PL179447B1 - Ciecz elektroreologiczna - Google Patents

Abstract

Ciecz elektroreologiczna, którą stanowi zawiesina polifenylenu lub politiofenu domieszkowanego chlorkiem żelazowym w oleju silikonowym, chlorowanych parafinach, bromowanych parafinach lub mieszaninach tych substancji, znamienna tym, że domieszkowany polifenylen lub politiofen ma strukturę bezpostaciową

Description

Przedmiotem wynalazkujest ciecz elektroreologiczna. Efekt elektroreologiczny polega na zmianie właściwości reologicznych cieczy pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Włączenie pola powoduje gwałtowny wzrost lepkości cieczy elektroreologicznej.

Współczesne ciecze elektroreologiczne są w stanie przenieść znaczne statyczne (powyżej 10 kPa) i dynamiczne (około 5 kPa) obciążenia ścinające przy zastosowaniu pól elektrycznych o natężeniu rzędu 1 kV/mm. Możliwy do osiągnięcia czas włączenia i wyłączenia obciążenia wynosi 10 ms. Te cechy cieczy elektroreologicznych wykorzystywane są do budowy amortyzatorów hydraulicznych o kontrolowanej sztywności, sprzęgieł elektromechanicznych, zaworów elektroreologicznych stosowanych w układach sterowania siłowników hydraulicznych i wielu innych urządzeń.

Typowa ciecz elektroreologiczna jest zawiesiną łatwo polaryzowanych cząstek w ciekłej, nieprzewodzącej matrycy. Przykładem może być opisana przez Winslowa (US 2417850) zawiesina wilgotnego żelu krzemionkowego w oleju transformatorowym. Literatura opisuje zastosowanie wielu rozmaitych substancji jako fazy zdyspergowanej (tlenek glinu, glina, żelatyna, polialkohol winylowy, skrobia, zeolity, dwutlenek tytanu, polimetakrylan litowy), lecz do większości z nich, dla uzyskania efektu elektroreologicznego musi być dodana woda. Jako fazę rozpraszającą najczęściej stosuje się olej mineralny, olej jadalny, olej silikonowy lub chlorowane parafiny.

Dodatek wody powoduje, że pogarszają się użytkowe cechy cieczy. Dzieje się tak na skutek ograniczenia zakresu temperatur pracy, odparowania wody i zwiększenia przewodności elektrycznej zawiesiny, co powoduje wydzielenie szkodliwego ciepła. Problemem jest również niestabilność temperaturowa cieczy elektroreologicznych zawierających wodę, możliwość pojawienia się nadciśnienia w układach zamkniętych, trudna kontrola zawartości wody oraz korozja.

W ostatnich latach pojawiły się również bezwodne ciecze elektroreologiczne. W opisie patentowymUS 5435932 oraz wopisie zgłoszenia patentowego PCT WO 93/07243 przedstawiono bezwodne ciecze elektroreologiczne, w których fazę rozproszoną stanowi polimer przewodzący, taki jak polipirol, polifenylen, poliacetylen, poliwinylopirydyna, poliwinylopirolidon, podstawione polianiliny, polifenylotiazyna, polimidazol lub mieszaniny tych polimerów.

Wielkość efektu elektroreologicznego zależy w pierwszym przybliżeniu od różnicy między stałymi dielektrycznymi ciekłej matrycy i materiału zdyspergowanego, od stężenia fazy rozproszonej oraz od kwadratu natężenia pola elektrycznego. Aby ciecz elektroreologiczna mogła przenieść znaczne naprężenia styczne konieczne jest stosowanie wysokich natężeń pól elektrycznych. Aby było to możliwe ciecz ta powinna mieć możliwie niskie przewodnictwo elektryczne. W konsekwencji podstawowe wymagania dla fazy rozproszonej to wysoka stała dielektryczna i niskie przewodnictwo, dla fazy rozpraszającej zaś niska stała dielektryczna i niskie przewodnictwo.

179 447

Okazuje się, że liczba bezwodnych substancji spełniających wymagania dla fazy rozproszonej, z których w dodatku możnaby otrzymać stabilną zawiesinę (co związane jest z niewielkim ciężarem właściwym) jest bardzo ograniczona. Należą do nich bezwodne polimery o sprzężonym układzie wiązań podwójnych.

Znane polimery tego typu charakteryzują się jednak często zbyt niską stalą dielektrycznąrzędu kilku jednostek.

Znany jest sposób podwyższenia stałej dielektrycznej takich polimerów przez tak zwane domieszkowanie sprowadzające się do utleniania lub redukcji łańcucha polienowego i stabilizację powstałego polikarbokationu (lub polikarbanionu) przez wbudowanie w strukturę polimeru odpowiednich przeciwjonów. Jako substancje domieszkujące stosuje się halogeny i kwasy Lewisa (chlorek żelazowy, chlorek glinu, chlorek cyny itp.) dla wytworzenia polikarbokationów lub metale alkaliczne dla wytworzenia polikarbanionów.

Ze względu na to, że przyczyną dla której zwykle domieszkuje się polimer o sprzężonym układzie wiązań podwójnychj est zwiększenie jego przewodnictwa, a defekty strukturalne powodują rozpraszanie nośników ładunku w polimerze, domieszkowaniu poddawane są materiały o możliwie wysoko uporządkowanej strukturze.

W tym celu stosuje się procedury powodujące zwiększenie krystaliczności materiału polimerowego, takie jak specjalne metody syntezy (poliacetylen), orientowanie polimeru przez mechaniczne rozciąganie (poliacetylen, polifenylenowinylen, polianilina), długotrwałe wygrzewanie w podwyższonej temperaturze (polifenylen).

Niedomieszkowany, neutralny polifenylen ma względną stałą dielektryczną około 2,5 i przewodność elektryczną około 10’¹¹ s/cm. Domieszkowanie tego materiału o uporządkowanej strukturze powoduje podwyższenie stałej dielektrycznej do wartości około 100, jednocześnie jednak przewodność elektryczna rośnie do wartości około 1 s/cm.

Ciecz elektroreologiczna, w której fazą rozproszonąjest polifenylen lub politiofen domieszkowany chlorkiem żelazowym, a faząrozpraszającą są oleje silikonowe, chlorowane parafiny lub bromowane parafiny lub mieszaniny tych substancji, charakteryzuje się tym, że domieszkowany polifenylen lub politiofen ma strukturę bezpostaciową.

Domieszkowanie polimeru w fazie amorficznej, charakteryzującego się dużym stężeniem defektów strukturalnych, powoduje pożądany wzrost stałej dielektrycznej do wartości odpowiadających materiałowi krystalicznemu. Równocześnie jednak nie następuje wzrost przewodnictwa elektrycznego, które dla polifenylenu domieszkowanemu chlorkiem żelazowym osiąga wartość około 10- s/cm.

Tak niskie przewodnictwo fazy rozproszonej jest bardzo korzystne, gdyż umożliwia stosowanie pól elektrycznych o wysokim natężeniu bez powodowania niepożądanego wzrostu natężenia prądu elektrycznego płynącego przez układ.

Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładzie wykonania.

Przykład. Synteza poli-p-fenylenu.

Do szklanej kolby trójszyjnej zaopatrzonej w mieszadło, chłodnicę zwrotną, termometr i doprowadzenie osuszonego powietrza wsypuje się 8,73 g wysuszonego Cu₂Cl₂ (chlorku miedzi I), a następnie wlewa 156 ml oczyszczonego i osuszonego benzenu. Po wstępnym wymieszaniu dodaje się 35,15 g bezwodnego AlCl₃ (chlorku glinu). W tym momencie całość mieszaniny nabiera brązowego koloru. Mieszaninę reakcyjną utrzymuje się przez 28 godzin w temperaturze 61°C, przy ciągłym mieszaniu i przepuszczaniu przez kolbę strumienia osuszonego powietrza w ilości ok. 5 litrów/godzinę. Po tym czasie dodaje się następnie 44,5 g AlCl₃ i ogrzewa przez dalsze 24 godziny w tej samej temperaturze.

Po tym czasie przerywa się reakcję dodając powoli (przy intensywnym chłodzeniu) ok. 150 ml 18% kwasu solnego (zimnego).

Zawartość kolby odsącza się na lejku Buchnera, przemywa się 75 ml gorącego 18% HCl, a następnie kilkoma porcjami po 100 cm3 destylowanej wody aż do uzyskania zaniku reakcji na chlorki (z AgNC^). Otrzymany brunatny osad suszy się w powietrzu w temperaturze 100-110°C

179 447 przez 24 godziny. W wyniku opisanej procedury otrzymuje się 18,5 g brunatnego produktu, którym jest poli-p-fenylen.

Domieszkowanie.

g poli-p-fenylenu (otrzymanego jak opisano wyżej) umieszcza się w kolbie stożkowej z korkiem i zalewa 100 ml oczyszczonego, bezwodnego nitrometanu (CH3NO₂) i miesza. Do kolbki tej wlewa się następnie roztwór 1,4 g bezwodnego FeCl3 w 80 cm3 bezwodnego CH3NO₂, miesza się i pozostawia w temperaturze otoczenia na okres 2 godzin. W tym czasie mieszanina jest sporadycznie mieszana.

Po tym czasie zawartość kolby odsącza się na lejku Buchnera, a następnie przemywa 50 cm3 bezwodnego CH₃NO2. Osad suszy się w powietrzu w temperaturze 60-70°C w ciągu 12 godzin. Otrzymuje się ok. 4 g produktu zawierającego ok. 0,8% wag. żelaza.

Domieszkowany poli-p-fenylen miesza się z olejem silikonowym przez ucieranie w moździerzu. Stężenie sproszkowanego poli-p-fenylenu w oleju wynosi 20%.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Ciecz elektroreologiczna, którą stanowi zawiesina polifenylenu lub politiofenu domieszkowanego chlorkiem żelazowym w oleju silikonowym, chlorowanych parafinach, bromowanych parafinach lub mieszaninach tych substancji, znamienna tym, że domieszkowany polifenylen lub politiofen ma strukturę bezpostaciową.
2. 2. Ciecz według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera od 5 do 40% wagowych domieszkowanego polifenylenu lub politiofenu.