KR20040012012A - An electro-rheological fluid comprising polyaniline particles and preparation method thereof - Google Patents

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서문석
신민재
최교준
한인식
정순규
최형진
김지우
이진현
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국방과학연구소
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Abstract

PURPOSE: Provided is electrorheological (ER) fluids which have effective ER effect over a broad range of temperature, showing stable Bingham behavior per changes in temperature and electric field, by having semiconducting polyaniline particles dispersed in a non-conductive medium such as silicone oil. CONSTITUTION: The electrorheological fluids wherein 10-20 % by volume of polyaniline particles at pH 7.5-10.0 are dispersed in a non-conductive medium, are prepared by a method comprising: (1) carrying out polymerization of aniline in 1M aqueous hydrochloride solution at -10 to 5 deg.C to provide polyaniline particles; (2) milling the polyaniline obtained from the step (1), and selecting particles of 1-10 micrometer by sieving; (3) adjusting the pH of the resulted particles to 7.5-10.0 with aqueous sodium hydroxide solution; and (4) dispersing the obtained particles into a non-conductive solvent selected from a group consisting of silicone oil, transformer oil, transformer insulating solution, mineral oil, olive oil, and mixtures thereof.

Description

폴리아닐린 입자를 포함하는 전기변성유체 및 그 제조방법{AN ELECTRO-RHEOLOGICAL FLUID COMPRISING POLYANILINE PARTICLES AND PREPARATION METHOD THEREOF}Electro-modified fluid containing polyaniline particles and a method of manufacturing the same {AN ELECTRO-RHEOLOGICAL FLUID COMPRISING POLYANILINE PARTICLES AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 폴리아닐린 입자를 포함하는 전기변성유체에 관한 것이다.The present invention relates to an electromodified fluid comprising polyaniline particles.

"전기변성유체"라 함은 가해지는 전기장에 따라 그 기계적 특성 및 물리적 특성이 변하는 유체를 총칭하는 것으로서, 일반적으로는 전기적으로 분극이 가능한 입자를 전기적으로 절연성인 용매 중에 분산시킨 용액이다. 특히, 전기변성유체는 부하되는 전기장에 의하여 점도가 증가하고, 항복응력을 보이는 빙햄 거동(Bingham behavior)을 보이며, 그 반응이 매우 빠르고, 전기장의 부하에 대하여 가역적인 반응을 나타낸다. 이와 같은 현상을 "전기변성효과(ER 효과)"라 한다.The term "electromodified fluid" is a generic term for fluids whose mechanical and physical properties change depending on the applied electric field. Generally, a solution in which electrically polarizable particles are dispersed in an electrically insulating solvent. In particular, the electrodenatured fluid increases the viscosity due to the electric field being loaded, exhibits a Bingham behavior showing yield stress, and the reaction is very fast and reversible to the electric field load. This phenomenon is referred to as the "electrodegeneration effect (ER effect)".

19세기말에 최초로 개발된 전기변성유체는 액체만으로 구성되었으나, 이러한 전기변성유체는 만족할 만한 효과를 제공하지는 못하였다(Duff, A. W., Physical Review, Vol. 4, No. 1, 23(1986)). Winslow에 의해 최초로 제안된 고체 분산 시스템은 종전에 비하여 상당한 진보를 가져다주었으며(Winslow, W. H., J. of Applied Physics, Vol. 20, 1137(1949)), 그 이후 전도성 입자 및 비전도성 용매를 함유하는 시스템에 대한 연구가 계속되고 있다.The first electromodified fluid developed at the end of the 19th century consisted of liquid only, but it did not provide a satisfactory effect (Duff, A. W., Physical Review, Vol. 4, No. 1, 23 (1986)). The solid dispersion system first proposed by Winslow has made significant progress over the past (Winslow, WH, J. of Applied Physics, Vol. 20, 1137 (1949)), and subsequently contains conductive particles and nonconductive solvents. Research on the system continues.

대부분의 전기변성유체는 옥수수 전분 또는 활성 실리카겔 입자들이 미네랄 오일에 분산된 형태, 제올라이트 입자가 실리콘 오일에 분산된 형태 등으로서, 이들은 모두 수계성 유체였다. 즉, 입자 표면이 친수성 성질을 띠고 있으며, 유체 중에 흡수된 수분이 ER 효과에 매우 중요한 역할을 한다. 그러나, 이러한 전기변성유체를 고온이나 높은 전단률(shear rate)을 요하는 시스템에 적용할 경우 입자에서 수분이 분리되어 그 일부가 수증기가 되기 때문에 ER 효과가 떨어질 뿐 아니라, 쇼트의 위험성까지 야기한다. 따라서, 근본적으로 수분을 필요로 하지 않는 비수계 전기변성유체의 개발이 시급한 형편이다.Most of the electromodified fluids were corn starch or activated silica gel particles dispersed in mineral oil, zeolite particles dispersed in silicone oil, etc., all of which were aqueous fluids. That is, the particle surface is hydrophilic, and the moisture absorbed in the fluid plays a very important role in the ER effect. However, when applied to a system requiring a high temperature or high shear rate, the electromodified fluid not only degrades the ER effect but also causes the risk of short circuit due to water vapor being separated from the particles. . Therefore, it is urgent to develop a non-aqueous electro-modified fluid that does not need moisture fundamentally.

이러한 문제점을 해결하는 방법으로는 수분을 입자의 내부에만 존재하게 하는 입자 - 예를 들면 제올라이트와 같은 - 를 제조하는 방법, 또는 입자 내 전자 이동에 의한 유발 쌍극자 모멘트(induced dipole moment)에 기인하여 편광(polarization) 현상이 나타나는 비수계 전기변성유체를 개발하는 방법 등이 제안되었다.One way to solve this problem is to produce a particle (such as a zeolite) that causes moisture to exist only inside the particle, or to polarize due to an induced dipole moment due to electron transfer in the particle. A method of developing a non-aqueous electromodified fluid exhibiting polarization phenomenon has been proposed.

따라서, 본 발명의 목적은 수분을 필요로 하지 않는 비수계 전기변성유체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a non-aqueous electromodified fluid which does not require moisture and a method for producing the same.

도 1은 폴리아닐린 입자를 합성하기 위한 반응기구의 모식도이다.1 is a schematic diagram of a reactor for synthesizing polyaniline particles.

도 2는 본 발명의 전기변성유체를 제조하는 방법을 도시한 순서도이다.2 is a flow chart illustrating a method of producing an electromodified fluid of the present invention.

도 3은 폴리아닐린 입자 크기의 분포도이다.3 is a distribution of polyaniline particle sizes.

도 4a와 4b는 본 발명의 전기변성유체가 전기장 부하 시에 ER 효과를 나타내는 것을 보여주는 미시적 현미경 사진이다.4A and 4B are microscopic micrographs showing that the electromodified fluid of the present invention exhibits an ER effect under electric field load.

도 5a와 5b는 pH 9로 조절된 폴리아닐린 입자를 실리콘 오일에 20부피%로 분산시킨 전기변성유체의 전기장의 변화에 따른 전단응력 및 전단 점도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.5a and 5b show the results of measuring the shear stress and shear viscosity according to the change in the electric field of the electromodified fluid in which the polyaniline particles adjusted to pH 9 in 20% by volume in silicone oil.

도 6은 유체에 함유된 폴리아닐린 입자의 부피비에 따른 전기변성유체의 전단응력을 나타낸 것이다.(E = 3.0kV/mm, pH 9.0)Figure 6 shows the shear stress of the electromodified fluid in accordance with the volume ratio of the polyaniline particles contained in the fluid (E = 3.0kV / mm, pH 9.0).

도 7은 각각 다른 중합 온도에서 합성된 폴리아닐린 입자를 포함하는 전기변성유체 중의 폴리아닐린 입자의 부피비에 따른 전단응력을 나타낸 것이다.(E = 3.0kV/mm, 부피비 20%, pH 9.0)Figure 7 shows the shear stress according to the volume ratio of the polyaniline particles in the electro-modified fluid containing polyaniline particles synthesized at different polymerization temperatures (E = 3.0kV / mm, volume ratio 20%, pH 9.0).

도 8a와 8b는 각각 유체에 함유된 폴리아닐린 입자의 부피비와 전기장에 따른 전기변성유체의 정적 항복응력을 나타낸 것이다.(pH 9.0)8A and 8B show the static yield stress of the electromodified fluid according to the volume ratio and the electric field of the polyaniline particles contained in the fluid, respectively (pH 9.0).

도 9는 pH가 각각 다른 폴리아닐린 입자의 부피비가 10%인 전기변성유체의 전단응력 값을 나타낸 것이다.(3kV/mm)9 shows shear stress values of electromodified fluids having a volume ratio of 10% of polyaniline particles having different pHs (3kV / mm).

도 10은 pH가 각각 다른 폴리아닐린 입자를 포함하는 전기변성유체의 전기장에 대한 항복응력 값을 나타낸 것이다.(부피비 10%)Figure 10 shows the yield stress value for the electric field of the electro-modified fluid containing polyaniline particles having different pH (volume ratio 10%).

도 11은 폴리아닐린 입자를 포함하는 전기변성유체의, 외부 온도 변화에 따른 전류밀도의 변화 및 항복응력 값의 변화를 나타낸 것이다.(부피비 10%, pH 8.5)FIG. 11 shows changes in current density and yield stress values according to external temperature change of an electromodified fluid including polyaniline particles (volume ratio 10%, pH 8.5).

상기의 본 발명의 목적은 반전도성(semiconducting) 폴리아닐린 입자가 전기적으로 절연성을 나타내는 매질, 즉 비전도성 용매에 분산된 형태의 전기변성유체를 제공하는 것에 의하여 달성된다.The object of the present invention is achieved by providing an electromodified fluid in a form in which semiconducting polyaniline particles are dispersed in an electrically insulating medium, i.e., a nonconductive solvent.

전도성 고분자로서 많은 주목을 받아온 폴리아닐린은 합성이 쉽고, 산화 상태를 변화시키는 것을 통하여 전기적 특성을 조절할 수 있는 장점을 가지고 있어 비수계 ER 유체로서 많은 연구가 되어 왔다.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 through changing oxidation states.

본 발명에 따른 반전도성 폴리아닐린 입자는 다음과 같은 방법으로 제조된다.Semiconducting polyaniline particles according to the present invention are prepared by the following method.

아닐린 모노머를 1M 염산 수용액 내에서, 수용액의 온도를 낮게, 즉 -10 내지 5℃ 범위로 유지하면서, (NH4)2S2O8을 개시제로 사용하여, 2 시간 동안 교반하여 중합시킨 다음, 중합 반응을 완결시키기 위하여 전체 용액을 상기와 같은 온도 범위로 유지하면서 약 2 시간 동안 더 교반할 수 있다. 중합 중의 온도는 -10 내지 5℃ 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 전체 중합에 필요한 시간은 주로 4 - 5 시간이 바람직하지만, 중합이 완전하게 이루어지도록 하기 위하여 필요한 경우 24 시간 정도 교반시킬 수도 있다.The aniline monomer was polymerized in 1M aqueous hydrochloric acid solution by stirring for 2 hours using (NH 4 ) 2 S 2 O 8 as an initiator while keeping the temperature of the aqueous solution low, that is, in the range of -10 to 5 ° C. In order to complete the polymerization reaction, the whole solution may be further stirred for about 2 hours while maintaining the above temperature range. It is preferable to adjust the temperature during superposition | polymerization to -10-5 degreeC. The time required for the total polymerization is preferably 4-5 hours, but may be stirred for about 24 hours if necessary in order to complete the polymerization.

중합 온도를 일정하게 유지하기 위하여 미리 제작된 2 리터 반응기를 사용하는 것이 바람직하며, 개시제의 양과 주입 속도를 일정하게 하기 위하여 연동 펌프를 사용하는 것이 좋다(도 1 참조). 중합이 완료되면 침전물을 여과하여, 증류수로 2 - 3회 세척한다. 침전된 생성물 입자를 밀링(milling)한 다음, 체를 사용하여입자 크기를 고른다. 본 발명에 따른 전기변성유체에 사용하기에 적합한 폴리아닐린 입자의 크기는 1㎛ 이상 50㎛ 미만인 것이 바람직하다.It is preferred to use a prefabricated 2 liter reactor to keep the polymerization temperature constant, and to use a peristaltic pump to keep the amount of initiator and feed rate constant (see FIG. 1). After the polymerization is completed, the precipitate is filtered and washed 2-3 times with distilled water. The precipitated product particles are milled and then the sieve is used to select the particle size. The size of the polyaniline particles suitable for use in the electromodified fluid according to the present invention is preferably 1 µm or more and less than 50 µm.

생성된 폴리아닐린은 강한 산성 용액에서 중합되었기 때문에 산에 의하여 도핑(doping)되어 있는 상태이고, 결과적으로 전기 전도도가 높다. 따라서, 전기변성유체에 사용하기 위해서는 전기 전도도를 낮추어 주어야 한다. 즉, 폴리아닐린 입자를 포함하는 유체가 전기변성 효과를 나타내기 위해서는 폴리아닐린 입자의 전도도가 10-12- 10-9S/cm 범위 내에 존재하여야 하며, 폴리아닐린 입자의 전도도는 입자의 pH에 따라 조절되므로, 입자의 pH를 조절하여 입자의 전도도를 조절하는 과정을 거치는 것이 바람직하다(도 2 참조). 따라서, 산성 용액 중에서 중합된 폴리아닐린 입자의 pH를 1M 수산화나트륨 수용액을 사용하여, pH가 7.5 - 10.0이 되도록 조절한다. 이 경우, 입자의 전도도가 10-12- 10-9S/cm 범위가 되어 반전도성을 띠게 된다.The resulting polyaniline is doped with acid because it is polymerized in a strong acidic solution, and consequently has high electrical conductivity. Therefore, it is necessary to lower the electrical conductivity in order to use the electro-denatured fluid. That is, to find the fluid is shown an electrical effect including a modified polyaniline particles of polyaniline particles conductivity 10-12 - should be present in the 10 -9 S / cm range, particles of polyaniline conductivity is so adjusted to the pH of the particles, It is preferable to go through the process of controlling the conductivity of the particles by adjusting the pH of the particles (see Figure 2). Thus, the pH of the polyaniline particles polymerized in the acidic solution is adjusted to a pH of 7.5-10.0 using 1M aqueous sodium hydroxide solution. In this case, the conductivity of the particles 10 -12 - is a 10 -9 S / cm range is markedly reversed the conductivity.

그 다음으로는, 생성물 중에서 폴리아닐린의 올리고머 및 반응하지 않은 모노머를 증류수로 세척하여 제거한 다음, 이어서 에탄올과 시클로헥산으로 3 - 5 차례 세척하고, 여과한다. 이와 같은 과정은 폴리아닐린 입자를 분산 오일에 분산시킬 때 합성 고분자 입자가 소수성(hydrophobic)을 갖게 함으로써, 젖음성(wetting)을 향상시키려는 것이다. 여과된 폴리아닐린 입자를 상온의 진공 오븐에서 건조한다. 이와 같은 방법으로 얻어진 폴리아닐린 입자의 분자량은 중량평균 분자량(Mw)으로 약 20,000 정도이다.Next, the oligomers and unreacted monomers of polyaniline in the product are removed by washing with distilled water, followed by 3-5 washes with ethanol and cyclohexane and filtered. This process is intended to improve the wetting by making the synthetic polymer particles hydrophobic when the polyaniline particles are dispersed in the dispersion oil. The filtered polyaniline particles are dried in a vacuum oven at room temperature. The molecular weight of the polyaniline particles obtained by such a method is about 20,000 in weight average molecular weight (Mw).

폴리아닐린을 제조하는 중합 반응은 상대적으로 공기 중에서 안정하며, 생성물의 분리 또한 용이하고, 특히, 수율이 적어도 60 - 80%에 이를 정도로 높다. 폴리아닐린 화합물을 대량으로 생산할 목적으로 모노머의 양을 증가시켜도 수율이 크게 떨어지지 않으며, 입자의 성질에도 큰 차이가 없다.The polymerization reaction to prepare the polyaniline is relatively stable in air, the product is also easy to separate, and in particular the yield is at least as high as 60-80%. Even if the amount of the monomer is increased for the purpose of mass production of the polyaniline compound, the yield does not drop significantly, and there is no significant difference in the properties of the particles.

본 발명의 전기변성유체는, 앞에서 설명한 것과 같은 방법으로, 도 3에 나타낸 것과 같은 마이크로 크기의 폴리아닐린 입자를 제조한 다음, 이를 비전도성 용매에 분산시키는 방법으로 제조된다. 도 3은 폴리아닐린 입자를 에탄올에 5분 동안 분산시킨 상태에서 입자의 크기 분포를 측정한 것이다.The electromodified fluid of the present invention is prepared by the same method as described above, by preparing a micro sized polyaniline particles as shown in Figure 3, and then dispersing them in a non-conductive solvent. Figure 3 measures the size distribution of the particles in a state where the polyaniline particles are dispersed in ethanol for 5 minutes.

본 발명에 따른 전기변성유체 중에는 폴리아닐린 입자가 비전도성 용매에 대하여 5 - 20부피%로 분산되어 있다. 유체 중의 폴리아닐린 입자의 부피비가 20부피% 이상이 되는 경우 유체로서의 특성을 잃어버리므로 바람직하지 않다.In the electromodified fluid according to the present invention, polyaniline particles are dispersed at 5-20% by volume with respect to the nonconductive solvent. If the volume ratio of the polyaniline particles in the fluid is 20% by volume or more, the properties as the fluid are lost, which is not preferable.

본 발명에서 사용되는 비전도성 용매는 전기변성유체에 포함되는 다른 물질과 화학적으로 반응하지 않아야 하며, 통상의 작동 온도 범위 내에서 적절한 안정성을 가져야 하고, 전기장이 부하되지 않았을 때에는 낮은 점도를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 이와 같은 조건에 맞는다면, 어떤 용매라도 사용 가능하다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 실리콘 오일을 주로 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그 이외에 변압기 오일(transformer oil), 변압기 인슐레이팅 용액(transformer insulating solution), 미네랄 오일, 올리브 오일, 옥수수 오일, 대두 오일(soybean oil) 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.The non-conductive solvent used in the present invention should not react chemically with other materials included in the electromodified fluid, should have adequate stability within the normal operating temperature range, and have a low viscosity when the electric field is not loaded. Do. Therefore, any solvent may be used as long as such conditions are met. That is, the embodiment of the present invention mainly used a silicone oil, but is not limited thereto, in addition to transformer oil, transformer insulating solution (transformer insulating solution), mineral oil, olive oil, corn oil, soybean Soybean oil or a mixture thereof may be used.

도 4a와 4b의 미시적 현미경 사진은 본 발명의 전기변성유체가 전기장 부하시에 실제로 ER 효과를 나타낸다는 것을 보여준다. 전기장이 부하되지 않았을 때에는 비전도성 용매 중에 반전도성 폴리아닐린 입자가 분산된 상태로 뉴토니안 유체의 특성을 나타내지만(도 4a), 전기장 부하 시에는 두 전극에 수직한 전기장 방향으로 반전도성 폴리아닐린 입자가 체인 구조를 형성하여 항복응력을 보이는 빙햄 거동(Bingham behavior)의 특성을 나타냄을 알 수 있다(도 4b).Microscopic micrographs of FIGS. 4A and 4B show that the electrodenatured fluid of the present invention actually exhibits an ER effect under electric field load. When the electric field is not loaded, the semiconducting polyaniline particles are dispersed in non-conductive solvent, which shows the characteristics of the Newtonian fluid (Fig. 4a). It can be seen that the formation of the structure exhibits the characteristics of Bingham behavior showing the yield stress (Fig. 4b).

도 5a와 5b는 pH 9로 조절된 폴리아닐린 입자를 실리콘 오일에 20부피%의 비율로 분산시킨 전기변성유체의 전기장의 변화에 따른 전단응력과 전단 점도를 측정한 결과를 각각 나타낸 것이다. 사슬 모양의 입자 구조가 전단응력(shear stress)이 높은 곳에서도 잘 유지되며, 전기장의 크기에 따라 사슬 구조가 와해되는 전단응력 값이 변하는 것을 알 수 있다.Figures 5a and 5b shows the results of measuring the shear stress and shear viscosity according to the change in the electric field of the electro-modified fluid in which the polyaniline particles adjusted to pH 9 at 20% by volume in silicone oil. It can be seen that the chain-shaped particle structure is well maintained even at high shear stress, and the shear stress value at which the chain structure breaks down varies depending on the size of the electric field.

그러나, 폴리아닐린계 전기변성유체 역시 매우 큰 전단률(shear rate)에서는 뉴토니안 유체의 거동을 보여준다. 즉, 전기장을 가하지 않은 경우에는 뉴토니안 유체의 거동을 보이지만, 전기장을 가하게 되면 일정 크기의 전단응력 이상에서는 흐름의 거동을 보이는 것을 알 수 있다. 또한, 전기장의 증가에 따라 전단응력 및 전단 점도의 값이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 폴리아닐린 입자의 pH가 9.0이고, 그 함량이 20부피%인 전기변성유체의 경우, 1250Pa 정도의 전단응력을 나타내는 것을 확인할 수 있다.However, polyaniline-based electromodified fluids also exhibit the behavior of Newtonian fluids at very high shear rates. That is, 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 above the shear stress of a certain magnitude. In addition, it can be seen that the values of the shear stress and the shear viscosity increase with the increase of the electric field, and in the case of the electromodified fluid having a pH of polyaniline particles of 9.0 and the content of 20% by volume, the shear stress of about 1250 Pa is shown. You can see that.

도 6은 전기변성유체에 포함된 폴리아닐린 입자의 부피비에 따른 전단율과 전단응력의 관계를 나타낸 것이다. 전기장의 경우와 마찬가지로, 유체에 포함된 폴리아닐린 입자의 부피 증가에 따라 전단응력 값이 증가하는 것을 알 수 있으며, 입자의 부피비가 증가할수록 체인 구조가 와해되는 부분이 높은 전단률 쪽으로 전이됨을 알 수 있다.Figure 6 shows the relationship between the shear rate and shear stress according to the volume ratio of the polyaniline particles contained in the electromodified fluid. As in the case of the electric field, the shear stress value increases as the volume of the polyaniline particles in the fluid increases, and as the volume ratio of the particles increases, the portion where the chain structure breaks up is shifted toward the higher shear rate. .

도 7은 각각 다른 온도에서 중합된 폴리아닐린 입자를 포함하는 전기변성유체의 전단률에 대한 전단응력의 변화를 나타낸 것이다. 전단응력은 중합 온도가 가장 낮은 PA-10의 경우에서 가장 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있었으며, 그 이외의 경우에는 온도 차이에 대한 전단응력의 차이가 그리 크지 않았다. 여기서, PA-10, PA-5, PA0 및 PA5는 각각 중합 온도가 -10℃, -5℃, 0℃ 및 5℃인 것을 의미하는 것이다.FIG. 7 shows the change in shear stress with respect to the shear rate of an electromodified fluid comprising polyaniline particles polymerized at different temperatures. Shear stress was found to be the highest value in the case of the lowest polymerization temperature PA-10, otherwise the shear stress with respect to the temperature difference was not very large. Here, PA-10, PA-5, PA0 and PA5 mean that the polymerization temperatures are -10 ° C, -5 ° C, 0 ° C and 5 ° C, respectively.

도 8a 및 8b는 각각 전기변성유체에 포함된 폴리아닐린 입자의 부피비와 전기장에 대한, 폴리아닐린 전기변성유체의 정적 항복응력의 변화를 나타낸 것이다. 항복응력은 전기장과 부피비에 대하여 각각 지수 함수적으로 증가함을 알 수 있다.8a and 8b show the change in the static yield stress of the polyaniline electro-modified fluid with respect to the volume ratio and the electric field of the polyaniline particles contained in the electro-modified fluid, respectively. It can be seen that the yield stress increases exponentially with respect to the electric field and volume ratio, respectively.

도 9는 전기변성유체에 포함된 폴리아닐린 입자의 pH에 따른 전기변성유체의 전단응력 값의 변화를 나타낸 것이다. pH 8 내지 pH 9의 입자를 포함하는 전기변성유체가 비슷한 전단응력 값을 나타내는 것을 알 수 있다.Figure 9 shows the change of the shear stress value of the electro-denatured fluid according to the pH of the polyaniline particles contained in the electro-denatured fluid. It can be seen that the electromodified fluid containing particles of pH 8 to pH 9 shows similar shear stress values.

도 10은 전기변성유체에 포함된 폴리아닐린 입자의 pH 변화 및 전기장 변화에 따른, 전기변성유체의 항복응력 값의 변화를 나타낸 것이다. 모든 경우에 있어서 전기장의 증가에 따라 항복응력 값이 증가하는 것을 볼 수 있으며, pH 8.5 부근에서 가장 우수한 항복응력 값을 보여준다.Figure 10 shows the change in the yield stress value of the electro-denatured fluid, according to the pH change and electric field changes of the polyaniline particles contained in the electro-denatured fluid. In all cases, the yield stress value increases with increasing electric field, showing the best yield stress value near pH 8.5.

도 11a 및 11b는 폴리아닐린 입자의 pH가 8.5이고, 그 함량이 10부피%인 전기변성유체를 사용하여, 외부 온도를 상승시키면서 전류밀도의 변화 및 항복응력값의 변화를 측정한 결과를 각각 나타낸 것이다. 전기변성유체를 실제로 사용할 수 있는가 여부는 전류밀도의 값이 그 기준이 되므로, 전류밀도를 한계 값 이하로 유지하는 것이 중요하다. 폴리머를 사용하여 제조된 전기변성유체의 경우는 다른 재료에 비하여 작은 전류밀도 값을 나타내며, 더욱이 입자의 개질을 통하여 전도도를 조절함으로써 전류밀도의 값도 조절할 수 있다. 항복응력 측정 시에는 일정한 온도에서 일정한 전단응력을 조금씩 증가시키면서 전단변형이 일어나는 전단항복응력을 측정하여야 하며, 고온으로 갈수록 전류밀도가 증가하면서 항복응력 값도 일정하지 않은 거동을 보인다. 그러나, 표 11b에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 전기변성유체는 100℃까지는 안정하게 사용될 수 있다.11a and 11b show the results of measuring the change of the current density and the change of the stress value, respectively, by raising the external temperature using an electromodified fluid having a pH of 8.5 and a content of 10% by volume of the polyaniline particles. . It is important to keep the current density below the limit value because the value of the current density is a reference for whether or not the electromodified fluid can be actually used. Electromodified fluids produced using polymers exhibit smaller current density values than other materials, and can also control current density values by controlling conductivity through particle modification. When measuring yield stress, the shear yield stress at which the shear deformation occurs while increasing the constant shear stress little by little at a constant temperature is measured. The yield stress value shows an uneven behavior as the current density increases with increasing temperature. However, as can be seen in Table 11b, the electromodified fluid according to the present invention can be used stably up to 100 ° C.

실시예Example

이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 보다 상세히 설명한다. 그러나, 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the embodiments are only illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1: 폴리아닐린 입자의 제조Example 1 Preparation of Polyaniline Particles

0.3mol의 아닐린 단량체를 1M 염산 200ml와 혼합하여 4구 플라스크에 넣었다. 외부 순환 온도 조절기를 이용하여 반응기의 온도를 0℃로 고정시킨 다음, 기계적 교반기(mechanical stirrer)를 사용하여 모노머와 염산이 잘 섞이도록 교반하였다. 500ml 비이커에 0.36mol의 (NH4)S2O8를 120ML의 증류수와 함께 넣어 잘 용해시킨 다음, 이 용액을 아닐린 단량체 용액이 들어 있는 플라스크에 방울방울 떨어뜨려 30분 정도 이내에 모두 가하였다. 이어서, 약 2 시간 정도 반응을 진행시킨 다음, 외부 온도 조절을 마치고 상온에서 다시 2 시간 정도 더 교반하였다.0.3 mol of aniline monomer was mixed with 200 ml of 1 M hydrochloric acid and placed in a four neck flask. The temperature of the reactor was fixed at 0 ° C. using an external circulating temperature controller, and then stirred using a mechanical stirrer to mix monomers and hydrochloric acid well. 0.36 mol (NH 4 ) S 2 O 8 was added to a 500 ml beaker with 120 ml of distilled water to dissolve well, and then the solution was added dropwise to the flask containing the aniline monomer solution within about 30 minutes. Subsequently, the reaction was carried out for about 2 hours, and after finishing the external temperature control, the mixture was further stirred at room temperature for 2 hours.

생성되는 폴리아닐린 입자는 진한 청록색을 띠는데, 이는 산 용액으로 인한 산화 정도를 나타내는 것이다. 반응이 끝난 입자를 상온에서 약 24 시간 더 교반한 다음, 침전이 생성될 때까지 기다렸다가 여과지를 이용하여 여과하고, 여과된 입자를 수용액상에서 밀링하였다. 입자를 증류수로 세척하여 반응하지 않은 물질을 제거한 다음, 에탄올과 시클로헥산으로 각각 3회씩 세척하였다.The resulting polyaniline particles are dark blue green, indicating the degree of oxidation due to the acid solution. The reaction was stirred for another 24 hours at room temperature, then waited until a precipitate was produced, filtered using a filter paper, and the filtered particles were milled in an aqueous solution. The particles were washed with distilled water to remove unreacted material, and then washed three times with ethanol and cyclohexane.

얻어진 폴리아닐린 입자를 1M 수산화나트륨 수용액을 사용하여 pH가 7.5 - 10.0 범위가 되도록 조절하였다. pH 변화에 따라 입자의 색이 청녹색에서 갈색으로 변하였다. 이와 같은 변화는 앞에서 설명한 것과 같이, 산화 정도의 차이에서 비롯된 것이다.The obtained polyaniline particles were adjusted to have a pH in the range of 7.5-10.0 using 1M aqueous sodium hydroxide solution. The color of the particles changed from blue green to brown as the pH changed. This change comes from the difference in the degree of oxidation, as explained earlier.

이와 같은 방법으로 얻어진 폴리아닐린 입자의 무게평균 분자량은 20,000 이었다. 분자량은 THF를 용매로 사용하여 GPC 측정 결과로부터 확인하였다.The weight average molecular weight of the polyaniline particle obtained by such a method was 20,000. The molecular weight was confirmed from GPC measurement results using THF as a solvent.

이와 동일한 방법으로, 중합 반응의 온도만을 각각 -10℃, -5℃ 및 5℃로 달리하여 폴리아닐린 입자를 제조하였으며, 이를 본 발명에 따른 전기변성유체의 제조에 사용하였다.In the same manner, polyaniline particles were prepared by varying only the temperature of the polymerization reaction at -10 ° C, -5 ° C, and 5 ° C, respectively, which were used in the preparation of the electromodified fluid according to the present invention.

실시예 2: 전기변성유체의 제조Example 2 Preparation of Electromodified Fluid

pH가 9.0으로 조절된 폴리아닐린 입자를 체를 이용하여 입자 크기가 1㎛ - 50㎛ 범위의 분포를 갖는 입자만을 고른 다음, 입자의 부피가 유체에 대하여 5, 10, 15 및 20부피%가 되도록 폴리아닐린 입자를 각각 30 cS의 실리콘 오일에 기계적 교반기를 이용하여 분산시켜, 폴리아닐린 입자를 각각 다른 부피비로 함유하는전기변성유체를 제조하였다.Polyaniline particles adjusted to pH 9.0 were sifted to select only particles having a particle size distribution in the range of 1 μm to 50 μm, and then polyaniline such that the volume of the particles was 5, 10, 15 and 20% by volume of the fluid The particles were each dispersed in a 30 cS silicone oil using a mechanical stirrer to prepare an electromodified fluid containing polyaniline particles in different volume ratios.

또한, pH가 각각 7.5. 8.0, 8.5, 9.0, 9.5 및 10.0으로 조절된 폴리아닐린 입자를 사용하여, 위와 같은 방법으로 10부피%의 폴리아닐린을 포함하는 전기변성유체를 제조하였다.In addition, the pH was 7.5. Using polyaniline particles adjusted to 8.0, 8.5, 9.0, 9.5 and 10.0, an electromodified fluid containing 10% by volume of polyaniline was prepared in the same manner as above.

실시예 3: 전기유변학적 특성 분석Example 3: Electrorheological Characterization

실시예 2에서 설명한 것과 같은 방법으로 제조된 전기변성유체의 특성을 다음과 같은 방법으로 각각 검사하였으며, 그 결과는 도 4 내지 도 11에서 보여주는 것과 같다.The characteristics of the electromodified fluid prepared in the same manner as described in Example 2 were examined in the following manner, and the results are as shown in FIGS. 4 to 11.

회전형 점도계(PHYSICAMC120 rheometer)를 이용하여, 전단률과 전단응력의 관계, 전단률과 전단 점도의 관계를 측정하였다. 전단률의 범위는 0.0013 - 1000sec-1이었으며, 전단응력의 범위는 1 Pa - 1312 Pa 이었다.Using a rotary viscometer (PHYSICAMC120 rheometer), the relationship between the shear rate and the shear stress, the relationship between the shear rate and the shear viscosity was measured. The shear rate ranged from 0.0013-1000sec -1 and the shear stress ranged from 1 Pa-1312 Pa.

전기변성유체에 Z3-DIN 지오메트리(geometry)를 이용하여, 외부 고전압 발생기(Meyport 230)로 0kV - 3kV 범위에서 전기장을 변화시키면서 이때의 항복응력을 측정하였다.The yield stress at this time was measured by changing the electric field in the range of 0 kV-3 kV with an external high voltage generator (Meyport 230) using Z3-DIN geometry for the electro-modified fluid.

본 발명에 따라 반전도성 폴리아닐린 입자를 포함하는 전기변성유체 및 그 제조방법에 제공되었다.According to the present invention, an electromodified fluid including semiconducting polyaniline particles and a method for preparing the same are provided.

본 발명의 전기변성유체는 넓은 온도 영역에서도 ER 효과를 잘 나타내며, 전기장의 증가 뿐 아니라, 유체 중에 포함된 폴리아닐린 입자의 부피비가 증가할수록ER 효과가 더 크게 나타나며, 온도 및 전기장 변화에 대하여 안정된 빙햄 거동을 보인다는 장점이 갖는다는 것이 확인되었다.The electromodified fluid of the present invention exhibits an ER effect even in a wide temperature range, and as the volume ratio of the polyaniline particles contained in the fluid increases as well as the electric field, the ER effect appears larger, and the Bingham behavior is stable to temperature and electric field changes. It was confirmed that it has an advantage.

따라서, 본 발명의 전기변성유체는 현가장치, 제진대, 엔진 마운트 등의 제어가 가능한 가변 감쇠기구, 또는 브레이크, 클러치 등의 동력장치에 응용이 가능하며, 자동차 및 항공 산업 등을 비롯한 많은 분야에 응용이 가능하다.Accordingly, the electromodified fluid of the present invention can be applied to a variable damping mechanism capable of controlling a suspension device, a vibration damper, an engine mount, or a power device such as a brake, a clutch, and the like. Application is possible.

Claims (5)

pH 7.5 - 10.0의 폴리아닐린 입자가 비전도성 용매에 10 - 20부피%로 분산되어 있는 전기변성유체.Electromodified fluid in which polyaniline particles of pH 7.5-10.0 are dispersed in a nonconductive solvent at 10-20% by volume. 제 1 항에 있어서, 상기 비전도성 용매가 실리콘 오일, 변압기 오일, 변압기 인슐레이팅 용액, 미네랄 오일, 올리브 오일 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 전기변성유체.The electromodified fluid of claim 1, wherein the nonconductive solvent is selected from the group consisting of silicone oil, transformer oil, transformer insulating solution, mineral oil, olive oil, and mixtures thereof. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리아닐린 입자가 -10 내지 5℃ 범위의 온도에서 중합된 것인 전기변성유체.The electromodified fluid of claim 1, wherein the polyaniline particles are polymerized at a temperature in the range of −10 to 5 ° C. 3. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리아닐린 입자의 크기 분포가 1 - 10㎛인 전기변성유체.The electromodified fluid of claim 1, wherein the polyaniline particles have a size distribution of 1-10 μm. (1) 아닐린을 1M 염산 수용액 하에서, -10 내지 5℃ 온도 범위에서 중합하여 폴리아닐린 입자를 제조하는 단계,(1) polymerizing aniline under a 1M hydrochloric acid aqueous solution at a temperature range of -10 to 5 ° C to prepare polyaniline particles, (2) 단계 (1)에 생성된 폴리아닐린 입자를 밀링한 다음 체로 걸러, 크기가 1 - 10㎛인 입자를 고르는 단계,(2) milling the polyaniline particles produced in step (1) and sieving them to select particles having a size of 1-10 μm, (3) 수산화나트륨 수용액을 사용하여 단계 (2)에서 얻어진 입자의 pH를 7.5- 10.0으로 조절하는 단계, 및(3) adjusting the pH of the particles obtained in step (2) to 7.5-10.0 using an aqueous sodium hydroxide solution, and (4) 입자를 실리콘 오일, 변압기 오일, 변압기 인슐레이팅 용액, 미네랄 오일, 올리브 오일 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 비전도성 용매에 분산시키는 단계를 포함하는,(4) dispersing the particles in a non-conductive solvent selected from the group consisting of silicone oil, transformer oil, transformer insulating solution, mineral oil, olive oil and mixtures thereof, 전기변성유체의 제조방법.Method of producing an electromodified fluid.
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