to prepare polymethyl methacrylate (PMMA) particles having a particle range of 2-10 μm.

실시예 2 내지 6 : PMMA 표면에 폴리아닐린을 코팅시키는 방법Examples 2-6: Method of Coating Polyaniline on PMMA Surface

실시예 1에서 제조하여 건조된 10g의 PMMA 입자와 0.0095M의 SDS (sodium dodecylsulfate)를 증류수에 넣어서 교반시키고 아닐린을 PMMA 100g 당 각각 4, 20, 30, 100 및 200 g과 소량의 하이드로퀴논 용액(0.002M)에 넣는다. 그 혼합된 용액은 1.2 M 염산 수용액하에서 pH를 0.7정도로 산성화시키고 그 용액하에서 (NH4)2S2O8 (ammonium persulfate) (initial oxidant/monomer 의 몰비율을 1.25로 고정시킨다)를 개시제로 하여 25℃에서 24시간동안 교반하여 중합하였다. 중합온도를 일정하게 유지해주기 위하여 미리 제작된 2리터 반응기와 회전기(circulator)를 사용하였다(도 1 참조). 생성된 폴리아민은 강한 산성용액에서 중합되었기 때문에 산에 의하여 도핑되어 있는 상태여서 전기전도도가 높다. 전기유변유체에 사용하기 위해서는 전기전도도를 낮추어 주어야만 하고, 염기용액인 NaOH로 원하는 pH 7.5 내지 10.0으로 중화시킨다. pH와 전도도가 일정한 상관관계를 갖는 것이 아니기 때문에 전도도를 10-9~10-10 S/cm로 맞출 수 있는 pH 범위를 잡기 위하여 계속적으로 교반하면서 NaOH를 마이크로 피펫으로 첨가한다. 탈도핑된 폴리아닐린-PMMA의 올리고머와 잔여 모노머를 3차 증류수로 씻어주면서 제거하고 감압장치를 이용하여 침전물을 여과한 후 1.2M HCl 3L로 3 내지 5차례 세척한 후 여과시킨다. 이 침전된 생성물의 입자를 밀링시킨 후 38㎛ 시브(sieve)를 이용하여 입자 크기를 조절하였다. 이러한 입자들을 상온에서 진공 오븐에 넣어 수분이나 다른 용매가 모두 날아갈 때까지 건조시킨 후 완전 건조된 PAPMMA입자를 얻는다(표 1 참조). 폴리아닐린 중합은 상대적으로 공기중에 안정하며 생성물의 분리도 용이하고 특히 수율이 높아서 적어도 60∼70%에 이른다. 아닐린 화합물은 대량생산을 목적으로 모노머의 양을 증가시킨 결과 수율이 크게 떨어지지 않으며 입자의 성질에도 큰 차이가 없다.10 g of PMMA particles prepared in Example 1 and 0.0095 M of sodium dodecylsulfate (SDS) were added to distilled water and stirred, and aniline was added to 4, 20, 30, 100 and 200 g and 100 g of hydroquinone solution per 100 g of PMMA. 0.002M). The mixed solution was acidified to a pH of about 0.7 in an aqueous 1.2 M hydrochloric acid solution and (NH 4 ) 2 S 2 O 8 (ammonium persulfate) (fixed molar ratio of initial oxidant / monomer to 1.25) was used as an initiator. The polymerization was carried out by stirring at 25 ° C. for 24 hours. In order to maintain a constant polymerization temperature, a prefabricated 2 liter reactor and a circulator were used (see FIG. 1). The resulting polyamines are polymerized in a strong acidic solution and therefore doped with acid, so they have high electrical conductivity. In order to use the electro-fluidic fluid, the electrical conductivity must be lowered and neutralized to a desired pH of 7.5 to 10.0 with NaOH as a basic solution. Since pH and conductivity do not have a constant correlation, NaOH is added to the micropipette with constant stirring to establish a pH range in which the conductivity can be adjusted from 10 -9 to 10 -10 S / cm. The oligomer and residual monomers of the undoped polyaniline-PMMA were removed by washing with distilled water, and the precipitate was filtered using a depressurizer and washed three to five times with 1.2M HCl 3L and then filtered. The particles of this precipitated product were milled and then the particle size was adjusted using a 38 μm sieve. These particles are placed in a vacuum oven at room temperature and dried until all of the moisture or other solvents are blown to obtain completely dried PAPMMA particles (see Table 1). Polyaniline polymerisation is relatively stable in air, facilitates separation of the product and in particular at high yields of at least 60-70%. The aniline compound does not significantly reduce the yield as a result of increasing the amount of monomer for mass production purposes, and there is no significant difference in the properties of the particles.

실시예 7 내지 9 : PAPMMA 마이크로 입자형 전기유변유체의 제조Examples 7 to 9: Preparation of PAPMMA Micro Particle Electrorheological Fluid

점도가 50cS인 실리콘 오일을 진공 오븐에 장시간 두어 수분을 제거시키고 완전히 수분을 제거한 실리콘오일에 상기 실시예 2 내지 6에서 제조하여 건조된 PAPMMA 마이크로 입자 10, 20 및 30 vol%를 첨가하여 기계적 교반으로 2시간 정도 균일하게 분산시켜 PAPMMA 마이크로 입자형 전기유변유체를 제조하였다. Silicone oil having a viscosity of 50 cS was placed in a vacuum oven for a long time to remove moisture, and 10, 20 and 30 vol% of PAPMMA micro particles prepared and dried in the above Examples 2 to 6 were completely added to the silicone oil to be completely dehydrated. It was uniformly dispersed for about 2 hours to prepare a PAPMMA micro particle electrorheological fluid.

전기유변유체의 전기유변학적 특성에 대한 결정은 고전압 발전기가 부착된 피지카 레오메타를 사용하였다. 여기서 사용된 측정 지오메트리는 코테 셀(Couette cell) 형이고 전기장은 DC로 컵(cup)과 밥(bob)의 양면에 가하여진다. 전기장을 3∼5분 정도로 시료에 충분히 가하여 사슬의 형성이 정상상태에 도달하도록 한다. 그 후 전기장하에서 쉐어 비율을 조절하면서 유출커브를 얻고, 쉐어 스트레스를 조절하면서 정적 수율 스트레스를 얻는다. 실험결과의 정확성을 기하기 위해 전기유변유체를 매번 재분산시킨 후 위의 과정을 행한다. 실험은 모두 상온에서 진행했으며 물성에 영향을 끼칠 수 있는 전기장, 부피분율, 전도도 그리고 중합온도에 따른 전기 유변학적 물성을 측정하였다.Determination of the electrorheological properties of the rheological fluid was made using a Fijika rheometer with a high voltage generator. The measurement geometry used here is of Coutte cell type and the electric field is applied to both sides of the cup and bob in DC. The electric field is applied to the sample sufficiently for 3 to 5 minutes to allow the formation of the chain to reach a steady state. After that, the discharge curve is obtained by adjusting the share ratio under the electric field, and the static yield stress is obtained by adjusting the share stress. To ensure the accuracy of the test results, redistribute the electrofluidic fluid each time and then proceed with the above procedure. All experiments were conducted at room temperature, and the electrical rheological properties of the electric field, the volume fraction, the conductivity, and the polymerization temperature were evaluated.

합성되어진 생성물은 KBr 펠렛을 사용하여 스펙트럼 분석법(적외선 분광분석) (Fourier transform infrared: FT-IR)으로 물질의 조성을 확인할 수 있다. 도 9에서 1740cm-1 의 피크는 PMMA의 C=O 피크를 나타내며 1600cm-1는 폴리아닐린의 아민 스트레칭(amine streching)으로 인한 피크이다. 아민 스트레칭 피크에 대한 PMMA의 C=O 피크의 비율은 폴리아닐린의 적재(loading) 양이 증가함에 따라 감소한다. 도 10은 PMMA 및 PAPMMA 계열과 PA의 열분석(Thermogravimetric analysis: TGA) 결과를 보여준다. TGA는 일정한 속도로 온도를 변화시켰을 때 일정 시간 동안에 일어난 시료 무게의 변화를 측정하는 것이다. TGA에 의한 질량-온도 곡선은 사용한 시료의 열안정성 및 물질의 구성비를 나타내고 가열중에 생긴 중간체의 열적 구성비도 알려주며 가열이 끝났을 때 찌꺼기의 구성비도 알 수 있게 한다. 도 10에서는 400℃에서 PMMA는 거의 열분해가 일어나지만 폴리아닐린의 경우에는 약 5%정도의 무게 감소를 보여주고 있다. PAPMMA 계열의 코팅두께는 모든 계열의 입자들이 같은 두께로 완전히 코팅되어졌다는 가정하에 TGA 데이타의 2차 플레토우(secondary plateau) 영역으로부터 계산할 수 있다.(도 11 참고)The synthesized product can be identified by composition analysis using Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy using KBr pellets. Peak of 1740cm -1 in Fig. 9 represents a C = O peak in the PMMA 1600cm -1 is the peak caused by stretching the amine (amine streching) of polyaniline. The ratio of C = O peaks of PMMA to amine stretching peaks decreases as the amount of polyaniline loading increases. 10 shows the results of thermal analysis (TGA) of PMMA and PAPMMA series and PA. TGA is a measure of the change in weight of a sample over a period of time when the temperature is changed at a constant rate. The mass-temperature curve by TGA indicates the thermal stability and the composition of the material in the sample used, the thermal composition of the intermediates generated during heating, and the composition of the residue at the end of heating. In FIG. 10, PMMA almost thermally decomposes at 400 ° C., but polyaniline shows about 5% weight loss. The coating thickness of the PAPMMA series can be calculated from the secondary plateau region of the TGA data, assuming that all particles of the series have been completely coated with the same thickness (see Figure 11).

샘플Sample PMMA 100g 당 적재된 아닐린의 양The amount of aniline loaded per 100 g of PMMA 전도도 (S/cm)Conductivity (S / cm) PMMA 입자크기PMMA Particle Size PAPMMA4-20PAPMMA4-20 4g4 g 3.22 ×10-10 3.22 × 10 -10 ~2㎛~ 2㎛ PAPMMA20-20PAPMMA20-20 20g20 g 8.02 ×10-9 8.02 × 10 -9 ∼2㎛~ 2㎛ PAPMMA30-20PAPMMA30-20 30g30 g 8.59 ×10-9 8.59 × 10 -9 ∼2㎛~ 2㎛ PAPMMA100-20PAPMMA100-20 100g100 g 9.65 ×10-10 9.65 × 10 -10 ∼2㎛~ 2㎛ PAPMMA200-20PAPMMA200-20 200g200 g 1.53 ×10-9 1.53 × 10 -9 ∼2㎛~ 2㎛ PAPMMA20-45PAPMMA20-45 20g20 g 2.54 ×10-9 2.54 × 10 -9 ∼4.5㎛˜4.5 μm PAPMMA20-90PAPMMA20-90 20g20 g 5.14 ×10-9 5.14 × 10 -9 ∼9㎛~ 9㎛ PAPMMA20-pdPAPMMA20-pd 20g20 g 2.24 ×10-9 2.24 × 10 -9 ∼polydisperse~ polydisperse PAPMMA20-prPAPMMA20-pr 20g20 g 2.24 ×10-9 2.24 × 10 -9 ∼10㎛ (porous)~ 10㎛ (porous)

전기유변유체는 전기장 하에서 급격한 점도의 증가로 인해 고체화 현상을 나타내는 특성을 가진 유체로서 일반적으로 절연오일과 분극성 입자의 분산 상태로 존재한다. 전도성 고분자로 잘 알려져 있는 폴리아민은 우수한 전기적 성질로 인하여 많은 연구가 되어왔다. 그러나 중합된 폴리아민은 매우 불규칙한 입자모양을 보이며 이 때문에 이론적으로 제안된 여러 가지 모델과 비교해 다소 큰 차이를 보였다. 본 발명에서는 이런 불규칙한 입자형태를 가진 폴리아민의 모양을 제어하기 위해 코아 물질로 완전 구 형태의 PMMA를 제조함으로써 전기유변학적 특성이 어떻게 변화할 것인가에 대해 알아보았다. 그 결과 전반적으로 폴리아닐린에 비해 성능의 향상은 없었지만 이론적으로 제시된 식의 일치도는 증가했다. 앞으로 코아 물질인 PMMA의 입자 크기를 다각도로 변화시키면서 PAPMMA 입자의 코팅 두께를 변화시키면서 분극화가 최대로 일어날 수 있게 한다면 큰 성능의 향상이 있을 것으로 보인다. 본 발명은 상기와 같은 특성을 바탕으로 현가장치, 제진대, 엔진 마운트 등의 제어가 가능한 가변감쇠기구나 브레이크, 클러치 등의 동력장치에 응용이 가능하며, 자동차 및 항공산업 등을 비롯한 많은 분야에서 적용이 가능한 매우 유용한 발명이다.An electrorheological fluid is a fluid with a characteristic of solidifying due to a rapid increase in viscosity under an electric field, and is generally present in a dispersed state of insulating oil and polarizable particles. Polyamines, well known as conductive polymers, have been studied for their excellent electrical properties. The polymerized polyamines, however, exhibit very irregular particle shapes, which makes them somewhat different compared to the theoretically proposed models. In the present invention, how to change the electrorheological properties by producing a fully spherical PMMA from the core material to control the shape of the polyamine having such irregular particle shape. As a result, there was no overall improvement in performance compared to polyaniline, but the agreement between the theoretical formulas was increased. In the future, if the particle size of PMMA, a core material, is changed at various angles, and the coating thickness of PAPMMA particles can be changed to maximize the polarization, there will be a big improvement in performance. The present invention is applicable to a variable damping mechanism that can control a suspension device, a vibration damper, an engine mount, and a power device such as a brake and a clutch based on the above characteristics, and is applicable to many fields including the automobile and aviation industries. This is a very useful invention possible.

도 1은 PAPMMA 입자의 합성을 위한 실험반응기구의 사진이다.1 is a photograph of an experimental reactor for the synthesis of PAPMMA particles.

도 2는 폴리아닐린으로 코팅된 폴리메틸메타아크릴레이트입자의 합성공정을 나타낸 것이다. Figure 2 shows the synthesis process of polymethyl methacrylate particles coated with polyaniline.

도 3은 PMMA입자(10㎛)의 주사전자현미경 사진이다.3 is a scanning electron micrograph of PMMA particles (10 μm).

도 4는 본 발명의 전기유변유체를 제조하는 방법을 도시한 순서도이다.Figure 4 is a flow chart illustrating a method for producing an electrorheological fluid of the present invention.

도 5는 PAPMMA 계열 입자 중 PAPMMA30-20 과 PAPMMA100-20입자의 주사전자현미경 사진이다.5 is a scanning electron micrograph of the PAPMMA30-20 and PAPMMA100-20 particles of the PAPMMA series particles.

도 6는 PAPMMA 계열 입자를 이용한 전기 유변유체의 전기장에 따른 전단응력 및 전단점도의 실험결과이다. 6 is an experimental result of the shear stress and shear viscosity according to the electric field of the electric rheological fluid using PAPMMA series particles.

도 7은 PAPMMA 계열 입자를 이용한 전기변유체의 입자 부피비와 전기장에 따른 정적 항복응력의 실험결과이다.7 is an experimental result of the static yield stress according to the particle volume ratio and the electric field of the electric fluid using PAPMMA-based particles.

도 8은 PAPMMA 계열 입자의 유전율 스펙트럼에 대한 실험결과이다.8 is an experimental result of the dielectric constant spectrum of PAPMMA series particles.

도 9는 PAPMMA 계열에 대한 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.9 shows the FT-IR spectrum for the PAPMMA series.

도 10은 PAPMMA 계열에 대한 TGA 다이아그램을 나타낸 것이다.10 shows a TGA diagram for the PAPMMA series.

도 11은 TGA 데이터로부터 코팅 두께의 계산을 나타낸 것이다. 11 shows the calculation of coating thickness from TGA data.

Claims (2)

삭제delete PMMA 모노머 10 중량% 및 아조비스이소부티로나이트릴 0.1 중량%를 상온에서 폴리비닐피롤리돈 4 중량%가 녹아있는 메탄올 85.9 중량%에 용해시킨 용액을 질소 퍼징으로 산소를 제거하고 55℃에서 48시간 동안 가열한 후 모노분산된 입자를 메탄올에서 씻어내어 2∼10㎛의 PMMA 입자를 제조하는 단계;A solution in which 10% by weight of PMMA monomer and 0.1% by weight of azobisisobutyronitrile was dissolved in 85.9% by weight of methanol in which 4% by weight of polyvinylpyrrolidone was dissolved was deoxygenated by nitrogen purging, followed by 48 at 55 ° C. Heating for a period of time and then rinsing the monodispersed particles in methanol to prepare 2-10 μm PMMA particles; 상기 PMMA 입자 10g 및 소듐도데실설페이트 0.0095M을 증류수에 넣어서 교반시킨 후 아닐린을 PMMA 100 중량부 당 4∼200 중량부와 하이드로퀴논 용액 0.002M을 첨가하여 상기 혼합용액을 pH 0.7로 산성화시키고 (NH4)2S2O8을 개시제로 하여 25℃에서 24시간 동안 교반하면서 중합하여 PMMA 표면에 폴리아닐린을 코팅시켜 PAPMMA 입자를 제조하는 단계; 및10 g of the PMMA particles and 0.0095 M of sodium dodecyl sulfate were added to distilled water, followed by stirring. Then, 4 to 200 parts by weight of aniline was added per 100 parts by weight of PMMA and 0.002 M of hydroquinone solution to acidify the mixed solution to pH 0.7 (NH 4 ) preparing PAPMMA particles by coating polyaniline on the surface of PMMA by polymerizing with 2 S 2 O 8 as an initiator while stirring at 25 ° C. for 24 hours; And 상기 PAPMMA 입자를 탈도핑시킨 후 탈도핑된 PAPMMA 입자 10∼30 부피%를 실리콘 오일, 트랜스포머 오일, 미네랄 오일, 올리브 오일, 콘 오일 및 소이빈 오일로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 비전도성 용매에 분산시키는 단계를 특징으로 하는 PAPMMA 마이크로 입자형 전기유변유체의 제조방법.After dedoping the PAPMMA particles, 10-30% by volume of the undoped PAPMMA particles are dispersed in at least one non-conductive solvent selected from the group consisting of silicone oil, transformer oil, mineral oil, olive oil, corn oil and soybean oil. PAPMMA micro-particulate electrofluidic fluid, characterized in that the step of making.
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