MÁGNESES TÉR HATÁSA KOMPOZIT GÉLEK ÉS ELASZTOMEREK RUGALMASSÁGÁRA

BUDAPESTI MUSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Fizikai Kémia Tanszék MTA-BME Lágy Anyagok Laboratóriuma

MÁGNESES TÉR HATÁSA KOMPOZIT GÉLEK ÉS ELASZTOMEREK RUGALMASSÁGÁRA PhD disszertáció

Készítette:

Varga Zsolt Tamás Témavezeto:

Dr. Zrínyi Miklós tanszékvezeto, egyetemi tanár

Budapest 2005

Köszönetemet

szeretném

kifejezni

témavezetomnek,

Dr.

Zrínyi

Miklós

tanszékvezeto Professzor Úrnak, hogy lehetové tette számomra a PhD disszertációm elkészítését a Budapesti Muszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizikai Kémia Tanszékén. Köszönöm munkám során nyújtott támogatását, szakmai segítségét és tanácsait.

Ezúton köszönöm meg Dr. Filipcsei Genovévának a kísérleti és elméleti munkában nyújtott szakmai segítségeket és tanácsokat .

Köszönettel tartozom Dr. Fehér Józsefnek, Szilágyi Andrásnak, Deák Andrásnak és Simon Csabánénak a munkám során nyújtott segítségükért.

Köszönöm Családomnak, Barátaimnak és Mennyasszonyomnak, Farsang Renátának, hogy a munkám során mindig biztattak és támogattak.

Köszönöm tanulmányomat.

a

Varga

József

Alapítványnak, hogy anyagilag támogatta

Mágneses tér hatása kompozit gélek és elasztomerek rugalmasságára

BEVEZETÉS ……………………………………………………………………………3 1.

IRODALMI ÁTTEKINTÉS ………………………………………………………..5

1.1. Polimer gélek fogalma és csoportosítása…………………………………………..5 1.1.1. Fizikai polimer gélek………………………………………………………….7 1.1.2. Kémiai polimer gélek…………………………………………………………8 1.2. Polimerek mechanikai tulajdonságai ……………………………………………10 1.3. A polimer gélek rugalmassági modulusza ……………………………………….15 1.4. Az anyagok mágneses tulajdonságai …………………………………………….20 1.5. A mágneses tér hatása a részecskére …………………………………………….23 1.6. Az intelligens polimer gélek ……………………………………………………..27 1.6.1. Entrópiavezérelt polimer gélek ……………………………………………..27 1.6.2. Energiavezérelt polimer gélek ……………………………………………..28 1.7. Mágneses tér hatása a moduluszra

…………………………………………….31

2.

CÉLKITUZÉS …………………………………………………………………….38

3.

KÍSÉRLETI RÉSZ ………………………………………………………………..39

3.1. Kísérleti anyagok ……………………………………………………………...…39 3.2. Elasztomerek eloállítása …………………………………………………………40 3.2.1. Izotrop elasztomerek eloállítása …………………………………….………40 3.2.2. Anizotrop elasztomerek eloállítása homogén mágneses térben ………….…41 3.3. Kísérleti módszerek ………………………………………………………..….…44 3.3.1. Rugalmassági modulusz mérése mágneses tér nélkül ……………………....44 3.3.2. Rugalmassági modulusz mérése mágneses térben …………………….……45 3.4. Kísérleti elrendezések a rugalmassági modulusz meghatározására

….………..47

3.4.1. Izotrop elasztomer rugalmassági moduluszának mérési elrendezései a mágneses tér függvényében ………………………………….……………….47 3.4.2. Anizotrop elasztomerek rugalmassági moduluszának mérési elrendezései a mágneses tér függvényében ……………………………………..…….……48 4.

EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK ……………………………………………50

4.1. A kísérleti eredmények értelmezése …………………………………………….50 4.2. Izotrop kompozit elasztomerek ………………………………………………….53 4.2.1. Izotrop elasztomerek mágneses tér nélküli vizsgálata …………………….54 4.2.1.1. Karbonil- vas töltoanyagot tartalmazó izotrop PDMS elasztomerek……54 4.2.1.2. Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó izo trop PDMS elasztomerek ………...…56

1


4.2.2. Izotrop elasztomerek vizsgálata homogén mágneses térben ……………….58 4.2.2.1. Karbonil- vas töltoanyagot tartalmazó izotrop PDMS elasztomerek ...…58 4.2.2.2. Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó izotrop PDMS elasztomerek ..………....60 4.3. Anizotrop kompozit elasztomerek ………………………………………………62 4.3.1. Anizotrop elasztomerek mágneses tér nélküli vizsgálata …………………..62 4.3.1.1. Karbonil- vas töltoanyagot tartalmazó anizotrop PDMS elasztomerek…62 4.3.1.2. Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó anizotrop PDMS elasztomerek ..…...…65 4.3.1.3. Részecske-polimer kölcsönhatás hatása az anizotrop szerkezetre ..……68 4.3.2. Anizotrop kompozitok rugalmassági moduluszának függése homogén mágneses tértol ……………………………………………………………….72 4.3.2.1. Karbonil- vas töltoanyagot tartalmazó anizotrop PDMS elasztomerek ..72 4.3.2.2. Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó anizotrop PDMS elasztomerek ………...78 4.4. Az a B és a GM , ∞ paraméterek vizsgálata ………………………………………83 4.5. Az Einstein-Smallwood összefüggés alkalmazása izotrop és anizotrop mágneses kompozitokra ………………………………………………………….…………85 4.6. Lehetséges gyakorlati felhasználás ………………………………………………86 5.

ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉN YEK (PhD TÉZISPONTOK) ……..…...…..…90

6.

FÜGGELÉK ……………….…..……………………………….…………...……92

7.

ANGOL NYELVU ÖSSZEFOGLALÓ (SUMMARY) ……………………….….94

8.

KÖZLEMÉNYEK JEGYZÉKE …………………………………………….……97

9.

IRODALOMJEGYZÉK ……………………………………………………..……98

2


BEVEZETÉS Napjainkban az anyagtudomány kutatásában a multifunkcionális anyagokon belül megjelentek az intelligens anyagok. Ez a fogalom viszonylag új, az 1980-as évek végén fogalmazódott meg [1-6]. Az Akadémiai Kislexikon szerint az intelligencia szó egyik jelentése: alkalmazkodóképesség új helyzetekhez. Intelligens anyagoknak azokat a funkcionális anyagokat nevezzük, amelyek érzékelik közvetlen környezetük fizikai, illetve kémiai állapotának egy vagy több jellemzojét, e jeleket feldolgozzák, majd pedig ezekre, állapotuk jelentos megváltoztatásával, gyors és egyértelmu választ adnak. Jelenleg számos olyan anyag létezik, mely a környezet változásának hatására megváltoztatja alakját, vagy valamely fizikai vagy kémiai tulajdonságát. Ezen anyagok egyik nagy csoportját alkotják bizonyos polimer gélek [7,8]. A polimer gélek számos külso hatást képesek érzékelni,

mint pl. a pH, homérséklet, koncentráció,

elegyösszetétel, fényintenzitás, elektromos vagy mágneses tér változása [9-12]. Az elasztomerek nagy rugalmasságot mutató polimerek, amelyek rugalmassága a polimermolekulák hajlékonyságától, térhálós polimereknél a térhálósítás mértékétol, valamint a töltoanyag mennyiségétol és minoségétol függ. Eloállíthatók olyan anizotrop elasztomerek is, amelyek irányfüggo mechanikai tulajdonságai iránytól függoen mások. A muszaki célra kifejlesztett elasztomerek gyakran tartalmaznak töltoanyagot. A töltoanyagot tartalmazó muanyagokat polimer kompozitoknak nevezzük. Jelentoségük abban áll, hogy a technikai eszközeink többségében a terhelés legtöbbször jól meghatározott erovonalak mentén hat. Ezen erovonalak mentén jóval nagyobb szilárdságra van szükség, mint más irányokban. Ez indokolja a homogén anyagok megerosítését nagyobb szilárdságú erosítoanyagokkal, valamint anizotrop tulajdonságú kompozitok kifejlesztését. A töltoanyag kémiai (határfelületi) jellemzoi, alakja, átlagos mérete és méreteloszlása nagymértékben meghatározza az elasztomer mechanikai tulajdonságaira gyakorolt hatását. Leggyakrabban a töltoanyagot, a mechanikai szilárdságot erosíto anyagként alkalmazzák. A töltoanyag eloszlása a rugalmas mátrixban a technológiáktól függoen a következok lehetnek:

3


§

Az egyedi részecskék véletlenszeruen oszlanak el a rugalmas mátrixban.

§

Az egyedi részecskék, valamint azok aggregátumai véletlenszeru vagy rendezett eloszlást mutatnak.

Adott mennyiségu töltoanyag esetén, a mechanikai tulajdonságok befolyásolása az átlagos mérettel, a méreteloszlással, a határfelületi tulajdonságokkal, részecskék alakjának megváltoztatásával vagy az orientációval lehetséges. A töltoanyagot tartalmazó hagyományos elasztomerek izotrop (iránytól nem függo) tulajdonságokat mutatnak, a töltoanyag maga nem anizometrikus. A BME Fizikai Kémia Tanszéken Dr. Zrínyi Miklós Professzor úr és kutatócsoportja egy új fajta kompozitot fejlesztett ki, a mágneses polimergélt, a ferrogélt. Ezekben a kompozitokban a nagy rugalmas tulajdonságú polimer mátrix mágneses részecskéket tartalmaz. Az alkalmasan megválasztott mágneses tér segítségével nyújtható, hajlítható, forgatható és összehúzható [13, 14]. A mágneses részecskék kapcsolják össze az alakot ill. a rugalmas tulajdonságot a mágneses térrel. Csak az utóbbi idoben ismerték fel, hogy az elasztomerek nagyrugalmas jellemzoi megváltoztathatók külso mágneses tér segítségével, továbbá azt, hogy külso homogén mágneses térben végzett preparáció során anizotrop tulajdonságú elasztomereket lehet eloállítani [15]. Munkám során ezekbe a kutatásokba kapcsolódtam be. Dolgozatomban vizsgáltam a mágneses elasztomerek rugalmassági moduluszának változását külso homogén mágneses tér változásának hatására.

4


1. IRODALMI ÁTTEKINTÉS

1.1. Polimer gélek fogalma és csoportosítása A mindennapi életben egyre több helyen találkozunk természetben eloforduló, vagy mesterségesen eloállított polimer gélekkel, ezért ez a terület joggal vált az anyagtudomány egyre népsze rubben kutatott területévé. Az élo szervezet nagy része biopolimerekbol felépülo gél. Ilyenek például a csontokat keno izületi nedvek, a szemet kitölto csarnokvíz. A mesterségesen eloállított gélek egyre több helyen jelennek meg az életünkben. Itt gondoljunk a sokak által használt különbözo kozmetikai termékekre, a kerékpárok kormánymarkolatára, üléseire vagy a különbözo analitikai elválasztástechnikákra. A polimer gélekre sajnos nincsen elfogadott definíció. Maga a kifejezés a francia „gelatine” (dermeszt) szóból származik. A gélek átmenetet képeznek a folyadék és szilárd halmazállapot között. A folyadékoktól rendszerint a viszkozitásuk vagy a rugalmassági moduluszuk alapján különböztetik meg. A folyadékra jellemzo tulajdonságuk, megegyeznek

hogy a

deformálhatóságuk

egyensúlyi

gélben és

lévo

állapotban tiszta

a

termodinamikai

folyadékéval;

alakállandóságuk

emlékeztet.

a

szilárd A

tulajdonságaik halmazállapotra

szakirodalomban

a

legelfogadottabb meghatározás: a gélek a kohezív rendszerek csoportjába tartozó olyan kolloid rendszerek, amelyeknek viszonylagos alakállandósága a rendszer összefüggo vázához képest igen nagy, esetleg több ezerszeres mennyiségu és a váztól térbelileg nem elkülönült folyadék jelenléte, illetve felvétele esetével sem szunik meg [16]. A polimer géleket nagyon sokféleképpen lehet csoportosítani. Az egyik ilyen lehetséges csoportosítás a közeg halmazállapota alapján lehetséges, ahol két szélso esetet különböztetünk meg. Az egyik csoportba a liogélek tartoznak. Ezek nagy folyadéktartalmú, kocsonyás állományú rendszerek. Jellemzo még rájuk, hogy rugalmasak és van folyási és törési határuk, valamint van folyadékokra emlékezteto sajátosságuk is: az ionok, kis molekulák diffúziója a polimer gélben és a duzzasztó folyadékban közel azonos. Ezzel szemben a másik nagy csoport a xerogélek, melyek szárazak, vagy folyadékot csak nagyon minimálisan tartalmazó polimer gélek. A két szélsoeset közt van átalakulás, mely lehet reverzibilis és irreverzibilis is. Csekély

5


kivétellel csak a szerves retikuláris rendszereknél fordítható meg valóban a xerogélliogél átalakulás. Kiszárítás után ezek a gyakorlatban liogélekké duzzaszthatók. A másik nagy csoportosítás a gélek morfológiai szempontjából lehetséges. Buzágh szerint három alapveto szerkezettípust különböztethetünk meg: porodin, spongoid és retikuláris rendszereket (1. ábra) [17].

porodin rendszerek

spongoid rendszerek

retikuláris rendszerek

1. ábra: A polimer gélek fontosabb morfológiai típusai.

1. Porodin gélek különbözo alakú és méretu kolloid diszperziós részecskék összenövésbol, összekristályosodásából keletkeznek. Ilyen a legtöbb szervetlen gél, adszorbens, katalizátor. 2. Spongoid vagy más néven szivacsszeru gélek, melyek vékony hártyák szabályos vagy szabálytalan összegyurodésébol alakulnak ki. 3. Retikuláris (háló szerkezetu) gélek, melyek rostok, szálak, fonalak akár kémiai, akár nem kémiai kötoerokkel képzett hálózata.

A polimer géleket leggyakrabban a képzodési folyamatuk alapján szokták csoportosítani, amely nagymértékben meghatározza azok alapveto tulajdonságait. Attól függoen, hogy a polimer gél vázát másodrendu intermolekuláris kölcsönhatások, vagy elsorendu kémiai kötések tartják össze, beszélhetünk fizikai vagy kémia polimer gélekrol.

6


1.1.1. Fizikai polimer gélek Bármely folyamat, amely elosegíti a polimer lánc ismétlodo egységeinek ideiglenes összekapcsolódását, fizikai géleket eredményezhet. Az így képzodött polimer gélek vázát gyenge másodlagos kötoerok alkotják, melyek kevésbé stabilak, de ennek ellenére alaktartók. Kis külso ero hatására, vagy a külso homérséklet növelésével ezek a kötoerok felbomlanak, és a polimer gél diszperz rendszerré alakul, majd a külso hatás megszüntetése után újból polimer gélt kapunk, ezért ez a szol-gél átmenet többnyire reverzibilis. A vázat összetartó fizikai kölcsönhatásokat gyujtonéven Van der Waals kölcsönhatásoknak nevezik. Ide tartozik az orientációs hatás, mely állandó dipólusok vonzásából adódik; az indukált dipólusok közti indukciós hatás, valamint a diszperziós hatás, mely az átmenetileg képzodött dipólusok vonzásából származik (2. ábra).

orientációs hatás

indukciós hatás

diszperziós hatás

2. ábra: A fizikai polimer géle ket összetartó Van der Waals kötések típusai [18].

Erosebb kötések is kialakulhatnak a polimermolekulák között, melyek stabilitást és nagyobb alakállandóságot adnak a fizikai polimernek. Ha a polimermolekulák hidroxil- vagy aminocsoportot tartalmaznak, akkor hidrogénhidak alakulnak ki. Ha töltéssel

rendelkezo

csoportok

is

találhatók

rajtuk,

akkor

elektrosztatikus

kölcsönhatások keletkeznek. A neutrális fizikai polimer géleknél az elágazó, hosszú oldalláncokat tartalmazó molekulák összekuszálódása is segíti a gélképzodést (3. ábra).

7


hidrogénhíd–kötés

elektrosztatikus kölcsönhatás

rojtos micellaképzodés

3. ábra: A fizikai polimer gélek vázát összetartó egyéb kölcsönhatások.

1.1.2. Kémiai polimer gélek A kémiai polimer gélek képzodése során a végtelen molekulatömegu térháló stabilitását elsorendu kémiai kötések eredményezik. Ezen reakciónak alapvetoen két fajtáját különböztetik meg. Az egyik a kétlépcsos vagy utólagos térhálósítás, a másik az egylépcsos vagy direkt eljárás (4. ábra).

makromolekulák

monomermolekulák

térhálósító molekulák

kémiai polimer gél

utólagos térhálósítás

direkt eljárás

4. ábra: A kémiai térháló kialakulásának lehetséges módjai.

8


Az utólagos térhá lósítás során a lineáris polimerek láncai között primer kémiai kötéseket hozunk létre különféle térhálósító szerek (ritkábban besugárzás) segítségével. Ilyen reakció játszódik le például a kaucsuk vulkanizálása során. Az egylépcsos eloállítás során a különféle

polireakciókban

(polimerizáció,

polikondenzáció,

poliaddició) olyan monomereket vagy monomer elegyeket használunk fel, amelyek átlagos funkcionalitása kettonél nagyobb, amire jó az akrilamid és az etilén-biszakrilamid kopolimerizációja. Sok helyen egy külön gélesedési mechanizmusnak tartják az olyan hibridgéleket, melyeknél a térhálósítás során két egymásba hatoló térháló (IPN) alakul ki (5. ábra). térhálósodási pont

polimer (1) a,

polimer (2) b,

5. ábra: Egymásba hatoló térhálók sematikus rajza. a, IPN struktúra; b, semi -IPN struktúra

Az egymásba hatoló térhálónak két típusát különböztetjük meg. Az egyik (5.a ábra) amikor mind a két polimer térhálós, akkor IPN-rol beszélünk. A másik fajtája (5.b ábra) amikor csak az egyik polimeren jönnek létre keresztkötések, ilyenkor semi-IPNrol beszélünk.

9


1.2. Polimerek mechanikai tulajdonságai A testeket alapvetoen három nagy csoportba sorolhatjuk a deformáló erokkel szembeni ellenállásuk alapján:

1. Szilárd testek, melyekre ha külso feszültség hat, akkor alakjukat és térfogatukat kis mértékben megváltoztatják. Többségük egy bizonyos feszültség eléréséig rugalmas anyagként viselkedik, azaz ha a feszültség megszunik, akkor maradandó károsodás nélkül felveszik eredeti alakjukat, tehát a rugalmas testek deformációja reverzibilis. Ide tartoznak az ideális rugalmas vagy Hooke- fele testek, melyekben a deformáció során ébredo feszültség a deformációval egyenesen arányos. Ez az arányossági tényezo igen fontos anyai jellemzo, melyet modulusznak nevezünk. 2. Folyadékok, melyekben külso ero hatására a deformáció az idoben korlátlanul no, tehát az anyag megfolyik. Ezek az anyagok deformáció hatására alakjukat nem képesek megtartani, de a térfogatuk nem változik meg. Ide tartoznak az ideális viszkózus anyagok vagy newtoni folyadékok, melyekben a folyás sebessége a feszültséggel arányos, és független a deformáció mértékétol. Fontos anyagi jellemzojük a viszkozitás. 3. Gázok, melyek külso ero hatására sem alakjukat, sem térfogatukat nem tudják megorizni.

A szilárd és folyadék testek között nincs mindig éles átmenet. Vannak olyan esetek, amikor e két tulajdonság kombinálva lép fel egy és ugyanazon agyagon belül. Ezeket nevezzük viszkoelasztikus anyagoknak. A következokben röviden ismertetem az ideális rugalmas anyagok deformációját, két feltételt figyelembe véve: az anyag izotrop és a deformáció mértéke kicsi. A deformációnak a két legegyszerubb esete a következo [19]: 1. Nyírás. Ebben az esetben nincs térfogatváltozás, de a minta alakja torzul. Jellemzésére a nyíró moduluszt használjuk: ∆x 1 = τ h G

(1)

ahol 10


τ=

f A

(2)

a nyírófeszültség, ∆x / h a nyíró deformáció ( γ ), a G a nyíró modulusz, az f a mintára ható tangenciális ero és az A a minta deformálatlan felülete. 2. Mindenoldalú egyenletes összenyomás. Ennél a deformációnál a minta alakja nem torzul, de a deformáció során térfogatcsökkenés lép fel. Jellemzésére a térfogati rugalmassági modulusz szolgál (K). −

∆V 1 = p V0 K

(3)

ahol p a nyomás (p=f/A), V0 a minta deformálatlan térfogata és ∆V a deformáció hatására bekövetkezett térfogatváltozás.

Minden más deformáció leírható e két alapveto hatás kombinációjaként, így azokban egyszerre lép fel az alakváltozás és a térfogatváltozás is. Ilyen például az egytengelyu nyújtás vagy összenyomás. Mivel ezek a mérési módszerek igen egyszeru eszközökkel kivitelezhetok, ezért ezeket gyakrabban alkalmazzák, annak ellenére, hogy fizikai analízisük igen bonyolult. Ideális esetben az egytengelyu nyújtás a Hooketörvényt követi, mely szerint a feszültség ( σ ) arányos a relatív megnyúlással ( ε x ): σ = εx E

(4)

∆l l0

(5)

εx =

ahol l0 a deformálatlan minta hossza a nyúlás irányában, ∆l a deformáció mértéke, és az arányossági tényezo pedig a Young-féle modulusz (E).

A polimerek fizikai szerkezet és a molekulák homozgásának jellegétol függoen kétféle fizikai állapotban lehetnek: 1. Kristályos (rendezett) szerkezet. Ebben az állapotban a polimerláncok szabályos kristályrácsot képeznek, de ez a molekuláris szerkezetük következtében kevésbé tökéletes, mint a kismolekulájú anyagoké. A háromdimenziós szabályosság sosem terjed ki a polimerhalmaz egészére, mindig tartalmaz rendezetlen részeket, ezért általában kétfázisú (amorfkristályos) rendszereknek tekintik ezeket. A kristályrács állapota az adott

11


polimer olvadáspontjáig (TM) stabil. E homérséklet felett a polimer amorf, rendezetlen szerkezetuvé válik. 2. Amorf (rendezetlen) polimerek nem képeznek kristályrácsot, a molekulák véletlenszeruen helyezkednek el. Az amorf állapotú polimerek rendezettebb szerkezetuek, mint a kismolekulájú amorf anyagok.

Az amorf polimereknél az alábbi három fizikai állapotot különböztetjük meg. Az egyes állapotok jellegzetességei a termo mechanikai tulajdonságokban tükrözodnek, melyet kitunoen szemléltet az alábbi ábra, melynél állandó feszültség mellett mérik a homérséklet változására bekövetkezo deformáció változást (6. ábra).

e [%] Tg

üvegszeru

Tf

nagyrugalmas

Viszkózusan folyós

T [o C]

6. ábra: Lineáris, amorf fázisú polimerek termomechanikai görbéje. e: deformáció, T: homérséklet

1. Üvegszeru állapot, ahol a szegmensmozgás be van fagyva. Ez az állapot a polimer úgynevezett üvegesedési homérséklete (Tg ) alatt létezik. 2. Nagyrugalmas állapot, ahol a szegmensmozgás a termikus mozgás alapveto formája. 3. Viszkózusan folyós állapot. Ez az állapot az úgynevezett folyási homérséklet feletti (Tf) homérséklet tartomá nyban található meg, ahol már 12


a molekula egésze is elmozdulhat, és a makro-Brown mozgás válik dominánsa.

Az

általam

vizsgált

polimer

gélek

összetételüknek

köszönhetoen

szobahomérsékleten a nagyrugalmas amorf állapotúak. Külso ero hatására az összegombolyodott molekulák részlegesen kinyúlnak, majd az ero megszunése után felveszik eredeti formájukat. Ezt nagyrugalmas deformációnak is nevezik. Ezen állapotba tartozó polimerek deformációs tulajdonságait vizsgálva több vonatkozásban is eltérnek a hagyományos anyagoktól:

1. Többszáz százalékos reverzibilis deformációra is képesek. 2. A rugalmassági moduluszuk több nagyságrenddel kisebb, mint a hagyományos anyagoké. 3. Adiabatikus körülmények között, ha megnyújtjuk a nagyrugalmas polimereket, akkor felmelegszenek, ha pedig megszüntetjük a deformációt, akkor az eredeti állapotba való visszaalakulás során lehulnek.

A nagyrugalmas deformáció termodinamikájára, ha állandó térfogaton és homérsékleten vizsgáljuk, akkor a következo összefüggést kapjuk :  ∂A   ∂U   ∂S  f =   = −T     ∂l T ,V  ∂l  T ,V  ∂l T ,V

(6)

ahol f a deformáló ero nagysága, A a szabadenergia, U a rendszer belso energiája, l a deformáció, T a homérséklet és S az entrópia. Ebbol látszik, hogy a deformációt kiváltó ero két részbol tevodik össze. Az egyik a belso energia megváltozása, a másik pedig az entrópia megváltozása. Így a deformációnak két ideális határesete különböztetheto meg: 1. Energiarugalmas deformáció, mely során az atomok közti távolság és a vegyértékszög deformálódik, az entrópiatag pedig változatlan marad. Így a rendszer belso energiája fog csak megváltozni, és az entrópia változatlan marad, tehát felírható a következo két összefüggés:  ∂U   ∂S  f = illetve   = 0   ∂l T ,V  ∂l T ,V

(7)

13


2. Entrópiarugalmas deformáció során a polimerláncok kiegyenesednek, így rendezettebb állapotba kerülnek, a rendszer entrópiája csökken. Ha az ideális elasztomerekben feltételezzük a szabad rotációt, ami azt jelenti, hogy a különbözo konformációk energiája azonos, akkor a deformáció során a belso energia nem változik meg. Így felírható, hogy:  ∂S  f = −T   illetve  ∂l T ,V

 ∂U   ∂l  = 0  T ,V

(8)

14


1.3. A polimer gélek rugalmassági modulusza A polimer gélek rugalmassági moduluszának levezetése céljából a következo egyszerusíto feltételezéseket kell bevezetni: 1. Deformálatlan állapotú polimerekben a lánc-hálópont közötti távolság eloszlása a konformáció eloszlásával matematikailag azonos módon írható le. 2. A hálópontok közötti láncszakaszok hossza azonos, tehát a térháló ideális. 3. A deformáció során nincs térfogatváltozás. 4. A deformáció során a láncvégek távolsága a minta összdeformációjának arányában változik (affin deformáció). 5. A polimerháló deformációja ideális entrópiarugalmasságon alapul.

A polimerek rugalmassági moduluszának értelmezéséhez eloször definiálnunk kell a láncvégtávolságok eloszlási függvényét. A szabadon kapcsolt láncmodell esetére Kuhn, Guth és Mark oldotta meg eloször ezt a problémát [20] a következo feltételezéssel. Legyen a polimerlánc egyik vége az origóban rögzítve (A), míg a másik vége (B) a térben véletlenszeruen bolyongva. Válasszunk ki a B (x, y, z) pont környezetében egy kis dV térfogatot (7. ábra).

x B(x,y,z) dy dx dz

r

A(0,0,0)

y

z 7. ábra: Vázlat a lánc konformáció eloszlás leírásához.

15


A valószínuségi suruségfüggvény megadja azt, hogy B láncvég milyen valószínuséggel lesz megtalálható dV térfogatban. Az N számú, l0 hosszúságú elembol felépülo szabadon kapcsolt láncok esetében a következo összefüggést írták fel: 2 2 2 2   b3 p ( x , y, z)gdx gdy gdz =  3 / 2 e − b ( x + y + z ) g dxgdy gdz π 

ahol

(9)

p ( x , y , z ) a valószínuségi suruségfüggvény, dx gdy gdz a vizsgált elem

térfogata (dV) és b2 egy állandó, melynek értéke: b2 =

3 2 2 Nl 0

(10)

A valószínuségi suruségfüggvény kifejezheto AB távolságot jellemzo r távolsággal is, ahol r 2 = x 2 + y2 + z 2

(11)

így felírható, hogy p ( r ) = p ( x , y , z) =

b3 −b2 r2 e π 3/2

(12)

A rendszer termodinamikai valószínusége ( w ) a 12. egyenlet felhasználásával a következoképpen írható le: w = Ω • p( r )

(13)

ahol Ω az összes lehetséges térszerkezetek száma függetlenül a láncvég vektortól. A statisztikus termodinamika alapján az entrópia definíciója a következo: S = k B ln w

(14)

ahol S az entrópia egyetlen láncra, k B a Boltzmann állandó. A 12. egyenletet figyelembe véve entrópiára a következo összefüggést kapjuk: S = C − k Bb 2r 2

(15)

ahol C egy állandó. A termodinamikai törvényekbol levezetheto ideális nagyrugalmasságnál, hogy állandó homérsékleten és térfogaton a deformációs munka (W) megegyezik a rendszer szabadenergia változásával:

W = ∆A = ∆H − T ∆ S

(16)

ahol A a szabadenergia, T az abszolút homérséklet és ∆S az entrópiaváltozás. Továbbá felírható a nominális feszültség ( σ n ) a következoképpen:

16


 ∂a  Fx σn =   =  ∂λx T ,V A0

(17)

ahol λx az x tengely riányában mért deformációs arány, azaz a minta aktuális hossza osztva a kiindulásival, a a szabadenergia suruség, Fx az x tengely mentén a deformáló ero és az A0 a mintának erre az erore meroleges deformálatlan felülete. Tehát, ha tudjuk a polimer deformáció elotti és utáni etrópiáját, akkor megadható a feszültség deformáció közti összefüggés. Eloször vizsgáljuk meg a homogén deformáció esetét, három egymásra meroleges feszültség deformációjánál (8. ábra).

Fz

Fx -Fy

h0 =1

λx

λz

-Fz

a,

Fy

λy

-Fx

b, 8. ábra: Homogén deformáció. a, deformálatlan minta; b, deformált minta

A deformációt a deformációs arányokkal jellemezhetjük ( λx , λ y , λz ), ahol például λx =

h h0

(18)

Esetünkben h0 =1, így a λx , λ y , λz a relatív hossznak felel meg. Mivel feltételeztük, hogy a deformáció során nincs térfogatváltozás, a következo összefüggést tudjuk felírni: λx g λy g λz = 1

(19)

A kockában válasszunk ki egy láncszakaszt, amelyben a csomópontok közti távolság a deformáció elott r , a deformáció után pedig r , (9. ábra). Ha a deformáció irányai egybeesnek a koordináta rendszer tengelyeivel, és felhasználjuk a fejezet elején leírt 4. kitételt, akkor felírhatók a következo összefüggések:

17


y , = λy y

x , = λx x

z , = λz z

(20)

x A(x,y,z) A’(x’,y’,z’) r

r,

y z

9. ábra: A polimerlánc konformációjának változása a deformáció során.

Ezek után már számolható a ν számú hálólánc deformációja során fellépo entrópiaváltozása az alábbi egyenlettel: 1 ∆S = S − S0 = − ν k B (λ x2 + λ y2 + λz2 − 3) 2

(21)

A 16. és 21. egyenlet felhasználásával a szabadenergia suruség (a): a=

1 ν k BT 2 1 ( λx + λy2 + λz2 − 3) = G(λx2 + λy2 + λz2 − 3) 2 V 2

(22)

ahol V a térfogat és a G a minta rugalmassági modulusza.

Most nézzük meg az egytengelyu deformációt egységnyi élu kockán, melyet a 10. ábra szemléltet. Fx h0 =1

h = λx h0

a,

1/ λx b,

10. ábra: Egytengelyu összenyomás ahol a, deformálatlan minta; b, deformált minta.

18


Az egytengelyu deformáció esetében mivel a minta térfogata állandó (19. egyenlet) felírható, hogy λ y = λz =

1 λx

(23)

Ezt az összefüggést a 22. egyenletbe beírva a szabadenergia suruségre a következo összefüggést kapjuk: a=

1 2 G( λx2 + − 3) 2 λx

(24)

A 17. egyenlet felhasználásával a nominális feszültségre felírhatjuk a neo-Hooke alapegyenletet [20]: σn =

Fx 1 = G (λx − 2 ) A0 λx

(25)

Nagy rugalmas anyagok esetében eltérés tapasztalható a 25. egyenlettol. A nem ideális viselkedést gyakran a Mooney-Rivlin formulával jellemzzük [20,21]: σn = C1 + C2λx−1 −2 λx − λx

(26)

ahol a C1 és C2 a Mooney-Rivlin konstansok, és összegük adja meg magát a rugalmassági moduluszt. G=C1 +C2 . Ennek segítségével el tudjuk dönteni, hogy az anyagunk ideális vagy reális viselkedést mutat e.

A 11. ábrán szemléltetem a gyakorlati mérések során e kétfajta ábrázolási módot, ahol D = λx − λx−2 . húzás

összenyomás

σn D

σn

reális eset C2 ideális eset

G

C1

D a, neo-Hooke ábrázolás

1

λ −1

b, Mooney-Rivlin ábrázolás

11. ábra: A rugalmassági modulusz meghatározásának grafikus módszerei.

19


1.4. Az anyagok mágneses tulajdonságai Mágneses anyagnak nevezünk minden olyan rendszert, amely mágneses térben mágnesezodik, azaz saját mágneses tere alakul ki. Eloször nézzük meg, hogyan is alakul ki ez a mágnese tér. A vizsgálatok során egészen az atom elektronjáig kell lemenni, ugyanis minden elektronoknak saját impulzusmomentuma van, melyet spinnek hívunk. Minden spinhez tartozik egy mágneses momentum

ms = g s ps

(27)

ahol gs a spinnel kapcsolatos nyomaték giromágneses viszonya, ps pedig az elektron spinjének vetülete egy adott tengely mentén. Az elektronnak a pályán végzett mozgásából szintén származik egy mágneses momentum érték, melyet pályamomentumnak nevezünk (pl). Az ezzel kapcsolatos mágneses momentum a következo:

ml = g pl

(28)

ahol g a pályamomentummal kapcsolatos giromágneses viszony. Az atomnak az elektronok pályamenti mozgásával kapcsolatos mágneses momentuma a Z számú elektron megfelelo mágneses momentumának vektori eredoje: Z

m = ∑ mli

(29)

i =1

Ha az anyagunkat külso mágneses térbe helyezzük, akkor a mágneses térnek egyetlen hatása van az atomi pályán lévo elektronokra, ami a következo: az elektron pályája és pályamomentumának vektora a mágneses tér vektorának irányával párhuzamosan áll be. Az egységnyi térfogatban levo atomok mágneses momentumának vektori eredoje adja az anyag jellemzésére használt mágnesezettségi vektort ( M ): 1 M = lim  V →0 V 



N

∑ m  i =1

i

(30)

ahol N a V tréfogatban található atomok száma, mi az i-edik részecske mágneses momentuma. Nem túlságosan eros térben a következo arányosság írható fel: M = χH

(31)

ahol H a külso térerosség, χ pedig az anyag mágneses szuszceptibilitása.

20


A mágneses tulajdonságok szempontjából az anyagok három fo csoportba sorolhatók: 1. Diamágneses anyagok, melyek további három csoportba sorolhatók: a. Klasszikus diamágnesek. Ide tartoznak a neme sgázok és néhány fém (cink, higany, arany…), szilícium és foszfortipusú elemek és sok szerves vegyület. Jellemzo rájuk, hogy χ < 0 , abszolút értéke pedig 10-7 …10-5 nagyságrendu, és nem függ a homérséklettol. b. Anomális diamágnesek. Ide tartozik például a bizmut, a gallium és a grafit. χ < 0 , abszolút értéke pedig 10-6 …10-4 nagyságrendu, és függ a homérséklettol. c. Szupravezetok. Ilyen például a molibdén- és wolframkarbid, melyeknek ellenállása az anyagra jellemzo Tkr homérséklet alatt megszunik. Mágneses szuszceptibilitásuk χ = −1 . 2. Paramágneses anyagok, melyekre igaz, hogy χ > 0 . Három alcsoportja különböztetheto meg: a normális paramágnesek, a homérséklettol független mágneses szuszceptibilitással jellemzett paramágneses fémek és az antiferromágnesek. 3. Ferromágnesek. Ide tartozik az átmeneti fémek egy csoportja (vas, kobalt, nikkel) és sok ötvözet. Ezek különleges mágneses tulajdonságot mutatnak. A ferromágneseknél az M és a H kapcsolata csak akkor írható le a fenti összefüggéssel,

ha

χ -t

nem

tekintjük

állandónak,

hanem

H

függvényeként kezeljük.

A ferromágneseket mágnesezettségi görbével szokták jellemezni, melynek sematikus rajzát a 12. ábrán mutatom be.

21


Mt

M 2

Mr

3 1

Hc H

12. ábra: Ferromágneses anyagokra jellemzo mágnesezettségi görbe.

Az ábrán jól látható, hogy a külso tér növelésével a mágnesezettség no, de ez az érték egy maximális értékhez tart, ami az adott anyagra jellemzo mennyiség. Ezt az értéket telítési mágnesezettségnek (Mt ) hívják. Ha a mintának nincs úgynevezett mágneses eloélete, akkor a mágnesezettségi görbe az origóból indul ki és az 1-es görbe mentén megy felfelé. Ha az anyag már rendelkezik eloélettel, akkor attól függoen, hogy milyen téreroségbol indulunk ki, a 2-es és 3-as görbe mentén fog változni a térero függvényében a mágnesezettség. Az ábrán látható Mr a remanens mágnesezettségi érték és Hc az úgynevezett koercitiv ero értéke, ami szintén az adott anyagra jellemzo paraméter. Ezen értékek alapján további csoportokba sorolhatók a ferromágneses anyagok [22,23].

22


1.5. A mágneses tér hatása a részecskére Elso esetben vizsgáljuk meg, hogy mi történik, ha mágneses részecskékre inhomogén mágneses tér hat. Hatni fog rájuk egy forgató nyomaték ( N ), mely hatására a részecskék mágneses momentumai ( m ) a tér irányával megegyezo irányba fordulnak be:

N = m× B

(32)

ahol B a mágneses indukció. Ezen túlmenoen egy eredo ero is hat rájuk, aminek hatására a részecskék a nagyobb téreroség irányába mozdulnak el: F = ( ∇ m) B

(33)

A 13. ábrán e jelenség demonstrációját mutatom be.

B

13. ábra: Magnetoforetikus erok inhomogén mágneses térben.

Ha a mágneses részecskéket homogén mágneses térbe helyezzük, akkor a részecskék a tér irányával párhuzamosan szálakba rendezodnek, ahogy az a 14. ábrán is látható.

B

14. ábra: Magnetoforetikus erok homogén mágneses térben.

23


Ennek magyarázata, hogy homogén mágneses térben a részecskékre csak a forgató nyomaték hat. Ha ezt nézzük akkor, csak a részecskék csak a mágneses momentumainak kellene beállni a tér irányába, és nem volna szabad, hogy kialakuljanak a szálak. Mivel azonban a részecskéken belül a mágneses mome ntumok egy irányba állnak, így magának a részecskének is lesz saját inhomogén mágneses tere, ami viszont hat a többi részecskére. A szálasodási jelenség egy igen összetett folyamat, mert a mágneses tér hatása mellett figyelembe kell még venni a részecskék eloszlását, a fellépo különbözo súrlódási eroket. Így leírása igen bonyolult. Az egyszeruség kedvéért vegyük a következo modellt. Vizsgáljuk meg két pontszeru dipólusnak az egymáshoz viszonyított helyzetét, ahol a köztük lévo távolságot vegyük állandónak (R), és az egyik helyét és mágneses momentumának irányát a térben rögzítsük (1-es). A modell elrendezése a 15. ábrán látható:

2 υ2 υ = υ1 − υ2

m2 1

m1

r=R

υ1

er

15. ábra: A szálasodás értelmezésekor használt modell sematikus rajza.

Vizsgáljuk meg a 2-es dipólusunk nak a potenciális energiáját (E2 ), melyet a következoképpen írhatunk fel:

E2 = − m2 B1

(34)

ahol m2 a 2-es dipólus mágneses momentuma és B1 az 1-es dipólus mágneses indukciója a 2-es pontjában. A B1 a következo képlettel számolható:

24


B1 =

µ0 3( m1 r) r − m1r 2 µ 0 3( m1er ) er − m1 = 5 3 4π r 4π r

(35)

ahol er az r vektor egységvektora és µ0 a vákuum permeabilitása. A 34. és a 35. egyenletbol megkapjuk az E2 potenciális energia értékét: E2 = −

µ0 3( m1 er )( m2 er ) − m1 m2 3 4π R

(36)

Továbbá felírhatjuk, hogy m1er = m1 cosυ1 m2 er = m2 cos(υ1 − υ 2 )

(37)

m1 m2 = m1m2 cosυ 2 ahol υ1 és υ2 a 15. ábrán látható szögek. Ha ezt beírjuk a 36. egyenletbe, akkor megkapjuk a potenciális energia υ1 -tol és υ2 -tol való függését: E2 = −

µ0 m1m2 f (υ1 ,υ 2 ) 3 4π R

(38)

ahol f (υ1 ,υ 2 ) = 3cos υ1 cos(υ1 − υ 2 ) − cosυ 2

(39)

Tudjuk, hogy egy magára hagyott rendszer mindig energiaminimumra törekszik, tehát azt nézzük meg, hogy mely υ1 és υ2 értékeknél lesz az E2 potenciális energiának minimuma, vagyis az f (υ1 ,υ 2 ) függvénynek maximuma. Numerikusan kiszámolható, hogy az f (υ1 ,υ 2 ) függvénynek a υ1 = kπ és υ2 = 2lπ helyeken lesz a maximuma (ahol k és l pozitív egész szám), vagyis ezeknél a szögeknél lesz az E2 ( R ,υ1 ,υ 2 ) potenciális energia- függvénynek minimuma. A 32. képlet figyelembe vételével a két dipólusunk a 16. ábrán látható módon fog elhelyezkedni.

25


m2

r=R er m1

16. ábra: A két dipólus egyensúlyi állapota.

Az egyedi részecskék, ha homogén mágneses térbe kerülnek, akkor a mágneses momentumaik egy irányba állnak be, aminek következtében a részecskéknek saját mágneses tere lesz. Így belátható az elozo modell segítségével, hogy a részecskék szálakba rendezodnek. A tapasztalat szerint nem egyetlen szál keletkezik, hanem véletlenszeru eloszlásban több is kialakulhat. Ennek a magyarázatánál már figyelembe kell venni az egyedi részecskéknek az összes többi részecskére gyakorolt hatását, úgy hogy a köztük lévo távolságot a vonzóero miatt nem tekinthetjük állandónak, továbbá nem elhanyagolható az inhomogén eloszlás és a részecskék mérete.

26


1.6. Az intelligens polimer gélek Az intelligens anyagok definíciójáról már a bevezetésben írtam. Ezen anyagok egyik nagy csoportját az intelligens polimer gélek alkotják, melyek a külso környezetük megváltozásából

nyert

energiát

képesek

termodinamikai

törvényszeruségekkel

mozgássá

jól

alakítani.

magyarázható.

Ez A

a

jelenség

nagyrugalmas

deformációnál tárgyalt 6. egyenlet felhasználásával a térhálóban ható ero felbontható egy energetikai - és egy entrópiatagra:  ∂A   ∂U   ∂S  f =   = −T     ∂l T ,V  ∂l  T ,V  ∂l T ,V

(40)

Az alapján, hogy az adott polimer gél szabadenergiája a kölcsönhatás során a belso energia vagy az entrópiaváltozás hatására változik, az intelligens polimer gélek két nagy csoportra bonthatók: 1. Energiavezérelt polimer gélek: ide tartoznak azok a kompozitgélek, vagy polimer

gélek,

melyek

duzzasztófolyadékának

vagy a töltoanyag

tulajdonságainak köszönhetoen külso elektromos vagy mágneses tér hatására drasztikusan megváltoztatják az alakjukat. 2. Entrópiavezérelt polimer gélek: ebbe a csoportba tartoznak azok a gélek, melyeknél az egyensúlyi térfogat a folyadékmolekulák duzzasztó (ozmotikus)

hatásának,

valamint

annak

a

visszahúzó

eronek

a

következménye, amely a polimer molekulákban e deformáció ellen ébred. Az

egyensúly

megváltozásának

következtében

duzzadnak,

vagy

gélkollapszust szenvednek és térfogatuk jelentos mértékben megváltozik.

1.6.1. Entrópiavezérelt polimer gélek E csoporthoz tartozó polimer gélek egyik fo jellegzetessége, hogy a környezeti paraméterek (homérséklet, elegyösszetétel, pH stb.) változtatására térfogatuk jelentos megváltozásával reagálnak. A 70-es évek végéig csak olyan rendszereket ismertek, amelyeknek térfogata a változást eloidézo hatásra folytonosan, és azzal arányos mértékben változott. 1978-ban T. Tanaka, a bostoni MIT professzora felfedezte, hogy a 27


hidrolizált poli(akrilamid) gél mérete a homérséklet, vagy az elegyösszetétel változtatásakor hirtelen, igen nagy, nem folytonos természetu változást szenved [8]. Ezzel csoporttal itt most nem foglalkozom részletesebben, mivel az általam vizsgált rendszerek a másik csoportba tartoznak.

1.6.2. Energiavezérelt polimer gélek Ebbe a csoportba tartoznak a külso mágneses és elektromos térre érzékeny polimer gélek. A BME Fizikai Kémia Tanszéken Dr. Zrínyi Miklós vezette MTA-BME Lágy Anyagok Kutatócsoportja fejlesztette ki a mágneses térre érzékeny gélt. Ezen gélrendszerek vagy a duzzasztófolyadék kicserélésével, vagy a gélmátrixba ágyazott térre érzékeny anyag segítségével tehetok a külso térre érzékennyé. A mágneses folyadékkal duzzasztott polimer gélekkel eloállíthatunk úgynevezett ferrogéleket [2439]. A mágneses folyadék 10 nm átméroju, szuperparamágneses, monodoménekkel rendelkezo részecskék szuszpenziója [40-41]. A ferrogélek szerkezetének sematikus rajza a 17. ábrán látható.

polimertérháló

mágneses részecske

17. ábra: Ferrogélek sematikus szerkezete.

A

duzzasztófolyadékban

lévo

részecskéket

adhéziós

erok

rögzítik

a

polimertérhálóhoz. A mágneses térre való érzékenységet a részecskék mágneses momentumai okozzák. Mivel az eloállítás során a momentumok irányai véletlenszeruen rendezodnek, ezért a gél mágneses tér jelenléte nélkül kifelé mágnesesen semleges.

28


Mágneses tér hatására ezek a domének igyekeznek a tér irányába beállni, ami kifelé eredo mágneses momentumot eredményez. Ha a mágneses tér homogén, akkor a ferrogélre nem hat ero. Ha inhomogén mágneses térbe helyezzük a gélt, akkor a benne levo mágneses részecskék a nagyobb tér irányába igyekeznek elmozdulni, mert a dielektroforézishez hasonlóan a szuperparamágneses részecskékre eredo ero hat. Nagy mágneses térerosség esetében a részecskékre hatóero áttevodik a velük kölcsönhatásban lévo polimerláncokra, és így a rendszer egésze együtt elmozdul. A végso alakot és helyzetet az elasztikus és a mágneses kölcsönhatás egyensúlya határozza meg. Ha a mágneses teret megszüntetjük, akkor a mágneses momentumok pillanatszeruen véletlenszeru irányokba rendezodnek, és a gél felveszi eredeti alakját. Inhomogén

mágneses

tér

segítségével

a

mágneses

gélt

mozgásra

is

kényszeríthetjük. A 18. ábrán látható módon a gél vége alá egy elektromágnest helyezünk, és erre periódikusan feszültséget kapcsolunk.

18. ábra: Mágnes es gél alakváltozása periódikusan változó inhomogén mágneses térben.

A gél közepét az elektromágnes szélénél rögzítjük. Látható, hogy a feszültség ráadásakor az inhomogén mágneses tér hatására a mágneses gél vége az elektromágnes felé elmozdul. Amikor megszunik a mágneses tér, akkor a gél felveszi eredeti alakját. Ez a periódikus mozgás számtalanszor megismételheto, anélkül, hogy a gél sérülést szenvedne. Hasonló típusú alakváltoztatással, megfeleloen irányított inhomogén mágneses térrel akár hernyómozgás is imitálható. 29


Ha a henger alakú mágneses gélt egy kémcsobe helyezzük, akkor inhomogén mágneses tér helyének kiválasztásával a gél képes megnyúlni ill. összehúzódni. Az összehúzódás során a géllel akár fizikai munkát is végezhetünk, aminek demonstrációját a 19. ábrán mutatom be.

a,

b,

c,

d,

19. ábra: Mágneses polimer gél fizikai munkavégzése. a, c, mágneses tér nélkül; b, d, inhomogén mágneses tér jelenlétében

A polimer gél aljára egy 50 g-os súlyt akasztottunk. Az inhomogén mágneses teret úgy helyeztük el, hogy a tér hatására a mágneses gél összehúzódjon, aminek következtében felemeli az 50 g-os súlyt is. A tér megszüntetése után a gél felveszi eredeti egyensúlyi helyzetét, majd ha a teret újból bekapcsoljuk, akkor ismét felemeli a ráakasztott súlyt.

30


1.7. Mágneses tér hatása a moduluszra Az elmúlt években egyre többen kezdték el vizsgálni a különbözo mágneses és elektromos részecskéket tartalmazó polimerek tulajdonságait [42-53]. Ezek közül én most 3 fontosabbat emelek ki.

A Budapesti Muszaki Egyetemen és a Hokkaidoi Egyetemen vizsgálták a mágneses folyadékot tartalmazó PVA gélek rugalmassági moduluszát a mágneses tér függvényében [15]. Homogén részecske eloszlású mintákat állítottak elo, és vizsgálták a rugalmassági modulusz mágneses tér hatására bekövetkezett változását. A rugalmassági moduluszt egyirányú deformáció során a neo-Hooke egyenlet segítségével határozták meg. A mérések során a mágneses tér iránya meroleges volt a deformáció irányára. A mérési eredményeiket a 20. ábrán mutatom be.

20. ábra: Rugalmassági modulusz változása a mágneses tér függvényében.

Az ábrán ? G a modulusz változása mágneses tér hatására és G0 a ferrogél modulusza. Megállapították, hogy a rugalmassági modulusz értékének telítodése 1,5-2 kOe között megy végbe, ami kisebb, mint a mágneses telítodés, ami 10 kOe körül van. A teljes nyíró feszültséget ( σ ) két tagra bontották, így ez kifejezheto egy elasztikus ( σ el ) és egy mágneses ( σ M ) hozzájárulással: σ = σ el + σ M

(41)

Az elasztikus feszültség számolható a neo-Hooke egyenletbol, a mágneses tag pedig a mágneses energia suruségbol (WM), a következo egyenlet alapján:

31


 ∂W  σM =  M   ∂γ 

(42)

ahol γ az a deformáció, amit a deformáció irányába mérünk. Wm a következo egyenlettel fejezheto ki: Wm = µ 0 MH eff

(43)

Miután H eff térerosség függ a demágnesezési koefficienstol, ami összefügg a gél deformációjával, Wm függ a γ -tól mind M -ban mind H eff -ben. Emiatt a ∆G modulusz változása a következo képlettel írható fel:

1  ∂ 2Wm  ∆G = lim   3 γ → 0  ∂γ 2 

(44)

Ezen egyenletek segítségével kiszámolták a ? G értékét numerikus an, amit a 21. ábrán mutatok be.

Elméleti

Kísérleti

21. ábra: Számolt és mért rugalmassági modulusz változás értékei a mágneses tér függvényében.

Az ábrán is jól látható, hogy az általuk számolt rugalmassági modulusz értékek 34-szer nagyobbak, mint a mért értékek.

Japánban a Venture Business Laboratory és a Department of Polimer Science and Engineering csoportok ultrahanggal 10 MHz-es frekvencián vizsgálták a longitudinális moduluszt mágneses részecskékkel töltött poli(vinil-alkohol) (PVA) gélekben [42-44]. Töltoanyagként bárium ferritet (BaFe12 O19 ) használtak. A részecskeméret 45 µm a 32


töltoanyag koncentráció 10 m/m% és 15 m/m% volt. A térhálósító tartalom 0,5 és 2,0 mol% volt. A vizsgálatokat szobahomérsékleten végezték el. A töltoanyagot tartalmazó mintát vízben duzzasztották, majd az egyensúly beállása után 10 kOe (1T) mágneses térbe helyezték a mintákat, így telítették a mágnesezettséget, aminek következtében a tér megszüntetése után a mintáknak eredo mágnesezettsége maradt a részecskék mérete miatt. Háromféle mérési elrendezodést kaptak, melynek a sematikus rajzát a 22. ábrán mutatom be.

22. ábra: Lehetséges mérési elrendezodés. a, mágnesezés elotti; b, c, mágnesezés utáni elrendezodés

Mérték a minták mágnesezés elotti moduluszát (22.a ábra) és a mágnesezés utáni moduluszt. A mágnesezés után két különbözo irányban lehet a moduluszt meghatározni, a maradó mágnesezettségi irányra merolegesen (22.b ábra), és párhuzamosan (22.c ábra). A mintákat különbözo mértékbens deformálták, és mérték a hang terjedési sebességét a mintán belül. Megállapították, hogy a deformáció mértékétol nem függ a mintán belül a hang terjedési sebessége, amit a 23. ábrán mutatok be.

23. ábra: Hang terjedési sebességi a mintán belül különbözo deformáció mellett.

33


A longitudinális moduluszt a következo képlettel számolták: M ' = ρv 2

(45)

ahol ρ a mágneses gél surusége és v a hang terjedési sebessége a mágneses gélben. Az általuk kapott mérési eredményeket a 24., 25. és a 26. ábrákon mutatom be.

24. ábra: Longitudinális modulusz mágneses géleknél, 10 m/m% töltoanyag tartalom és 0,5 mol% térhálósító tartalom mellett. ? : mágnesezés elotti mérések; o: mágnesezés után mérések a, mágnesezettségi vektorral meroleges mérés; b, mágnesezettségi vektorral párhuzamos mérés

25. ábra: Longitudinális modulusz mágneses géleknél, 10 m/m% töltoanyag tartalom és 2,0 mol% térhálósító tartalom mellett. ? : mágnesezés elotti mérések; o: mágnesezés után mérések a, mágnesezettségi vektorral meroleges mérés; b, mágnesezettségi vektorral párhuzamos mérés

34


26. ábra: A longitudinális modulusz a suruség függvényében, o: 10 m/m% és ?: 15 m/m% töltoanyag tartalomnál.

Az ábrákon a ? a relatív deformációt jelöli %-ban. Ez az érték maximum 10% volt. A mérési eredményekbol azt állapították meg, hogy a modulusz értéke függ az általuk vizsgált összes paramétertol. A modulusz no, ha növelik a térhálósító vagy a töltoanyag tartalmat, ill. no a mágnesezés után. Továbbá megállapították, hogy maradó mágnesességi vektorral párhuzamosan mért modulusz érték nagyobb volt, mint abban az esetben, ha erre merolegesen mérték a longitudionális moduluszt.

A Nice- i Egyetemen húzással és dinamikusan is vizsgáltak karbonil- vassal töltött szilikonokat [45]. (A részecskék átlagos mérete 2 µm, a részecskék elrendezodése homogén és szálas szerkezetu volt.) A mérések során megfigyelték, hogy a részecskék szálas szerkezete miatt modulusz növekedés következett be, ami mágneses térrel tovább növelheto. A homogén eloszlású mintáknál azt tapasztalták, hogy a H nem befolyásolja a

∆σ -t, viszont a szálas szerkezetu minták esetében erre igen is nagy hatással van a mágneses tér. A szálas szerkezetnél egyébként is nagyobb volt a σ , de a mágneses tér meg jobban növelte ezt a különbséget. Ezt a növekményt két részre bontották. Egyrészt a preparáció során keletkezett hosszú szálak miatt van egy alap növekmény ( ∆σ i ), már nagyon kis H- nál, másrészt pedig van egy maradék növekmény is ( ∆σ st ) (27. ábra).

35


27. ábra: Húzásos test, φ

= 15% .

28. ábra: Töltoanyag tartalom hatása; H = 123 kA/m.

A 28. ábrán jól látható, hogy a töltoanyag tartalom növelésével no tt a ∆σ , de ez a növekedés nem lineáris egy adott deformációnál. Ez azért érdekes, mert a koncentráció növelésével elviekben lineárisan kellene nonie a láncok számának, és így a ∆σ -nak. A nem lineáris változást azzal magyarázzák, hogy valószínu hogy nagy tömegszázaléknál a struktúra oldal irányban gátolt, és ezért nem tud mindegyiken ugyanúgy érvényesülni a mágneses kölcsönhatás.

36


29. ábra: A feszültség növekedése különbözo tereknél.

A 29. ábrán jól látható, hogy a mágneses tér növelésével a ∆σ is no és minden egyes esetben a megfigyelheto maximum pedig magasabb deformáció irányába tolódik el. Ennek magyarázatára olyan modellt néztek, ami a lokális nyírást nézi egy henger szál közelében. Addig ameddig a deformációval bevitt feszültség nem haladja meg a mágneses térrel bevitt deformációt, addig nem törnek szét a szálak, de ezen felül pedig széttörnek. Ezen modell alapján a hosszú szálak felelosek a ∆σ i -ért, de ezek azonnal el is törnek, szinte nulla deformáció hatására. A szál töredezés a továbbiakban a deformáció hatására folyamatosan megy végbe, és így konstans értéken tartja az átlagos feszültséget. Ha feltételezzük, hogy van néhány rövid szálunk már a kezdetben is, akkor ezeknél szintén lesz egy növekmény, addig még el nem érjük a maximumukat és el nem kezdenek ok is törni. Ezzel magyarázták mind a kezdeti mind pedig a maximális feszültség növekedést.

37


2. CÉLKITUZÉS A szerkezeti anyagok választékának bovülése és az új felhasználó igények megjelenése indította el a funkcionális anyagok kutatását. Külön figyelmet kaptak azok a polimer gélek, melyeknek fizikokémiai tulajdonságait külso mágneses vagy elektromos térrel szabályozhatjuk. A mágneses részecskéket tartalmazó polimer gélek külso mágneses tér hatására képesek akár fizikai munkát is végezni anélkül, hogy kényszerkapcsolat lenne a munkavégzéshez szükséges energiaforrás és a polimer gél között. A BME Fizikai Kémia Tanszékén a Lágy Anyagok Laboratóriumának kutatócsoportja munkájába bekapcsolódva a doktori munkám fo célja annak a kérdésnek a megválaszolása, hogy milyen mértékben növelheto a mágneses izodimenziós töltoanyagot tartalmazó poli(dimetil-sziloxán) elasztomer rugalmassági modulusza statikus mágneses tér hatására. Ennek érdekében különbözo töltoanyag és térhálósító tartalom mellett állítottam elo izotrop és anizotrop elasztomereket. Az eltéro töltoanyag tulajdonságok vizsgálata érdekében az elasztomerekhez karbonil- vas vagy Fe3 O4 részecskéket adagoltam. Szisztematikusan

vizsgáltam

a

mágneses

tér

hatására

bekövetkezett

rugalmassági modulusz változást a különbözo mérési elrendezések mellett, melyek a mágneses tér irányának, az anizotrop mintákban a részecske aggregátumok irányának és a deformáció irányának egymáshoz viszonyított helyzetekbol következnek.

38


3. KÍSÉRLETI RÉSZ 3.1. Kísérleti anyagok A kísérletekhez Elastosil 604 RT A-t (viszkozitás 23 Elastosil 604 RT B-t (viszkozitás 23

o

o

C-on: 800-1200 mPa*s) és

C-on: 400-800 mPa*s) (Wacker Co.)

oligomereket , Tween 65 (Polioxietilén-szorbitán-trisztearát, Merck) felületaktív anyagot (HLB = 10,5) , karbonil- vasat (vas-pentakarbonil termikus bontásával állítják elo, átlagos részecskeméret: 2,5 µm, méreteloszlás: 10% <1,5 µm, 50 % <2,0 µm, 90% <3,5µm, SBET =0,7 m2 /g, BASF, Aktiengesellschaft, Németország) és Fe3 O4 -ot (Bayferrox 318M) (átlagos részecskeméret: 0,2 µm,

SBET =10 m2 /g, Bayer AG,

Németország) további tisztítás nélkül használtam fel. (A mágnesezettségi mérések a KFKI Kísérleti Szilárdtestfizika osztályán készület légkondicionált szobában vibrációsminta (Foner-type) magnetométerrel. 2

M [emu/g]

M [emu/g]

200

1 0

100

-1 -2 -3

-2

-1

0

1

2

3

0 0,0

0,5

1,0

1,5

B [mT]

2,0 B [T]

30. ábra Karbonil-vas mágnesezettségi görbéje.

M [emu/g]

30

M [emu/g]

80

20 10

60

0

40

-10

20

-20 -30 -30 -20 -10

0

10

20

30

0 0,0

B [mT]

0,5

1,0

1,5

2,0 B [T]

31. ábra Fe3 O4 mágnesezettségi görbéje.

39


3.2. Elasztomerek eloállítása

3.2.1. Izotrop elasztomerek eloállítása A poli(dimetil- sziloxán) elasztomerek (továbbiakban PDMS elasztomerek) eloállításához Elastosil 604 RT A és Elastosil 604 RT B anyagokat használtam. Az „A” komponens tartalmazza a polimert ill. a Pt tartalmú katalizátort, a „B” komponens pedig a térhálósítót. A térháló képzodését a 32. ábra szemlélteti. Az „A” komponensben melegen

feloldottam 1 m/m % Tween 65 felületaktív anyagot, majd lehutés után

hozzáadtam a számított mennyiségu töltoanyagot (karbonil- vas,

illetve Fe3 O4

(Bayferrox 318M), melynek koncentrációját 10-30 m/m % között változtattam. A töltoanyagot keveromotorral 600/perc fordulatszámon 5 perc alatt egyenletesen diszpergáltam az elegyben. Ezután a térhálósítás megindításához a reakcióelegyhez hozzáadtam a „B” komponenst, melynek koncentrációját a térhálósítandó mintákban 2,5-3,5 m/m % között változtattam. A reakcióelegyet vízsugárszivattyúval létrehozott vákuumba helyeztem az elegybe kevert levegobuborékok eltávolítása céljából. Ezután a lassan térhálósodó elegyet 18 mm élhosszúságú kocka alakú üvegbol készült öntoformába töltöttem. A térhálósodás szobahomérsékleten 5 óra alatt ment végbe. A térhálósodás befejezodése után a kocka alakú elasztomereket eltávolítottam az öntoformából. A mérésekhez a töltoanyagot nem tartalmazó mintákat ugyanezzel a módszerrel állítottam elo.

40


 R

O





–O– Si–CH=CH2 +



H – Si–R

R

O





–O–Si–CH2 –CH2– Si–R









R

O

R

O



polimer



R – Si–R 

R – Si–R 

Pt-katalizátor

O

O





R – Si–R

R – Si–R





R

O

R







–O– Si–CH=CH2 +

H – Si–R

O

 –O– Si–CH2–CH2 – Si–R









R

O

R

O

polimer





térhálósító

32. ábra Poli(dimetil–sziloxán) gélstruktúra kialakulása.

3.2.2. Anizotrop elasztomerek eloállítása homogén mágneses térben Az elasztomereknek homogén mágneses térben való eloállításával lehetséges anizotrop minták létrehozása. Homogén térben nincsenek vonzó vagy taszító térrészecske kölcsönhatások, ezért a részecske-részecske kölcsönhatások lesznek a meghatározók. Ha a mágneses részecskék kelloképpen közel vannak egymáshoz annyira, hogy külso homogén mágneses tér hatására a részecskék saját mágneses tere el tudja érni a szomszédos részecskét, akkor részecskék között kölcsönhatások lépnek fel. Ennek következtében láncszeru struktúra alakul ki, ahogy ez a 33. ábrán látható. A felvétel optikai mikroszkóppal készült [54].

41


B

a,

b,

33. ábra: Magnetoreológia effektus, karbonil-vas részecskék homogén mágneses térben. a, mágneses részecskék szuszpenziója mágneses tér jelenléte nélkül b, mágneses részecskék szuszpenziója 100 mT homogén mágneses térben

Ha a térhálósítási reakció elég lassú, akkor elegendo ido áll rendelkezésre, hogy a homogén mágneses térben a töltoanyag részecskékbol a tér irányába mutató láncszeru aggregátumok alakuljanak ki. Ez a kialakult szerkezet a térhálósodás során rögzítheto, anizotrop tulajdonságú elasztomereket eredményezve. Az anizotrop elasztomerek mágneses térben történo eloállításához az elozo pontban leírtak szerint jártam el a térhálósítás megindításáig. A reakcióelegyet az öntoformába kitöltés után egy JM-PE-I (JEOL, Japán) típusú elektromágnes homogén erotérbe he lyeztem a térhálósodás befejezodéséig (34. ábra). A mágneses tér erovonalai a kocka alakú minta egyik oldalára merolegesek voltak. Az elektromágnes pólusai henger alakúak, melynek átméroje 15 cm, távolságuk 6 cm. A térhálósodás szobahomérsékleten 5 óra alatt ment végbe.

42


6 cm

B=400 mT

15 cm minta

Az elektromágnes pólusai 34. ábra: Kocka alakú anizotrop PDMS elasztomerek eloállítása mágneses térben.

A térhálósodás befejezodése után a kocka alakú mintát eltávolítottam az öntoformából.

43


3.3. Kísérleti módszerek 3.3.1. Rugalmassági modulusz mérése mágneses tér nélkül Az eloállított kompozit PDMS elasztomerek rugalmassági moduluszát egyirányú összenyomással állapítottam meg egy általam tervezett és épített számítógép vezérelt muszerrel. A mérési elrendezés a 35. ábrán látható. Tanulmányoztam nagy ill. kis deformációs viselkedéseket egyaránt. Annak érdekében, hogy meghatározzam a rugalmassági moduluszt, kis összenyomásnál vizsgáltam a mágneses kompozitokat. Minden mechanikai kísérletet szobahomérsékleten végeztem. A mérendo minta geometriai adatait terhelésmentes állapotban digitális tolómérovel állapítottam meg. Az összenyomás mértékét a léptetomotor segítségével tudtam állítani, melynek ma ximális értéke a mérések során 2 mm volt (a minta magassága átlagosan 1,8 mm). A minta által kifejtett erot a minta alá helyezett mérleg segítségével határoztam meg. A mérés során kapott pozíció-tömeg adatpárokat a számítógép egy megadott file-ban tárolta el, melybol a 1.3. fejezetben leírtak alapján egy általam megírt program számolta ki a rugalmassági moduluszt. A mechanikai mérések szórása 3 % alatt volt.

Mérokar Pozícionáló

Mérleg PC felé

Lépteto motor

35. ábra: Rugalmassági modulusz mérésére használt muszer.

44


0,69 F [N] 0,68 0,67 0,66 0,65 0

5 10 15 20 25 30 35 40 t [s]

36. ábra: Feszültség relaxáció.

A 36. ábrán egy ido feszültség görbe látható konstans összenyomás mellett. Jól látható, hogy az ido függvényében az ero csökken, és egy konstans értékhez tart. A mérések során az ero - összenyomás aránypárokat 30 s után állapítottam meg, mert ezután a feszültség változása olyan kis mértéku volt, hogy az a mérés során elhanyagolható. Így a mérés során kapott adatokat az egyensúlyi állapotnak tekinthetjük.

3.3.2. Rugalmassági modulusz mérése mágneses térben A kompozit elasztomerek rugalmassági moduluszát meghatároztam homogén mágneses térben a 37. ábrán látható kísérleti elrendezodésekben. A rugalmassági moduluszt ebben az esetben is szobahomérsékleten az elozo fejezetben leírtak alapján egyirányú összenyomással határoztam meg. A mágneses tér és az összenyomás egymáshoz viszonyított iránya alapján kétféle mérés lehetséges. A 37.a ábrán látható az az eset, amikor az deformáció iránya meroleges a mágneses tér irányára, a 37.b ábrán pedig ez a két irány egymással párhuzamos.

45


mérokar

minta

mágnes

mérleg

a,

b,

37. ábra: Rugalmassági modulusz mérése mágneses tér függvényében. a: meroleges, b: párhuzamos egymással a mérési irány és a mágneses tér iránya

Az elso esetben egy JM-PE-I (JEOL, Japán) típusú elektromágnest, a második esetben egy a Technoorg kft. által gyártott elektromágnest használtam. A mágneses indukciót Phywe Teslameterrel mérten. Az új muszerek kifejlesztését az indokolta, hogy az általánosan használt szakítógépek köré nem tudtam odaépíteni az elektromágneseket.

46


3.4. Kísérleti elrendezések a rugalmassági modulusz meghatározására 3.4.1. Izotrop

elasztomer

rugalmassági

moduluszának

mérési

elrendezodései a mágneses tér függvényében Az

izotrop

elasztomerek

esetében

a

homogén

részecskeeloszlásnak

köszönhetoen nincs kitüntetett mérési irány, ezért kétféle mérési elrendezés lehetséges az alkalmazott összenyomási ero és a külso mágneses tér irányának egymásho z viszonyított helyzete alapján. A rugalmassági modulusz mágneses tértol való függésének meghatározására a 38. ábrán bemutatott mérési elrendezéseket alkalmaztam.

Fx

Fx B B

a,

b,

38. ábra: Izotrop elasztomerek rugalmassági moduluszának meghatározása a mágneses tér és az alkalmazott összenyomó ero irányának függvényében. Fx az x irányú összenyomás, B a mágneses tér iránya a mérés során.

A 38.a ábrán azt a lehetoséget mutatom be, amikor a mágneses tér és az összenyomás iránya egymásra meroleges. Ebben az esetben az izotrop elasztomer rugalmassági moduluszait B=0-400 mT térerosség között határoztam meg. A 38.b ábrán e két irány egymással párhuzamos.

Ebben a mérési

elrendezodésben az elasztomer rugalmassági moduluszait B=0-100 mT térerosség között határoztam meg, mivel az elektromágnes nagyobb térero elérésére nem volt alkalmas.

47


3.4.2. Anizotrop elasztomerek rugalmassági moduluszának mérési elrendezései a mágneses tér függvényében Az anizotrop elasztomerek rugalmassági moduluszát két különbözo irányból mérhetjük. Az egyik esetben az alkalmazott összenyomás iránya meroleges a részecskeszerkezetre, a másik esetben az ero iránya párhuza mos ezzel a kialakult szerkezettel. Ez a fajta mérési elrendezés a 39. ábrán látható.

Fx

Fx

39. ábra: Mechanikai anizotropia vizsgálata ugyanazon mintán elvégzett egyirányú összenyomással.

A részecske aggregátumok irányát is figyelembe véve az anizotrop elasztomerek mágneses tértol való függését ötféleképpen határozhatjuk meg, ahogy az a 40. és 41. ábrákon is látható.

Fx

Fx

Fx B

B B a,

b,

c,

40. ábr a: Anizotrop elasztomerek rugalmassági moduluszának meghatározása, a részecskeszerkezetre merolegese ero irány esetében a mágneses tér irányának függvényében.

48


A 40.a ábrán az az elrendezodés látható, amikor a mágneses tér iránya és a kialakult részecskeszerkezet iránya egymással párhuzamos, de a mágneses tér iránya meroleges az ero irányára. Ebben az esetben a rugalmassági moduluszokat B=0-400 mT térerosség között határoztam meg. A 40.b ábrán a mágneses tér meroleges a részecskeszerkezetre, és meroleges az ero irányára is. Ebben az esetben a rugalmassági moduluszokat B=0-100 mT térerosség között határoztam meg. 100 mT-nál nagyobb mágneses téreroség a mintát „beforgatja” a mágneses tér irányába, úgy hogy a mintában kialakult láncszeru aggregátumok iránya megegyezzen a tér irányával. Ezért a méréseket 100 mT-nál kisebb térerosségig tudtam elvégezni. A 40.c ábrán azt az esetet látjuk, amikor a mágneses tér meroleges a láncszeru szerkezetre és párhuzamos az ero irányával. Ebben az esetben a rugalmassági moduluszokat B=0-100 mT térerosség között határoztam meg. Itt a méréstartományt az elektromágnes teljesítménye határozta meg. A 41. ábrán azokat a mérési elrendezodéseket mutatom be, amikor az ero iránya párhuzamos a részecskeszerkezettel.

Fx

Fx B

B

a,

b,

41. ábra: Anizotrop elasztomerek rugalmassági moduluszának meghatározása, a részecskeszerkezettel páthuzamos ero irány esetében a mágneses tér irányának függvényében.

A 41.a ábrán a mágneses tér iránya meroleges az a részecskeszerkezetre és meroleges az ero irányára. A 41.b ábrán mindhárom irány párhuzamos egymással. Mindkét mérési elrendezodésnél a rugalmassági moduluszokat B=0-100 mT térerosség között határoztam meg. Az „a” elrendezésnél a mérési határt a mágneses tér „forgató” hatása szabta meg, míg a „b” esetben az elektromágnes teljesítménye határozta meg a mérési tartományt.

49


4. EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK 4.1. A kísérleti eredmények értelmezése A következo fejezetekben bemutatom, hogy a karbonil- vas ill. a Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó izotrop és anizotrop kompozit elasztomerek rugalmassági modulusza hogyan változik meg külso homogén mágneses tér hatására. Az itt leírt elméleti megfontolások részben a mérési eredmények analízise során megállapítgató összefüggésekbol adódnak, de ennek ellenére ezzel kezdem el munkám tárgyalását, mert a mérési eredmények magyarázatánál felhasználom az itt leírt összefüggésbol kapott értékeket [55]. A rugalmassági modulusz a 41. egyenlet alapján két részre bontható: G ( B ) = G 0 + GME ( B )

(46)

ahol G0 a minta tér nélkül mért rugalmassági modulusza, a GME ( B ) pedig a mágneses tér hatására bekövetkezett rugalmassági modulusz növekedés. Ez a plusz érték a töltoanyag koncentrációjától, minoségétol ill. a különbözo lehetséges térbeli elrendezodésektol valamint a mágneses térnek az eroségétol függ. Munkám során vizsgáltam, hogyan lehetne a rugalmassági modulusz növekedést analitikusan kiszámítani.

Ez egy

meglehetosen bonyolult

feladat,

mivel

a

demágnesezési koefficiens nem adható meg analitikus formában, és nagyban függ a mágneses részecskék eloszlásától. Korábbi munkákban a GME ( B ) -t úgy számolták ki, hogy egy közelíto formulát használtak a demágnesezési koefficiensre [15], egy egyszeru lineáris kapcsolatot feltételezve a mágnesezettség és az erotér között M = χ H eff . Elméleti megfontolásokból következik [15], hogy kis térerosség mellett a rugalmassági modulusz tér hatására bekövetkezett növekedése négyzetesen arányos az indukcióval: GME ( B) ∝ B 2 . Nagy térerosség mellett miután a mágnesezettség telítodik nem várható a rugalmassági modulusz további növekedése, így a modulusz egy telítési értékhez fog tartani: lim GME ( B) = GM , ∞ . B →∞

Ha az elobb említett eseteket két szélso kritériumnak vesszem, akkor a rugalmassági modulusz növekedését a következezo fenomenológikus egyenlettel írhatom le:

50


G ( B) = GM ,∞ E M

B2 aB + B2

(47)

ahol a B és a GM , ∞ egy adott mérési elrendezés mellett az anyagra jellemzo paraméter. Kis téreronél, amikor B << aB a 47. egyenletben a GME ( B ) egy négyzetes függést mutat a mágneses tértol: GM ,∞

GME ( B) ≅

aB

B2

(48)

Nagy térerosségnél, amikor a B << B , akkor a 47. egyenletben a GME ( B ) független a mágneses tértol:

GME ( B) ≅ GM , ∞

(49)

Ezek alapján belátható, hogy a 47. egyenlet mindkét felállított szélso kritériumnak megfelel. A 47. egyenlet paraméterei ( a B és GM , ∞ ) az egyenlet linearizációjával adhatók meg: B2 a 1 = B + B2 E G M ( B) GM ,∞ GM , ∞

(50)

Ha ábrázoljuk a B2 függvényében a B2 / GME ( B ) -t, akkor a kapott pontokra illesztett egyenes meredekség megadja 1/ G M , ∞ értékét, a tengelymetszet pedig a a B / GM , ∞ -t. A 42. ábrán látható egy kísérleti adatok ilyen fajta ábrázolása. B2 103 E GM ( B)  ( mT )2     kPa 

B2 G (B ) E M

 (mT )2     kPa 

6

400

4

200

2

0 0,0

0 0,5

1,0

1,5 5

2

0 2

10 B [( mT ) ]

42. ábra: A

5

10 3

2

10 B [( mT ) 2 ]

B2 / GME ( B ) B2 -tol való függése. 51


A linearizált függvényre illesztett egyenes paraméteribol meghatároztam az a B és a GM , ∞ értékeket. A 43. ábrán mutatom be, hogy hogyan függ a GME ( B ) a mágneses tértol.

GEM(B) [kPa]

8

Fx 6 4 30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

2

B

0 0

100

200

300 400 B [mT]

43. ábra: 3,5 m/m % térhálósító tartalmú anizotrop elasztomerek mágneses tér hatására bekövetkezett E

rugalmassági modulusz növekedése GM ( B ) különbözo karbonil-vas töltoanyag tartalom mellett.

A 43. ábrán ábrázolt pontok a mérési eredményekbol számított értékeknek felelnek meg ( GME ( B) = G ( B ) − G0 , ahol G0 a tér nélkül mért rugalmassági modulusz), a görbék pedig a 47. egyenletbol adódnak. Látható, hogy a fenomenológikus egyenletbol kapott értékek a kísérleti hibán belül jól illeszkednek a mért adatokra. A következo fejezetben azokon az ábrákon, ahol a mágneses tér hatására bekövetkezett rugalmassági modulusz növekedést ábrázolom, az ott látható görbéket a mérési adatokból számolt a B és GM , ∞ paraméterek értékébol határoztam meg. Azokon az ábrákon is jól látható a kísérleti hibán belüli egyezés. Az a B értéke a felírható görbe alakját határozza meg, a GM , ∞ értéke pedig a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedést. A különbözo esetekben számított a B , GM , ∞ értékeket az 1. függelékben mutatom be.

52


4.2. Izotrop kompozit elasztomerek Munkám során sikerrel állítottam elo olyan diszperziókat, amelyek eros magnetoreológiai (MR) tulajdonsággal rendelkeznek. A karbonil- vas és a Fe3 O4 (Bayferrox 318M) részecskéket tartalmazó diszperziók MR aktivitása kísérleti megfigyelésekkel igazolható. Az izotrop tulajdonságú elasztomerek eloállításánál a diszperzióban a részecskéket poli(dimetil-sziloxán) térhálóban rögzítettem. Az elasztomerben a részecskék homogén eloszlást mutattak, ami izotrop mechanikai tulajdonságú anyag kialakulását eredményezte. A 44. ábrán mutatom be a különbözo töltoanyagokat tartalmazó kocka alakú szilikon elasztomereket.

a,

b,

c,

44. ábra: Különbözo töltoanyagot tartalmazó poli(dimetil-sziloxán) elasztomerek. Töltoanyag: a, -; b, karbonil-vas; c, Fe3 O4 (Bayferrox 318)

Szisztematikusan vizsgáltam karbonil- vas és Fe3 O4 részecskéket tartalmazó izotrop poli(dimetil- sziloxán) elasztomereket a töltoanyag tartalom és a térhálósági fok változtatása mellett. Meghatároztam a rugalmassági moduluszok értéket mágneses tér jelenléte nélkül és külso homogén mágneses térben a térerosség függvényében. A következo fejezetekben ezen eredményekbol kiemelek egyes mintákat, majd ezeken keresztül mutatom be a mérési eredményeket és azok értelmezését. A többi mérési eredményt mivel azok tendenciában és jellegben megegyeznek a bemutatottakkal, ezért ezeket itt most nem tárgyalom.

53


4.2.1. Izotrop elasztomerek mágneses tér nélküli vizsgálata 4.2.1.1. Karbonil-vas

töltoanyagot

tartalmazó

izotrop

PDMS

elasztomerek A mechanikai vizsgálatok során megállapítottam, hogy a töltoanyag tartalom növelésével no az izotrop tulajdonságú elasztomer rugalmassági modulusza. Továbbá, hogy a térhálósító tartalom növelésével szintén növelheto a rugalmassági modulusz értéke. Néhány mérési eredményt a 45-46. ábrákon mutatok be. G=9,95±0,07 kPa

4 σn [kPa]

σn /D [kPa]

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

C2 ≅ 0kPa

10

3

C2 ≅ 0kPa G=8,5±0,02 kPa

2

5

Fx

1 G=4,65±0,03 kPa

0 0,0

0,1

0,2

0,3 D

0,4

0 1,00

C2 ≅ 0kPa

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

1,05

1,10 λ

a,

-1

b,

45. ábra: 3,0 m/m % térhálósító tartalmú izotrop elasztomere k rugalmassági modulusza a neo-Hooke és a Mooney-Rivlin ábrázolásban különbözo karbonil-vas töltoanyag tartalom mellett.

A 45.a ábrán 3 m/m% térhálósító tartalom mellett különbözo mennyiségu karbonil- vas töltoanyagot tartalmazó PDMS elasztomerek nominális feszültségének D = −(λx − λx−2 ) mennyiségtol való függése látható. A mérési pontokra illesztett

egyenes értéke adja a rugalmassági moduluszt, melyet az ábrán szintén feltüntettem. A 45.b ábrán az a ábra Mooney-Rivlin féle értelmezése látható. Ideális viselkedésu rendszerek esetében σ n / D

mennyiség λx−1 függvényében történo

ábrázolásakor a kapott pontokra illesztett egyenes meredeksége nulla (26. egyenlet). A meredekség nulla értéktol való eltérése a reális viselkedés jellemzoje.

54


G=21,65±0,11 kPa

8 σn [kPa]

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

30 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

σn/D [kPa]

6

20

4

C2 ≅ 0kPa

Fx

G=8,5±0,02 kPa

C2 ≅ 0kPa

10

2 0 0,0

G=4,62±0,03 kPa

0,1

0,2

0,3 D

0 1,00

0,4

C2 ≅ 0kPa 1,05

1,10

1,15 -1

λ

a,

b,

46. ábra: 20 m/m % karbonil-vas töltoanyagot tartalmazó izotrop elasztomere k rugalmassági modulusza a neo-Hooke és a Mooney-Rivlin ábrázolásban különbözo térhálósító tartalom mellett.

A 46. ábrán 20 m/m% karbonil- vas töltoanyagot tartalmazó PDMS elasztomerek rugalmassági modulusza látható különbözo térhálósító tartalom mellett. A rugalmassági modulusz értékek az ábráról leolvashatók. A 46.b ábrán is jól látható, hogy a karbonilvas tartalmú izotrop elasztomerek a mérési tartományban és a hibahatárom belül ideális viselkedést mutatnak. Munkám során vizsgáltam, hogy a mérés során az összenyomáskor mért értékek megegyeznek-e ha visszafelé is mérünk, azaz a mérés során tapasztalható e hiszterézis. A hiszterézis görbe pontjait mindig a mechanikai egyensúlyt megvárva határoztam meg.

2,0

σn [kPa]

1,5 1,0 0,5 0,0 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4 D

47. ábra: Izotrop karbonil-vas tartalmú elasztomer hiszterézis vizsgálata.

55


A 47. ábrán a nominális feszültség (σ n ) a D mennyiségtol való függése látható összenyomásnál ill. a vissza felé való mérés során. Jól látható, hogy a mérési pontok a mérési hibahatáron belül azonosak, hiszterézis nem tapasztalható.

4.2.1.2. Fe3O4 töltoanyagot tartalmazó izotrop PDMS elasztomerek Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó izotrop PDMS elasztomerek esetében is vizsgáltam ezen anyagok rugalmassági moduluszát a töltoanyag és a térhálósító tartalom függvényében. A mérési eredmények a 48. és a 49. ábrákon láthatók.

5 σn [kPa] 4

G=17,98±0,02 kPa G=18,78±0,09 kPa

σ n/D [kPa]

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

C2 ≅ 0kPa

20

3 G=13,1±0,17 kPa

2

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

1 0 0,0

25

0,1

0,2

0,3

C2 ≅ 0kPa

Fx15 0,4

1,00

C2 ≅ 0kPa 1,05

1,10 λ

D

a,

-1

b,

48. ábra: 3,0 m/m % térhálósító tartalmú izotrop elasztomere k rugalmassági modulusza a neo-Hooke és a Mooney-Rivlin ábrázolásban különbözo Fe3 O4 töltoanyag tartalom mellett.

56


10

G=25,12±0,05 kPa

σ n [kPa]

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

8

25

C2 ≅ 0kPa

σ n/D [kPa]

20

6 4

15

G=17,98±0,02 kPa

2

C2 ≅ 0kPa C2 ≅ 0kPa

Fx 10

0 0,0

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

G=7,30±0,02 kPa

0,1

0,2

0,3

5 1,00

0,4 D

1,05

1,10 λ

a,

-1

b,

49. ábra: 20 m/m % Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó izotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a neoHooke és a Mooney-Rivlin ábrázolásban különbözo térhálósító tartalom mellett.

A 48.a és 49.a ábrákon feltüntettem a különbözo izotrop kompozitok rugalmassági moduluszát. Megfigyelheto, hogy mind a töltoanyag tartalom, mind a térhálósági fok növelésével no a rugalmassági modulusz értéke. Az 48.b és 49.b ábrákon a Mooney-Rivlin féle értelmezés látható. Itt is jól megfigyelheto, hogy ezen kompozit elasztomerek a vizsgált tartományban és a mérési hibahatáron belül ideális viselkedést mutatnak. Hiszterézis vizsgálatok során megállapítottam, hogy a vizsgált tartományban és hibahatárom belül nem mutatnak kimutatható mechanikai hiszterézist (50. ábra)

4 σ n [kPa] 3 2 1 0 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4 D

50. ábra: Izotrop Fe3 O4 töltoanyag tartalmú elasztomer hiszterézis vizsgálata.

57


Összefoglalásként megállapítható, hogy mind a karbonil- vas mind a Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó izotrop PDMS elasztomerek esetében a rugalmassági modulusz értéke no mind a töltoanyag tartalom mind a „B” komponens növe lésével. A vizsgált tartományban és hibahatáron belül ideális viselkedést mutatnak, és nem tapasztalható hiszterézis.

4.2.2. Izotrop elasztomerek vizsgálata homogén mágneses térben Munkám során vizsgáltam a különbözo térhálósági fok és töltoanyag tartalom mellett a karbonil- vas és Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó izotrop tulajdonságú poli(dimetil-sziloxán)

elasztomerek

rugalmassági

moduluszát

mágneses

tér

függvényében. A következokben a különbözo töltoanyag és térhálósító tartalmú elasztomerek rugalmassági moduluszainak értéke látható a mágneses tér függvényében, különbözo mérési elrendezések mellett, melyeket a 3.4.1. fejezetben már ismertettem. Az egyes ábrákon feltüntetem a 47. egyenletbol kapott GM , ∞ értékeket is.

4.2.2.1. Karbonil-vas

töltoanyagot

tartalmazó

izotrop

PDMS

elasztomerek Az 51. és az 52. ábrákon jól látható, hogy a rugalmassági modulusz értékek a mágneses tér intenzitásának növelésével kismértékben növelhetok. Továbbá az 51.a és a 52.a ábrákról leolvasható, hogy a rugalmassági moduluszok értéke 200 mT térerosségig növekszik, majd utána közel konstanssá válik. Az eredmények alapján megállapítottam, hogy a mágneses tér hatására a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedés ( GM , ∞ ) mind a térhálósító tartalom, mind a töltoanyag tartalom növelésével no. Továbbá, abban az esetben, ha a mágneses tér és az ero iránya egymásra meroleges, akkor a GM , ∞ értéke nagyobb, mint akkor amikor e két irány egymással párhuzamos. A 100 mT- ig mért méréseknél a GM , ∞ értékeket extrapolációval határoztam meg, melynek alapját az szolgáltatja, hogy a számított adatok 100 mT értékig jól egyeznek a mért adatokkal. 58


16 G(B) [kPa] 14

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

12

GM , ∞ = 1,90 kPa

10

GM , ∞ = 1,35kPa

8 6

GM ,∞ = 1,02 kPa

4 0

100

200

G(B) 14 [kPa] 12

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

10

GM , ∞ = 1,58kPa

8

GM , ∞ = 0,93kPa

6

GM , ∞ = 0,47 kPa

4

300 400 B [mT]

0

20

40

60

80 100 B [mT]

Fx

B

Fx

B a,

b,

51. ábra: 3,0 m/m % térhálósító tartalmú izotrop elasztomere k rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo karbonil-vas töltoanyag tartalom mellett.

28

28

G(B) 24 [kPa] 20

G(B) 24 [kPa] 20

GM , ∞ = 1,99 kPa 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

16

GM ,∞ = 1,60 kPa 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

16

12

12

8

GM , ∞ = 1,35kPa

8

GM , ∞ = 0,93kPa

4

GM ,∞ = 0,51kPa

4

GM , ∞ = 0,27 kPa

0

100

200

300 400 B [mT]

0

20

40

60

Fx

B

80 100 B [mT]

Fx

B a,

b,

52. ábra: 20 m/m % karbonil-vas töltoanyagot tartalmazó izotrop elasztomere k rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo térhálósító tartalom mellett

59


4.2.2.2. Fe3O4 töltoanyagot tartalmazó izotrop PDMS elasztomerek A Fe3 O4 töltoanyag tartalmú elasztomerek esetében az eredményekbol megállapítható, hogy a mágneses tér hatására kismértékben no az elasztomerek rugalmassági modulusza, melyeket az 53-54.-es ábrák is türköznek.

GM , ∞ = 1,36 kPa

G(B) [kPa]20

GM , ∞ = 2,31kPa

G(B) [kPa]20

GM , ∞ = 0,93kPa 15

GM , ∞ = 1,83kPa 15

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

10 0

100

GM ,∞ = 1,29kPa

GM , ∞ = 0,72 kPa 30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

10 200

300 400 B [mT]

0

20

40

60

Fx

B

80 100 B [mT]

Fx

B a,

b,

53. ábra: 3,0 m/m % térhálósító tartalmú izotrop elasztomere k rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo Fe3 O4 töltoanyag tartalom mellett.

60


GM ,∞ = 1,46kPa

G(B) 25 [kPa] 20

GM , ∞ = 0,93kPa 15

G(B) [kPa]

30

GM , ∞ = 2,60 kPa

25 20

GM , ∞ = 1,83kPa

15 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

10

10

GM , ∞ = 0,47 kPa

5 0

100

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

200

300 400 B [mT]

GM , ∞ = 0,85kPa

5 0

20

40

60

Fx

B

80 100 B [mT]

Fx

B a,

b,

54. ábra: 20 m/m % Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó izotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo térhálósító tartalom mellett.

A mérési eredmények megmutatják, hogy a Fe3 O4 tartalmú poli(dimetilsziloxán) elasztomereknél is a töltoanyag tartalom és a térhálósági fok növelésével no a mágneses tér hatására a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedése ( GM , ∞ ). Továbbá, ha a mágneses tér iránya és az összenyomás iránya egymással párhuzamos, akkor a GM , ∞ értéke nagyobb, mint akkor, amikor ezek az irányok egymásra merolegesek. Jól látható, hogy ellentétes eredményt kaptunk a GM , ∞ érték mágneses tér- összenyomás irány függésére, mint a karbonil- vas töltoanyagot tartalmazó elasztomerek esetében. Az izotróp elasztomereknél az eltéro viselkedést a részecskék eltéro mágneses és határfelületi tulajdonságaik okozzák. Az 53.a és az 54.a ábrán is megfigyelheto, hogy a rugalmassági modulusz értéke 200 mT térerosségig növekszik, majd utána közel konstansá válik.

61


4.3. Anizotrop kompozit elasztomerek Munkám során 400 mT homogén mágneses térben térhálósított karbonil- vas és Fe3 O4 töltoanyag tartalmú poli(dimetil- sziloxán) elasztomereket vizsgáltam. Az eloállításánál a MR jelenség során a diszperziókban kialakuló láncokból és fonalakból álló szerkezetet a térhálóban rögzítettem, ily módón anizotrop mechanikai tulajdonságú kompozitokat kaptam. Megmértem ezen kompozitok rugalmassági moduluszát mágneses tér jelenléte nélkül és különbözo külso homogén mágneses térben az egyes mérési elrendezések mellett, melyeket a 3.4.2. fejezetben már ismertettem. Továbbá vizsgáltam a részecskepolimer kölcsönhatásnak a jelenségét is [56-57]. A

gyakorlatban

a

rugalmassági

vizsgálatokat

általában

henger

alakú

próbatesteken végzik el. Esetemben a kocka alakú próbatestek használatát az indokolja, hogy ily módon egy mintán belül lehet vizsgálni a mechanikai anizotropia mértékét az elasztomerben kialakult szálakra meroleges, illetve a szálakkal párhuzamos irányban.

4.3.1. Anizotrop elasztomerek mágneses tér nélküli vizsgálata A mérések során kétféle módon határoztam meg a rugalmassági moduluszt. Az egyik esetben a mérés során az összenyomás iránya párhuzamos volt a kialakult részecskeszerkezettel, a másik esetben pedig e két irány egymásra meroleges volt. Az ábrákon feltüntettem a különbözo minták rugalmassági modulusz értékeket.


töltoanyagot

tartalmazó

anizotrop

PDMS

elasztomerek Mérési eredményekbol megállapítható, hogy a rugalmassági modulusz értéke mindkét mérési elrendezodés mellett no a térhálósági fok, valamint a töltoanyag tartalom növelésével. A mérési eredmények az 55-58. ábrákon láthatók.

62


18

σn [kPa]

G=54,25±0,16 kPa

15 12

C2 = −101,01kPa

40

G=39,00±0,19 kPa

9 6

C2 = −35,71kPa

20

3 0 0,0

C2 = −47,11kPa

60

σ n/D [kPa]

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

Fx

G=31,93±0,06 kPa

0,1

0,2

0,3

0 1,00

0,4

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

1,05

D

a,

1,10

1,15 λ

b,

-1

55. ábra: 3,5 m/m % térhálósító tartalmú anizotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a neo-Hooke és a Mooney-Rivlin ábrázolásban különbözo karbonil-vas töltoanyag tartalom mellett.

σn [kPa] 8

6

G=24,06±0,07 kPa 35 G=26,00±0,14 kPa σ n/D [kPa] 30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

30

C2 = −10,58kPa 25

4

20

2 0 0,0

C2 = −1,34kPa

G=20,20±0,04 kPa

Fx 0,1

0,2

0,3

a,

C2 = −5,69kPa

15 1,00

0,4 D

1,05

1,10

1,15 λ

b,

-1

56. ábra: 3,5 m/m % térhálósító tartalmú anizotrop elasztomere k rugalmassági modulusza a neo-Hooke és a Mooney-Rivlin ábrázolásban különbözo karbonil-vas töltoanyag tartalom mellett.

18

σn [kPa]

G=54,25±0,16 kPa

15 12

60

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

G=31,27±0,25 kPa

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

40

9 6

C2 = −58,92kPa

20

3 0 0,0

C2 = −47,11kPa

σ n/D [kPa]

Fx

G=21,10±0,08 kPa

0,1

0,2

a,

0,3

0,4 D

0 1,00

C2 = −73,43 kPa 1,05

1,10

b,

1,15 λ

-1

57. ábra: 30 m/m % karbonil-vas töltoanyagot tartalmazó anizotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a neo-Hooke és a Mooney-Rivlin ábrázolásban különbözo térhálósító tartalom mellett.

63


σn [kPa] 8

40

σ n/D [kPa]

G=26,00±0,14 kPa 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

30

6

G=14,00±0,06 kPa

4 2 0 0,0

20

C2 = −10,58kPa

10

C2 = −8,91kPa

Fx G=7,31±0,04 kPa

0,1

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

0,2

0,3

a,

0,4

0 1,00

D

C2 = −14,62kPa 1,05

1,10

b,

1,15 λ

-1

58. ábra: 30 m/m % karbonil-vas töltoanyagot tartalmazó anizotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a neo-Hooke és a Mooney-Rivlin ábrázolásban különbözo térhálósító tartalom mellett.

Az 55-58.b ábrákon a Mooney-Rivlin féle értelmezésbol látható az eltérés az ideális viselkedéstol. Megállapítottam, hogy mind a szállakkal párhuzamos, ill. meroleges deformáció esetében a C2 paraméterre negatív értéket kapunk (26. egyenlet), és a szálakkal párhuzamos méréseknél a C2 paraméter értéke minden esetben jóval kisebb, mint a szálakra meroleges mérésnél kapott értéknél. Az 55. és az 57. ábrákon jól megfigyelheto, hogy ha a kialakult szálakkal párhuzamos a mintát összenyomó ero, akkor a σ n − D függvényen egy töréspont jelenik meg. E töréspont jellemzésével és magyarázatával a 4.3.1.3. fejezetben foglalkozom részletesebben. A Mooney-Rivlin ábrázolásban az egyeneseken tapasztalható törés is ezzel a jelenséggel magyarázható.

Vizsgáltam a hiszterézis jelenségét mind a szálakra meroleges, mind párhuzamos ero irányokban is. Ezekben az esetekben ellentétben az izotrop mintákkal, tapasztaltam hiszterézist, melyet az 59. ábra szemléltet.

64


5 σ n [kPa]

2,0

σ n [kPa]

4

1,5

3 2

1,0

1

0,5

0 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4 D

0,0 0,0

0,1

a,

0,2

0,3

0,4 D

b,

59. ábra: Hiszterézis jelensége anizotrop minták esetében. a, szálakkal párhuzamos-; b, szálakra meroleges összenyomásnál

A szálakkal párhuzamos összenyomás során a hiszterézis jelenség várható volt a szálak összetörése miatt, de a szálakra meroleges mérésnél ezt a jelenséget nem vártam. A hiszterézis ebben az esetben azzal magyarázható, hogy a részecskék az összenyomás hatására egymás mellé csúsznak. Ilyenkor a mért feszültség két részbol tevodik össze: polimer által kifejtett erobol és a részecskék egymás mellé „préseléséhez” szükséges erobol. A deformáció csökkenése során a mintára nem hat húzó ero, ezért az eredeti állapot felé való törekvést csak polimer láncok segítik elo. Így a mért ero a polimer láncok által kifejtett ero és a részecskék eredeti helyzetébe való visszarendezéséhez szükséges ero különbsége, mert ez a két ero itt egymással ellentétes irányú. Ha a kialakult szállak iránya és az ero iránya megegyezett, akkor a rugalmassági moduluszt minden egyes esetben az összetörés elotti mért adatokból határoztam meg.

4.3.1.2. Fe3O4 töltoanyagot tartalmazó anizotrop PDMS elasztomerek Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó anizotrop elasztomerek esetében megállapítottam, hogy mind a kialakult szálakra merolegesen, mind párhuzamosan mért rugalmassági modulusz no a töltoanyag tartalom és a térhálósági fok növelésével. A mérési eredményeket a 60-63. ábrákon mutatom be.

65


18

σ n [kPa]

150

σ n/D [kPa]

G=88,88±0,65 kPa

15

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

120

G=73,80±0,50 kPa

12

C2 ≅ 0kPa

90

9 60

6

G=38,27±0,15 kPa

3

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

0 0,0

0,1

0,2

0,3

C2 ≅ 0kPa

30

C2 ≅ 0kPa

Fx 0 1,00

0,4 D

1,05

a,

1,10

1,15 λ

b,

-1

60. ábra: 3,5 m/m % térhálósító tartalmú anizotrop elas ztomerek rugalmassági modulusza a neo-Hooke és a Mooney-Rivlin ábrázolásban különbözo Fe3 O4 töltoanyag tartalom mellett.

σ n [kPa]

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

15

G=50,07±0,14 kPa

60

σn /D [kPa] G=37,32±0,48 kPa

40

10

5

G=30,12±0,08 kPa

20

C2 = −36,54kPa C2 = −30,22 kPa C2 = −24,26 kPa 30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

Fx 0 0,0

0,1

0,2

0,3

a,

0,4 D

0 1,00

1,05

1,10

1,15 -1

λ

b,

61. ábra: 3,5 m/m % térhálósító tartalmú anizotrop elasztomere k rugalmassági modulusza a neo-Hooke

18 σ n [kPa] 15

és a Mooney-Rivlin ábrázolásban különbözo Fe3 O4 töltoanyag tartalom mellett. G=88,88±0,65 kPa

90

12

G=61,02±0,75 kPa

9

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

C2 ≅ 0kPa

60

C2 ≅ 0kPa

6

G=29,25±0,28 kPa

3

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

0 0,0

σ n/D [kPa]

0,1

0,2

a,

0,3

C2 ≅ 0kPa

Fx 0,4

D

30

0 1,00

1,05

1,10

b,

1,15 λ

-1

62. ábra: 30 m/m % Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó anizotrop elasztomere k rugalmassági modulusza a neo-Hooke és a Mooney-Rivlin ábrázolásban különbözo térhálósító tartalom mellett.

66


σn [kPa]

15

G=50,07±0,14 kPa 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

σn /D [kPa]

60

40

10 G=25,64±0,11 kPa

C2 = −36,54kPa 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

C2 = −27,68kPa 20

5

Fx 0 0,0

G=11,29±0,03 kPa

0,1

0,2

0,3

a,

0,4 D

0 1,00

C2 = −7,58kPa 1,05

1,10

1,15 -1

b,

λ

63. ábra: 30 m/m % Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó anizotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a neo-Hooke és a Mooney-Rivlin ábrázolásban különbözo térhálósító tartalom mellett.

A 60.b és a 62.b ábrán jól látható, hogy ha a kialakult szálakkal párhuzamosan végzem a mérést, akkor a karbonil- vas töltoanyagot tartalmazó mintákkal ellentétben itt a hibahatáron belül nem tapasztalható eltérés az ideális viselkedéstol az általam vizsgált deformációs tartományban. Ha a szálakkal merolegesen végzem a mérést (61. és 63. ábra), akkor C2 paraméterre negatív értéket kapok, ahogy ez a karbonil- vassal töltött minták esetében is megfigyelheto volt. A karbonil- vasat tartalmazó minták esetében - ha a szálakkal párhuzamos a deformáció során - a szálak egy adott deformáció s érték után összetörnek. A Fe3 O4 -t tartalmazó minták esetében a vizsgált deformációs tartományon belül nem tapasztaltam az ideálistól eltéro viselkedést, ezért ezeket a mintákat nagyobb deformációs tartományban is vizsgáltam. Az eredményekkel és magyarázatukkal a 4.3.1.3. fejezetben foglalkozom részletesebben. A Fe3 O4 töltoanyag tartalmú anizotrop poli(dimetil-sziloxán) elasztomerek esetében is vizsgáltam a mérés során fellépo hiszterézis jelenséget, melyet a 64. ábrán mutatok be.

67


10 σ n [kPa] 8

4 σ n [kPa] 3

6 2

4 1

2 0 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 0,0

0,1

0,2

D

a,

0,3

0,4 D

b,

64. ábra: Hiszterézis jelensége anizotrop minták esetében. a, szálakkal párhuzamos; b, szálakra meroleges összenyomásnál

A minta egyirányú összenyomása során kapott adatpárokat ábrázolva a σ n − D függvény ideális viselkedése látató, ezért mindkét esetben a hiszterézis jelensége a karbonil- vas

töltoanyagot

tartalmazó

elasztomereknél

ismertetett

elképzeléssel

magyarázható (4.3.1.1. fejezet).

4.3.1.3. Részecske-polimer

kölcsönhatás

hatása

az

anizotrop

szerkezetre Az elozo fejezetben karbonil- vas ill. Fe3 O4 tartalmú anizotrop PDMS elasztomerek rugalmassági moduluszának vizsgálatával foglalkoztam. A mérések során megállapítottam, hogy a karbonil- vasat tartalmazó anizotrop elasztomerek deformációja során a σ n − D függvényen az adott mintára jellemzo deformációnál (λt ) töréspont jelenik meg, ahogy az az 55. és az 57. ábrákon is jól látható. Az eloállítás során kialakult és rögzített láncszeru részecske aggregátumok törését - a deformáció hatására - a 65. sematikus ábra és a 66. ábrán látható kép sorozat szemlélteti.

68


λ ≈1

λt < λ < 1

λ < λt

65. ábra: Sematikus rajz a karbonil-vas tartalmú mintáknál tapasztalható szál összetörésre.

66. ábra: Kép sorozat a karbonil-vas tartalmú mintáknál tapasztalható szál összetörésrol.

A töréspont vizsgálatára bevezettem a látszólagos elasztikus moduluszt (Ga ), amit a következoképpen definiálok: Ga =

∂σ n ∂D

(51)

Így a Ga értékek megadják az egyes egyenesek meredekségét, aminek segítségével be lehe t bizonyítani, hogy a szálak tényleg összetörnek-e. A Ga értékek a D függvényében a 67. ábrán láthatók. 60 Ga [kPa] 50

Fx

40

Fx

30 20 10 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4 D

67. ábra: A látszólagos elasztikus modulusz anizotrop minta esetében. Térhálósító tartalom: 3,5m/m%; karbonil-vas tartalom: 30 m/m%

69


Az ábrán jól megfigyelheto, hogy amikor a szálakra merolegesen mértem akkor a Ga értékek egy vízszintes mentén helyezkednek el, míg a szálakkal párhuzamos mérésnél egy szakadás látható a kapott Ga értékekben. Az adott mintára jellemzo deformáció után, lecsökken a minta rugalmassági modulusza, ez a szá llak összetörését igazolja.

Fe3 O4 részecskéket tartalmazó anizotrop elasztomerek esetében a szálakkal párhuzamos méréseknél a σ n − D függvényben - kis deformációs tartományban - nem tapasztaltam törést, ezért méréseket végeztem nagyobb deformációs tartományban. Az eredményeket a 68. ábrán mutatom be. σn [kPa]

150

σn [kPa]

60

120 45 90 30

60

15

30 0 0

1

2

3

4

0 0,0

0,2

0,4

D

0,6

0,8

1,0 D

68. ábra: Szálakkal párhuzamos mérés nagy deformáció tartományban. Térhálósító tartalom: 3,5 m/m%; Fe3 O4 tartalom: 30 m/m%

Az ábrán jól látható, hogy létezik egy kritikus deformáció ( λh ), ami alatt a kompozit úgymond ideálisan viselkedik. Ha elérjük ezt a deformációt a σ n − D görbe meredeksége lecsökken. Euler vizsgálta eloször hosszú rudak összenyo más hatására való viselkedését. Úgy találta, hogy a rúd egy kritikus ero értékig ellenáll a nyomásnak, de a kritikus ero felett behajlik, és mechanikai instabilitás lép fel. Ekkor a rúd hitelen nagy mértékben meghajlik, és ez után pedig a további összenyomáshoz kisebb energiatöbblet kell. A Fe3 O4 tartalmú elasztomerek esetében is ez játszódik le, szabad szemmel is jól látható módon. A mi esetünkben a kritikus deformáció értéke után egy darabig lecsökken a σ n − D görbénk meredeksége, de utána ismét elkezd emelkedik. Ez azért van, mert a nagyobb deformációnál már a polimer láncok által kifejtett ero válik

70


dominánsá, ami a görbénkben meg is mutatkozik. A 69. és a 70. ábrán szemléltetem a Fe3 O4 tartalmú elasztomerek kihajlását.

λ ≈1

λh < λ < 1

λ < λh

69. ábra: Sematikus rajz a Fe3 O4 tartalmú mintáknál tapasztalható szál kihajlásra.

70. ábra: Kép sorozat a Fe3 O4 tartalmú mintáknál tapasztalható szál kihajlásra.

200 Ga [kPa] 160

Fx

120 80 40 0 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 D

71. ábra: Látszólagos elasztikus modulusz anizotrop elasztomer esetében. Térhálósító tartalom: 3,5 m/m%; Fe3 O4 tartalom: 30 m/m%

A 71. ábrán a látszólagos elasztikus modulusz értékek láthatók a kihajlás közelében. Ez az ábrázolásmód is jól mutatja, hogy egy kritikus deformáció után a szálak kihajlanak.

71


Összefoglalásként megállapítható, hogy ha a deformáció párhuzamos a részecske szálakkal, akkor a karbonil- vasat tartalmazó anizotrop elasztomereknél ez a szerkezet összetörik, míg Fe3 O4 részecske tartalomnál meghajlik. A jelenség magyarázata a részecske polimer kölcsönhatásra, a részecskék felületi tulajdonágaira, méreteire vezetheto vissza. Fe3 O4 részecskék esetében a részecske-részecske kölcsönhatás mellett a részecske-polimer kölcsönhatás is jelentos szerepet játszik. E két kölcsönhatás egyideju jelenléte a deformáció során megakadályozza a szerkezet összetörését, így az aggregátumok csak elhajlanak. A karbonil- vas részecskéknél a részecske-polimer kölcsönhatás elhanyagolható, így ennek hiánya a deformáció során a láncszeru szerkezet összetörését eredményezi.

4.3.2. Anizotrop kompozitok rugalmassági moduluszának függése homogén mágneses tértol Munkán során vizsgált am a mágneses tér hatására bekövetkezo rugalmassági modulusz növekedését anizotrop tulajdonságú karbonil- vas és Fe3 O4 töltoanyag tartalmú poli(dimetil-sziloxán) elasztomereknél mind a töltoanyag tartalom mind a térhálósági fok függvényében.


töltoanyagot

tartalmazó

anizotrop

PDMS

elasztomerek Elsoször azokat az eseteket ismertetem, ahol az összenyomó ero meroleges a kialakult részecske szálaira. A 72. ábrán látható egy olya n eset, amikor a térhálósító tartalom koncentrációját tartottam konstans értéken, és változtattam a mágneses részecskék koncentrációját. A mágneses tér irányának és a részecske oszlopok irányultságának a változtatásával három különbözo kísérleti elrendezodést képzelhetünk el. Az ábrán bemutatott kísérleti adatokból megállapítottam, hogy az eronek, a térnek, ill. a részecskék elrendezodésének az iránya meghatározó szerepet tölt be az

72


elasztomerek ideiglenes megerosítésében. Gyenge hatást tapasztaltam, abban az esetben, amikor a mágneses tér meroleges a részecske láncokra (72. b, c ábra.). Ha az oszlopok párhuzamosak a mágneses térrel, a rugalmassági modulusz nagy mértékben megnott (72. a ábra). Kis mágneses intenzitásnál (30 mT-ig) csak kicsit no a modulusz. 30 mT felett a modulusz szignifikánsan megno. Nagyobb intenzitásoknál, 200 mT-tól kezdodoen pedig a modulusz telítési értékhez tart. 35 G(B) [kPa] 30

GM ,∞ = 9,19 kPa

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

G(B) [kPa] 30

GM , ∞ = 2,03 kPa

GM , ∞ = 7,29 kPa

25

25

GM , ∞ = 1,71kPa

20

GM , ∞ = 1,32 kPa

GM ,∞ = 5,61kPa 30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

20

0

100

200

300 400 B [mT]

0

20

40

60

Fx

80 100 B [mT]

Fx

B

B a,

b,

72. ábra: 3,5 m/m % térhálósító tartalmú anizotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo karbonil-vas töltoanyag tartalom mellett.

73


G(B) 30 [kPa]

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

GM , ∞ = 2,38 kPa 25

GM , ∞ = 1,89kPa GM , ∞ = 1,39 kPa

20 0

20

40

60

80 100 B [mT]

Fx B

c, 72. ábra: 3,5 m/m % térhálósító tartalmú anizotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo karbonil-vas töltoanyag tartalom mellett.

Hasonló eredmények figyelhetok meg a 73. ábrán, ahol a töltoanyag koncentrációját tartottam konstans értéken.

74


35 G(B) [kPa]30

GM ,∞ = 9,19 kPa 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

25 20

G(B) 30 [kPa] 25

GM , ∞ = 2,03 kPa 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

20

GM , ∞ = 6,67 kPa

15

GM ,∞ = 1,27kPa

15 10

10

GM , ∞ = 3,43kPa 0

100

200

GM ,∞ = 0,51kPa

5

300 400 B [mT]

0

G(B) 30 [kPa] 25

20

40

60

80 100 B [mT]

GM , ∞ = 2,38 kPa 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

20 15

GM , ∞ = 1,75kPa

10

GM ,∞ = 1,24kPa

5 0

20

40

60

80 100 B [mT]

Fx B c, 73. ábra: 30 m/m % karbonil-vas töltoanyagot tartalmazó anizotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo térhálósító tartalom mellett.

75


Ebben az esetben is a legnagyobb megerosítést itt is akkor tapasztaltam, amikor a mágneses tér párhuzamos volt a részecskék elrendezodésével.

A következokben azt az esetet fogom bemutatni, amikor az alkalmazott ero párhuzamos a részecskék szálaival. Ekkor két különbözo kísérleti elrendezodés lehetséges. A mágneses tér párhuzamos vagy meroleges a részecske oszlopaira. A 74. ábrán egy olyan esetet mutatok be, amikor a térhálósító tartalom koncentrációját tartottam konstans értéken. Azt találtam, hogy ha a homogén mágneses tér meroleges a részecskék szálaira, akkor a mágneses tér nem befolyásolja nagy mértékben a rugalmassági moduluszt (74.b ábra). GM , ∞ = 70,62 kPa

90 G(B) [kPa] 80 70

G(B) 70 [kPa] 60

60

50

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

GM , ∞ = 8,55kPa GM ,∞ = 54,06 kPa

50 40

40 30

GM ,∞ = 41,40kPa

30 0

20

40

60

GM , ∞ = 3,74kPa

80 100 B [mT]

GM , ∞ = 0,72 kPa 0

20

40

60

80 100 B [mT]

Fx

Fx B B a,

b,

74. ábra: 3,5 m/m % térhálósító tartalmú anizotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo karbonil-vas töltoanyag tartalom mellett.

A legnagyobb maximálisan elérheto modulusz növekedést akkor tapasztaltam, amikor a mágnes tér iránya párhuzamos volt a részecskék elrendezodésével, ill. az alkalmazott mechanikai összenyomással (74.a ábra).

76


Itt is vizsgáltam azt az esetett is, amikor a töltoanyag tartalmat tartottam konstans értéken. A mérési eredmények a 75. ábrán láthatók. GM , ∞ = 70,62 kPa

90 G(B) 80 [kPa] 70

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

GM ,∞

80 G(B) [kPa] 70 = 52,02 kPa 60

60

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

GM , ∞ = 8,55kPa

50

50

40

40 30

GM , ∞ = 46,47 kPa

30

GM ,∞ = 5,15kPa

20

GM , ∞ = 2,49 kPa

20 0

20

40

60

80 100 B [mT]

0

20

40

60

80 100 B [mT]

Fx

Fx B B a,

b,

75. ábra: 30 m/m % karbonil-vas töltoanyagot tartalmazó anizotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo térhálósító tartalom mellett.

Ha a mágneses tér iránya párhuzamos az összenyomás irányával és a részecskék irányultságával (75.a ábra), a mágneses tér hatására a rugalmassági modulusz nagymértékben megno. Amikor a mechanikai összenyomás párhuzamos a részecskékkel és meroleges a homogén mágneses tér irányával, a térero nem befolyásolja nagymértékben a rugalmassági modulusz értékét a kísérleti pontosságon belül.

77


4.3.2.2. Fe3O4 töltoanyagot tartalmazó anizotrop PDMS elasztomerek A Fe3 O4 tartalmú anizotrop poli(dimetil-sziloxán) elasztomerek esetében is vizsgáltam a homogén mágneses tér hatására bekövetkezett rugalmassági modulusz növekedést mind a töltoanyag tartalom, mind a térhálósító tartalom függvényében. A 76. ábrán azokat az eredményeket, mutatom be, ahol a részecskék szálaira meroleges az ero iránya, és a térhálósító tartalmat tartottam konstans értéken, és a töltoanyag tartalom koncentrációját változtattam.

60 G(B) [kPa]

GM , ∞ = 5,65kPa

50

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

50 G(B) [kPa]

GM , ∞ = 2,01kPa 30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

40

40

GM , ∞ = 3,80 kPa

30

GM , ∞ = 2,21kPa 0

100

200

300 400 B [mT]

GM , ∞ = 1,39 kPa GM , ∞ = 1,13kPa

30 0

20

40

60

Fx

80 100 B [mT]

Fx

B

B a,

b,

76. ábra: 3,5 m/m % térhálósító tartalmú anizotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo Fe3 O4 töltoanyag tartalom mellett.

78


G(B) [kPa] 50

GM , ∞ = 2,27 kPa 30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

40

GM , ∞ = 2,07 kPa 30

GM , ∞ = 1,81kPa 0

20

40

60

80 100 B [mT]

Fx B

c, 76. ábra: 3,5 m/m % térhálósító tartalmú anizotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo Fe3 O4 töltoanyag tartalom mellett.

Az ábrán jól látható, hogy a Fe3 O4 tartalmú anizotrop elasztomerek esetében is az eronek, a térnek és a részecskék elrendezodésének az iránya nagymértékben befolyásolja a mágneses tér hatására bekövetkezett rugalmassági modulusz növekedést. Gyenge hatást tapasztaltam abban az esetben, amikor a mágneses tér meroleges volt a részecskék szálaira (76. b, c ábra). Ezen kompozitok esetében is akkor a legnagyobb a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedés, ha a mágneses tér iránya párhuzamos a részecskék elrendezodésével. A mágneses tér hatására a rugalmassági modulusz szignifikánsan megno, majd nagyobb intenzitástól kezdodoen itt is telítési értékhez tart (76.a ábra). Hasonló megállapítások vonhatók le a 77. ábráról is, ahol a térhálósító tartalmat változtattam.

79


60 G(B) 50 [kPa]

G(B) 50 [kPa] 40

GM , ∞ = 5,65kPa 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

40

GM , ∞ = 1,59 kPa

10 100

200

GM , ∞ = 1,21kPa

20 10

GM ,∞ = 1,00 kPa 0

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

30

30 20

GM , ∞ = 2,01kPa

300 400 B [mT]

GM , ∞ = 0,78 kPa 0

20

40

60

80 100 B [mT]

Fx

Fx

B

B a,

b,

G(B) 50 [kPa] 40

GM , ∞ = 2,27 kPa 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

30 20

GM , ∞ = 1,31kPa

10

GM , ∞ = 0,78 kPa 0

20

40

60

80 100 B [mT]

Fx B

c, 77. ábra: 30 m/m % Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó anizotrop elasztomere k rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo térhálósító tartalom mellett.

80


A 78. és a 79. ábrákon azokat az mérési eredményeket mutatom be, melyeknél az összenyomás iránya párhuzamos volt a részecskék szálaival. A 78. ábrán azok az eredmények láthatók, amikor a mágneses tér és a töltoanyag tartalom változtatása mellett vizsgáltam a rugalmassági moduluszt. A Fe3 O4 töltoanyag tartalmú poli(dimetil-sziloxán) elasztomerekné l is megállapítottam, hogy ha a mágneses tér iránya meroleges a részecskék szálainak irányára, akkor a GM , ∞ értéke kisebb, mint amikor e két irány egymással párhuzamos. 100 G(B) [kPa]

GM ,∞ = 10,77 kPa 80

GM , ∞ = 9,58kPa 30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

60

40

GM , ∞ = 5,23kPa 0

20

40

60

80 100 B [mT]

100 G(B) [kPa] 80

GM , ∞ = 5,57kPa GM , ∞ = 4,64 kPa

60

30 m/m% 20 m/m% 10 m/m%

40

GM , ∞ = 3,39kPa 0

20

40

60

80 100 B [mT]

Fx

Fx B B a,

b,

78. ábra: 3,5 m/m % térhálósító tartalmú anizotrop elasztomerek rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo Fe3 O4 töltoanyag tartalom mellett.

A Fe3 O4 töltoanyag tartalmú elasztomerek esetében is akkor a legnagyobb a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedés, amikor mind a három irány egymással párhuzamos (78.a ábra), de ez a növekedés sokkal kisebb mint a karbonil- vas töltoanyag tartalom esetében. Itt is vizsgáltam azt az esetet, amikor a térhálósító tartalmat és a mágneses teret változtattam. A mérési eredményeket a 79. ábrán mutatom be.

81


100 G(B) [kPa] 80

GM ,∞ = 10,77 kPa

100 G(B) [kPa] 80

60

GM , ∞ = 8,99kPa

60

3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

40

GM , ∞ = 5,57kPa

GM , ∞ = 4,67 kPa 3,5 m/m% 3,0 m/m% 2,5 m/m%

40

GM , ∞ = 7,52 kPa 0

20

40

60

80 100 B [mT]

GM , ∞ = 3,67kPa 0

20

40

60

80 100 B [mT]

Fx

Fx B B a,

b,

79. ábra: 30 m/m % Fe3 O4 töltoanyag tartalmazó anizotrop elasztomere k rugalmassági modulusza a mágneses tér függvényében különbözo térhálósító tartalom mellett.

Mind a karbonil- vas mind a Fe3 O4 töltoanyag tartalmú elasztomerek esetében összegzésként megállapítható, hogy a rugalmassági modulusz homogén mágneses tér hatására bekövetkezett növekedése nagy mértékben függ az összenyomás irányától, a részecskék szálainak irányától, a mágneses tér irányától valamit a töltoanyag tartalom és a térhálósító tartalom mennyiségétol. A legnagyobb a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedés, ha az ero iránya, a mágneses tér iránya és a szálak iránya megegyezik.

82


4.4. Az a B és a GM , ∞ paraméterek vizsgálata

Tudjuk, hogy az a B értéke a görbe alakját határozza meg, a GM , ∞ értéke pedig a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedést. A GM , ∞ értékeket vizsgálva a következoket állapítottam meg. A GM , ∞ érték mind a karbonil- vassal, mind a Fe3 O4-el töltött izotrop és anizotrop poli(dimetilsziloxán) elasztomerek esetében no a töltoanyag tartalom és a térhálósági fok növelésével egy adott mérési elrendezodésen belül. A karbonil- vassal töltött izotrop poli(dimetil-sziloxán) elasztomerek esetében a GM , ∞ akkor mutat nagyobb értéket, ha a mágneses tér meroleges az ero irányára, míg a

Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó elasztomereknél a GM , ∞ -re akkor kapunk nagyobb értéket, amikor e két irány egymással párhuzamos. Az anizotrop minták esetében ha a részecskék szálaira meroleges az ero iránya akkor a GM , ∞ , akkor a legkisebb, amikor a mágneses tér meroleges az összenyomás irányára és meroleges a részecskék szálaira is. A legnagyobb akkor, amikor a mágneses tér párhuzamos a kialakult részecskék struktúrájával. Ha a deformáció iránya párhuzamos a részecskék szálaival, a GM , ∞ mindig abban a mérési elrendezodés mellett a nagyobb, amikor a mágneses tér is párhuzamos velük. Vizsgáltam a GM , ∞ értékének változását mind a két féle töltoanyaggal töltött elasztomerek esetében, az összes mérési elrendezodésnél. A mérési eredményekbol most is csak az egyik elrendezodést mutatom be. A többi mérési elrendezodés mellett a kapott diagramok hasonlóak az itt ábrázoltakkal, és ugyanazt a tendenciát mutatják.

83


GM , ∞ 10 [ kPa]

Fx

8 6 4

B 0

80. ábra: A

10 20 30 töltoanyag tartalom [m/m%]

GM , ∞ függése a töltoanyag tartalomtól karbonil-vassal töltött elasztomer esetében. A térhálósító tartalom 3,5 m/m%.

A 80. ábrán jól látható, hogy a GM , ∞ értéke a töltoanyag növelésével no, és az általam vizsgált mérési tartományban kísérleti hibán belül lineárisnak mondható. Vizsgáltam az a B értékeket is. Tudjuk, hogy az a B érték a kapott görbe alakját befolyásolja. Elméleti megfontolások után azt kellene kapnunk, hogy az a B paraméter értékeinek egyformának kellene lennie az egyes mérési elrendezodések mellett. A kapott eredményekbol látszik, hogy ez az állítás nem igaz. Vizsgáltam azt, hogy miért és hogyan is térnek el ezek az értékek egymástól. Azt állapítottam meg, hogy az a B érték egy nagyon érzékeny paraméter, ugyanis ha a görbe egyik pontját elmozdítjuk a helyérol - a mérési hibán belül - akkor az így kapott pontokra számított a B paraméter értéke drasztikusan megváltozik, míg a GM , ∞ értékének változása elhanyagolható. Ebbol megállapítható, hogy az általunk végzett kísérleti feltételek mellett az a B paraméter értékének a változására - a töltoanyag és térhálósító tartalom függvényében - nem állapíthatunk meg semmilyen összefüggést.

84


4.5. Az Einstein-Smallwood összefüggés alkalmazása izotrop és anizotrop mágneses kompozitokra A polimer

géleknél

a

rugalmassági

modulusz

kifejezheto

töltoanyag

függvényében az Einstein-Smallwood egyenlettel. Ez az egyenlet olyan töltoanyagot tartalmazó esetében igaz, ahol a töltoanyagok gömb alakúak és nincs köztük kölcsönhatás. G = Gr (1 + ke Φ m )

(52)

ahol Gr a töltoanyag nélküli elasztomer rugalmassági modulusza, ke az EinsteinSmallwood paraméter és Φ m töltoanyag térfogattörtje. Kiszámoltam mind a karbonil- vas, mind a Fe3 O4 töltoanyagot tartalmazó elasztomerek esetében a ke értékeket. A kapott adatokat a 1. táblázatban foglaltam össze:

Karbonil- vas

térhálósító tartalom

Fe3 O4 Fx

Fx

2,5

5,44

17,16

90,53

5,81

12,72

47,77

3,0

5,37

13,00

54,11

5,61

11,54

45,21

3,5

5,26

9,51

40,22

3,82

10,87

30,83

Fx

Fx

Fx

Fx

[m/m%]

1.

táblázat.: ke értékek karbonil-vas és Fe 3 O4 töltoanyagot tartalmazó PDMS elasztomerek esetében.

A ke elméleti értéke 2,5. Az általam kapott értékek nem adják vissza az elméletben számolt at. Ha azonos térhálósági fok mellett vizsgáljuk a kiszámolt ke értékeket, akkor jól látható, hogy azok a különbözo mérési irányokban sem egyeznek meg egymással. Ebbol megállapítottam hogy a rugalmassági modulusz növekedés nem csak a töltoanyag koncentrációjától függ, hanem az egyes mérési irányoktól is. Legnagyobb a növekedés, ha a szállakkal párhuzamosan mértem a modulusz értékeket. A táblázatban jól látható, hogy a térhálósító tartalom növelésével az egyes mérési irányok mellett csökken a ke értéke.

85


4.6. Lehetséges gyakorlati felhasználás Az elozo fejezetben bemutattam, hogy a mágneses tér segítségével növelheto az elasztomer rugalmassági modulusza. Ez az ideiglenes megerosítés addig tart, míg az elasztomerre hat a külso mágneses tér. A tér megszüntetésével az elasztomer visszanyeri az eredeti mechanikai tulajdonságát. Joggal merül fel az a kérdés, hogy hol lehet ezt a gyakorlatban hasznosítani? A hagyományos lengéscsillapítók egy elore beállított erovel muködnek. Az elmúlt

idoben

kedvelt

kutatási

területté

vált

az

úgynevezett

„intelligens”

lengéscsillapítók kifejlesztése, ahol a muködés közben valamilyen külso jelenség hatására lehetséges a lengéscsillapítás mértékének a változtatása. Az eddigi vizsgálatok során kiderült, hogy ezeknek a mágneses elasztomereknek külso mágneses tér hatására megno a rugalmassági moduluszuk. Vizsgáltam azt az esetet is, amikor a deformáció során változtattam meg a mágneses tér erosségét. A mérési eredmény a 81. ábrán láthatók. G= 86,91 kPa

30 B=0 mT B=100 mT

σn [kPa]

Fx

20

B 10

0 0,0

G= 54,25 kPa

0,1

0,2

0,3

0,4 D

81. ábra: Mágneses polimer gél nominális feszültsége különbözo deformáció mérték és mágneses tér mellett (3,5m/m% térhálósító tartalom, 30 m/m% karbonil-vas).

Az ábra jól mutatja, hogy amikor bekapcsoltam a mágneses teret, akkor ott - az adott deformációnál - megnott a nominális feszültség. Ha a kapott pontokra külön-külön egyenest illesztünk, és ebbol kiszámoljuk a térnélküli ill. a teres rugalmassági moduluszt, akkor az így kapott értékek megegyeznek az eredeti mérések eredményeivel.

86


Az általam eloállított elasztomer tehát alkalmas lehet különbözo mértéku lengéscsillapításra külso mágneses tér változtatása mellett. Ennek modellezésére egy házilag tervezett és kifejlesztett lengéscsillapítót használtam (82. ábra). Egy elektromotor végére erosített rúd segítségével periodikus fel- le mozgást idéztem elo. A kompozit elasztomer alján elhelyezett inhomogén mágnes tér ki-be kapcsolásával az elasztomer rugalmassági modulusza változtatható. Az elasztomer rugalmassági moduluszának megváltoztatása a periodikus mozgás frekvenciájának és amplitúdójának változását eredményezi.

motor

mozgatókar

mágneses elasztomer

mágnes

82. ábra: Mágneses kompozit elasztomerrel muködtetett lengéscsillapító.

A periodikus mozgást videokamerával követtem a lengés amplitúdójának és frekvenciájának meghatározása céljából. A kiértékelés során az elasztomer magasságát mértem az ido függvényében. A 83. ábrán a kompozit elasztomer magasságának változása látható az ido függvényében. A rezgés amplitúdójának és frekvenciájának változása jól látható az inhomogén mágneses tér ki-be kapcsolásával.

87


20

h [mm] Tér nélkül

18

Mágneses térben B = 200 mT

Tér nélkül

Mágneses térben B = 200 mT

16

14

12

10 0

1000

2000

3000

4000

t [ms] 83. ábra: Kompozit elasztomer magasságának változása látható az ido függvényében.

A mérési pontokra a Y = A sin

X − xc + B függvényt illesztve az A mennyiség a ω

lengés amplitúdóját adja meg, míg az ω a frekvenciáját. A 84. ábrán az illesztési paraméterek láthatóak. Megállapíthatjuk hogy 200 mT inhomogén mágneses tér a lengés amplitúdóját 1,82599-rol 1,13118-ra csökkenti, míg a frekvencia 3,4592-rol 4,80509-re növeli.

88


h[mm] 24

Mágneses tér nélkül Inhomogén mágneses térben

2

χ = 0,02327 2

2

χ = 0,10416

R = 0,98882

2

B=15,15903 xc=103,5608 ω=3,4592 A=1,82599

20

R = 0,88255

±0,0306 ±0,17468 ±0,01 ±0,04349

B=14,55405 xc=82,15306 ω=4,80509 A=1,13118

±0,07038 ±1,42074 ±0,07813 ±0,09738

16

12 0

50

100

150

200

t [ms] . 84. ábra:A lengés illetve rezgéscsillapítás leírására használt Y

= A sin

X − xc + B függvény és ω

illesztési paraméterei.

Megállapítható, hogy a mágneses térre érzékeny kompozit elasztomerek alkalmasak lengéscsillapítókban történo alkalmazásra. Külso mágneses térrel az elasztomerek mechanikai tulajdonságai nagymértékben befolyásolhatóak. A mechanikai tulajdonságok befolyásolásával a lengés frekvenciája és amplitúdója szabályozható.

89


5. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK (PhD TÉZISPONTOK)

1. Karbonil- vas és Fe3 O4 (Bayferrox 318M) részecskéket tartalmazó izotrop és anizotrop elasztomereket állítottam elo. Megállapítottam, hogy a mágneses tér hatására bekövetkezo rugalmassági modulusz növekedés nagymértékben függ az ero és

a

mágneses

tér

irányától,

valamint

az

elasztomerekben

kialakult

részecskeszerkezettol. (Anizotrop esetben ennek irányától és a külso homogén mágneses tér irányától.)

2. Karbonil- vas és Fe3 O4 (Bayferrox 318M) részecskéket tartalmazó izotrop elasztomerek rugalmassági moduluszát vizsgálva megállapítottam, hogy karbonilvas esetében, amikor az ero iránya meroleges a külso homogén mágneses tér irányára, akkor a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedés nagyobb mint, amikor a két irány egymással párhuzamos. Fe3 O4 részecskéket tartalmazó izotrop elasztomerek esetében a rugalmassági modulusz növekedés - ellentétben a karbonil- vas töltoanyagot tartalmazó elasztomerekkel - abban az esetben a nagyobb, amikor az ero irány és a mágnes tér iránya egymással párhuzamos. A különbség a részecskék eltéro mágneses és határfelületi tulajdonságaira vezetheto vissza.

3. Karbonil- vas és Fe3 O4 (Bayferrox 318M) részecskéket tartalmazó anizotrop elasztomereket vizsgálva megállapítottam, hogy ha az ero iránya meroleges az elasztomerekben kialakult részecskeszerkezet irányára, akkor a külso homogén mágneses tér hatására a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedés abban az esetben a legnagyobb, amikor a mágneses tér iránya párhuzamos a részecskeszerkezet irányával. A legkisebb abban az esetben, amikor a mágneses tér iránya meroleges a kialakult részecske aggregátumok irányára és meroleges az ero irányra is.

90


4. Karbonil- vas és Fe3 O4 (Bayferrox 318M) részecskéket tartalmazó anizotrop elasztomerek vizsgálatánál megállapítottam, hogy ha az ero irány párhuzamos az elasztomerekben kialakult részecskeszerkezet irányával, akkor a mágneses tér hatására a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedés abban az esetben a legnagyobb, amikor a mágneses tér iránya párhuzamos az ero irányával. Megállapítottam, hogy az összes irány közül is ebben az esetben a legnagyobb a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedés.

5. Megállapítottam,

hogy

karbonil- vas

részecskéket

tartalmazó

elasztomerek

részecskeszerkezettel párhuzamos deformációja során, kis deformációnál a láncszeru részecskeszerkezet megtörik az adott mintára jellemzo deformációs értéknél. Fe3 O4 (Bayferrox 318M) töltoanyag esetében ez a törés nem következik be, hanem nagyobb deformációnál a kialakult aggregátum láncok elhajlanak.

6. Összefüggést vezettem le a karbonil- vas és Fe3 O4 (Bayferrox 318M) részecskéket tartalmazó izotrop és anizotrop elasztomerek rugalmassági moduluszának mágneses tértol való függésére. A mért rugalmassági modulusz adatok a le vezetett összefüggés segítségével a kísérleti hibahatáron belül kielégítoen leírhatók.

7. Vizsgáltam a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedést (GM , ∞ ) a töltoanyag

tartalom

koncentrációjának

a

függvényében (5-30

m/m%)

.

Megállapítottam, hogy a kísérleti hibán belül ez az összefüggés lineáris. A növekedés mértéke függ a térhálósító tartalomtól, az ero irányától, elasztomerekben kialakult részecskeszerkezettol, anizotrop esetben ennek irányától és a külso homogén mágneses tér irányától.

91


6. FÜGGELEK Töltoanyag: Karbonil- vas (Fe) Térhálósító tartalom [m/m%]/ töltoanyag tartalom [m/m%]

2,5/10

2,5/20

2,5/30

3,0/10

3,0/20

3,0/30

3,5/10

3,5/20

3,5/30

1

Fx

Paramé1 terek

Fx

Fx B

Fx

Fx

Fx

B

B

Fx

B B

B

B

GM , ∞

0,47

0,21

1,95

0,32

0,23

7,78

0,29

aB G0

2668,65

2986,01

15288,01

1753,19

2008,78

7863,95

714,63

4,35

4,38

4,93

4,92

4,89

7,90

7,91

GM , ∞

0,51

0,27

2,52

0,85

0,37

22,46

1,20

aB G0

1990,06

2519,94

5403,70

2418,38

1428,22

13967,02

3436,55

4,67

4,54

6,12

6,16

6,24

14,05

14,10

GM , ∞

0,58

0,37

3,43

1,24

0,51

46,47

2,49

aB G0

4332,08

2191,92

5911,54

1890,07

1590,13

6704,35

1529,72

5,12

5,08

7,31

7,30

7,27

21,10

21,00

GM , ∞

1,02

0,47

3,46

1,25

0,70

22,90

0,51

aB G0

4749,12

6616,83

8524,18

494,35

8369,54

2853,78

2529,88

4,65

4,59

7,48

7,50

7,47

12,81

12,87

GM , ∞

1,35

0,93

4,99

1,42

0,95

36,44

2,99

aB G0

3179,12

1820,28

3974,55

1842,76

1211,64

8440,45

4202,71

8,50

8,56

10,90

11,10

11,21

20,61

20,60

GM , ∞

1,90

1,58

6,67

1,75

1,27

52,02

5,15

aB G0

5481,95

1981,60

7323,61

9938,85

5172,84

5656,29

23565,21

9,95

9,91

14,00

14,00

14,00

31,27

31,20

GM , ∞

1,44

0,71

5,61

1,39

1,32

41,40

0,72

aB G0

6051,79

869,97

9645,03

6829,27

3385,72

17148,44

1103,68

19,98

20,01

20,20

20,58

20,24

31,93

32,00

GM , ∞

1,99

1,60

7,29

1,89

1,71

54,06

3,74

aB G0

1444,94

1399,98

7113,89

6025,87

2300,75

8547,14

4831,59

21,65

21,52

24,06

24,09

24,10

39,00

39,03

GM , ∞

2,67

2,41

9,19

2,38

2,03

70,62

8,55

aB G0

4144,65

4759,41

9065,44

3355,15

2928,52

11505,36

3995,14

22,64

22,77

26,00

26,44

26,41

54,25

54,20

GM , ∞ [kPa], aB [(mT)2 ], G0 [kPa]

92


Töltoanyag: Fe3 O4 (Bayferrox 318M) Térhálósító tartalom [m/m%]/ töltoanyag tartalom [m/m%]

2,5/10

2,5/20

2,5/30

3,0/10

3,0/20

3,0/30

3,5/10

3,5/20

3,5/30

2

Fx

Paramé2 terek

Fx

Fx B

Fx

Fx

Fx B

B

B

Fx

B

B

B

GM , ∞

0,45

0,80

0,63

0,52

0,43

1,45

0,02

aB G0

1528,19

1993,96

1566,61

2105,75

829,11

1835,49

8490,67

5,91

5,92

6,13

6,14

6,15

9,95

9,95

GM , ∞

0,47

0,85

0,73

0,63

0,59

3,72

1,49

aB G0

1716,57

439,13

3317,04

2615,40

2430,13

1603,42

1947,60

7,30

7,25

7,74

7,76

7,75

19,30

19,34

GM , ∞

0,48

0,93

1,00

0,78

0,78

7,52

3,67

aB G0

2333,40

2356,14

2271,90

1739,49

1720,55

1775,84

1448,91

8,05

8,10

11,29

11,25

11,24

29,25

29,31

GM , ∞

0,72

1,29

0,94

1,03

0,75

3,00

1,96

aB G0

1174,21

3634,42

2608,27

2357,36

2089,94

6087,71

2035,83

13,10

13,12

15,08

15,13

15,10

20,51

20,52

GM , ∞

0,93

1,83

1,33

1,10

0,91

6,02

3,10

aB G0

7727,97

6710,41

3116,71

2390,08

2481,13

3098,62

2461,67

17,98

17,92

20,95

21,05

20,96

44,19

44,10

GM , ∞

1,36

2,31

1,59

1,31

1,21

8,99

4,67

aB G0

1471,97

1869,17

1431,59

1795,82

1938,41

2879,88

1019,50

18,78

18,82

25,64

25,55

25,69

61,02

60,62

GM , ∞

1,12

2,05

2,21

1,81

1,13

5,23

3,39

aB G0

2980,77

2935,10

2239,30

1936,83

865,16

2927,54

782,38

18,95

18,91

30,12

30,10

30,15

38,28

38,32

GM , ∞

1,46

2,60

3,80

2,07

1,39

9,58

4,64

aB G0

1938,70

1562,96

1899,43

741,01

477,13

1253,69

1419,43

25,12

25,39

37,32

37,35

37,33

73,80

71,86

GM , ∞

2,02

3,11

5,65

2,27

2,01

10,77

5,57

aB G0

2924,77

1363,73

1713,13

831,92

714,00

2841,53

1128,53

33,33

33,39

49,12

48,70

48,73

88,88

88,85

GM , ∞ [kPa], aB [(mT)2 ], G0 [kPa]

93


7. SUMMARY The research in the field of functional materials was stimutated by the expanding use of structural materials and new customer needs. Special attention was paid to polymers which have tunable physico-chemical properties in external electric or magnetic fields. In the Laboratory of Soft Matters at the Department of Physical Chemistry, BME under the leadership of Prof. Miklós Zrínyi magnetic polymergel, a novel composite material has been developed. This magnetoelastic material contains magnetic micro or nanoparticles in a highly elastic matrix. In a properly chosen external magnetic field this polymer can be elongated, bent, rotated or contracted. The aim of my work in the group was to optimize the influence of the external magnetic field on the ela stic modulus of isodimensionally filled poly(dimethyl-siloxane) (PDMS) elastomers. Isotropic and anisotropic magnetoelastomers of different cross- link density were synthesized. Carbonyl iron and Fe2 O3 particles were used as fillers. The influence of the external magnetic field on the elastic modulus was systematically investigated in different experimental arrangement to reveal the role of the relative orientation of the magnetic field, the alignement of the particle aggregates and the direction of the deformation I concluded that the elastic modulus of the magnetoelastomers can be increased by applying external magnetic field. This temporary reinforcement lasts as long as the magnetic field acts on the magnetic elastomer. Recently it became an intensively studied field of research to develop so called intelligent shock-absorbers, where during operation the stiffness can be controlled by external stimuli. Based on my results, these magnetic polymers are suitable magnetic field controllable shock absorber.

94


New scientific results 1. I prepared carbonyl- iron and Fe3 O4 (Bayferrox 318M) loaded isotropic and anisotropic elastomers. It was concluded that their magnetic field induced elastic modulus depends on the direction of the deformation and the magnetic field applied, as well as the particle pattern developing in the network. (In case of anisotropic elastomers it depended on the orientation of the particle structure and the direction of the external magnetic field.)

2. Investigating the elastic modulus of the carbonyl- iron and Fe3 O4 (Bayferrox 318M) loaded isotropic elastomers I pointed out, that in the case of the carbonyl- iron loaded elastomers the increase in the elastic modulus due to the external magnetic field was larger if the applied force was perpendicular to the external magnetic field than in the case of parallel relative orientation. In case of the Fe3 O4 loaded elastomers the improvement in the magnetic field induced elastic modulus was the highest when the applied force and the external magnetic field were parallel to each other. The difference between the two fillers can be explained by the different magnetic and interfacial properties of the particles.

3. From the experimental results I concluded, that when the applied force was perpendicular to the external magnetic field, the highest increment in the magnetic field induced elastic modulus of the carbonyl- iron and Fe3 O4 (Bayferrox 318M) loaded anisotropic elastomers was obtained when the direction of the external magnetic field was parallel to the particle formation. On the other hand, the increment in the elastic modulus due to the external magnetic field was the lowest when the direction of the magnetic field was perpendicular to the particle chains and to the applied force.

4. According to the experimental results I concluded, that when the applied force was parallel to the external magnetic field, the highest increment in the magnetic field induced elastic modulus of the carbonyl- iron and Fe3 O4 (Bayferrox 318M) loaded anisotropic elastomers was obtained when the direction of the external magnetic field was parallel to the applied force. I concluded that the increment in the elastic

95


modulus due to the external magnetic field was the highest in this case compared to any other direction.

5. It was concluded that the in of the carbonyl- iron loaded elastomers already small deformation parallel to the aligned particles breaks the particle chains. The value of the deformation force in this point was characteristic to the sample. In case of the Fe3 O4 (Bayferrox 318M) particles, the compression did not lead to the break-down of the particle alignments, as they bent when the anisotropic elastomer was compressed.

6. A phenomenological expression was developed to describe the relationship between the elastic modulus on the magnetic induction for the carbonyl- iron and Fe3 O4 (Bayferrox 318M) loaded isotropic and anisotropic elastomers. Within the experimental accuracy the prediction of the phenomenological equation was supported by the experimental data.

7. I investigated the increment of the elastic modulus ( GM , ∞ ) with increasing concentration of the filler particles. Within the experimental accuracy, a linear relationship can be used. The rate of the increment depended on the cross-linker content, on the direction of the force, on the particle formation in the network and, in the case of the anisotropic samples, it also depended on the direction of the particle formation and the direction of the external uniform magnetic field.

96


8. KÖZLEMÉNYEK JEGYZÉKE A dolgozat alapjául szolgáló közlemények 1.

Zsolt Varga, József Fehér,Genovéva Filipcsei and Miklós Zrínyi: Smart Nanocomposite Polymer Gels Macromolecular Symposia, 200, 93-100 (2003)

2.

Zsolt Varga, Genovéva Filipcsei, Miklós Zrínyi: Smart Composites with Controlled Anisotropy Polymer, 46 (18), 7779-7787 (2005)

3.

Zsolt Varga, Genovéva Filipcsei, András Szilagyi and Miklós Zrínyi: Electric and Magnetic Field Structured Smart Composites Macromolecular Symposia, , 227, 123-133 (2005)

4.

Zsolt Varga, Genovéva Filipcsei and Miklós Zrínyi: Magnetic Field Sensitive Functional Elasztomers with Tuneable Elastic Modulus Polymer, (közlésre beküldve: 2005. március 18.)

A dolgozat témáját nem érinto egyéb közlemények:

5.

Varga Zsolt, Filipcsei Genovéva, Zrínyi Miklós: A XXI. század új kihívása: Az intelligens anyag (elso rész), Természet Világa 2004. szeptember. 386-388.

6.

Fehér József, Szilágyi András, Varga Zsolt, Filipcsei Genovéva és Zrínyi Miklós: Elektromos térre érzékeny folyadékok és elasztomerek I. Magyar Kémiai Folyóirat (elfogadva)

Konferencia eloadások:

1.

Varga Zsolt, Zrínyi Miklós: Különleges Tulajdonságú Szilikon Elasztomerek és Vizsgálatuk INSTRON Nap, Miskolctapolca, 2004. április 28.

2.

Varga Zsolt: Intelligens polimer kompozitok kontrollált anizotrópiával Vegyészmérnöki Kar 2. Doktoráns konferencia, 2004. november 24.

97


9. IRODALOMJEGYZÉK [1]

Gandhi M.V. and Thompson B.S.: Smart materials and structures, Chapman & Hall (1992)

[2]

Proceedings Of Third Conference of Intelligent Materials, Lyon, France (1996)

[3]

Hoffman A.S.: Macromol.Symp. 98, 645-664 (1995)

[4]

Osada Y. and Ross-Murphy S.B.: Scientific American 268 (5), 82-87 (1993)

[5]

De Rossi, Kawana K., Osada Y., Yamauchi A.: Polymer Gels, Fundamentals and Biomedical Applications, Plenum Press, New York London (1991)

[6]

Zrinyi M.: Magyar Tudomány, 6, 697-703 (1999)

[7]

Harland R.S., Prud´homme R.K. (Eds.): Polyelectrolyte Gels, ACS Symposium Series 480(1992)

[8]

Tanaka T.: Science, 218 (4571), 467-469 (1982)

[9]

Tanaka T.: Phys. Rev. Lett., 40, 820 (1978)

[10]

Osada Y.: Advances in Polymer. Science, 82, 1-46 (1987)

[11]

Osada Y., Okuzaki H., Gong J.P.: Trends Polym Sci. , 2, (1994)

[12]

Garrido L. (ed): Complex Fluids, Springer Verlag (1993)

[13]

Zrínyi M.,Gács J., Simon CS-né: 213 215 sz. Magyar Szabadalom

[14]

Zrinyi M.:Trends in Polymer Science,. 5. (9) 280-285 (1997)

[15]

Mitsumata T., Ikeda K., Gong J. P., Osada Y., Szabó D., Zrínyi, M.: Journal of Applied Physics, 85. (12), 8451-8455 (1999)

[16]

Flory P.J.: Faraday Discussion of the Chamical Society 57, 7 (1974)

[17]

Szántó Ferenc: A kolloidkémia alapjai, Gondolat (1987)

[18]

Fehér József PhD disszertáció (2002)

[19]

Varga J. Belina K.: Muanyagok fizikája, Kézirat (elektronikus forma)

[20]

Treloar L. R. G.: The Physics of Rubber Elasticity, Oxford, At The Clarendon Press (1949)

[21]

Mark J. E., Erman B.: Rubberlike Elasticity a Molecular Primer, Willey, NY. (1988)

[22]

Holocs L.: Fizika 1-2. Muszaki könyvkiadó (1992)

[23]

Deák P., Guber J., Kocsányi L.: Muszaki Fizika III. Muegyetemi Kiadó (1991)

[24]

Zrínyi M., Barsi L., Büki A.: Europhysics Conference on Gels, Balatonszeplak, Sept.25-29, Hungary, EPS Conference Abstract Volume 19G, P40 (1995)

98


[25]

Barsi L., Büki A., Szabó D., Zrínyi M.: Progr. Colloid Polym, Sci., 102. (1996)

[26]

Zrínyi M., Barsi L., Büki A. : J. Chem. Phys., 104 (21) 8750-8756 (1996)

[27]

Zrínyi M., Barsi L., Büki A. : Polymer Gels and Networks, 5, 415-427 (1997)

[28]

Szabó D., Barsi L., Büki A., Zrínyi M.: Models in Chemistry, 134 (2-3),155-167 (1997)

[29]

Zrínyi M., L.Barsi, D.Szabó, H.-G.Kilian: J.Chem. Phys, 106 (13), 5685-5692 (1997)

[30]

Szabó D., Szeghy G., Zrinyi M.: Macromolecules, 31, 6541-6548 (1998)

[31]

Barsi L. and Zrinyi M.: ACH-Models in Chemistry, 153, 3 241-246 (1998)

[32]

Zrinyi M., Szabo D. and Barsi L.: Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 9 (8) 667-671 (1998)

[33]

Zrinyi M., Szabo D. and Kilian H.-G.: Polymer Gels & Networks,.6, (6) 441-454 (1999)

[34]

Zrínyi M.: Colloid & Polymer Science, 278 (2), 98-103 (2000)

[35]

Szabo D., Czako Nagy I., Zrinyi M., Vertes A.: Journal of Colloid and Interface Science, 221, (2) 166-172 (2000)

[36]

Török Gy., Lebedev V.T., Cser L., Zrínyi M.: Physica B , 276-278 , 396-397 (2000)

[37]

Zrínyi M., Szabó D.,.Barsi L.: Journal of Intelligent Material Systems and Structures 9 (8): 667-671 (1998)

[38]

Osada Y., Rossi D.E.: Springer Verlag Berlin Heidelberg, 385-408 (1999

[39]

Rosenweig R.E. : Ferrohydrodynamics, Cambridge University Press, Cambridge, London, New York, New Rochelle, Melburne, Sydney (1985)

[40]

Nakano M., Koyama K.: Electro-rheological fluids, magneto-rheological suspensions and their applications, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. (1997)

[41]

Jones T.B. : Electromechanics of Particles, Cambridge University Press (1995)

[42]

Mitsumata T., Furukawa K., Juliac E., Iwakura K. and Koyama K.: International Jurnal of Modern Physics B. 16, 2419-2425 (2002)

[43]

Juliac E., Mitsumata T., Taniguvhi T., Iwakura K and Koyama K.: J. Phys. Chem B 107, 5426-5431 (2003)

[44]

Mitsumata T., Juliac A., Furukawa K., Iwakura K., Taniguchi T., Koyoma K.: Macromol. Rapid Commun. 23, 175-178 (2002)

[45]

Bellan C., Bossis G.: International Journal of Modern Physics B, Vol. 16, Nos. 17 & 18, 2447-2453 (2002) 99


[46]

Hu Y.,Wang Y.L., Gong X.L. and et all: Polymer Testing 24, 324-329 (2005)

[47]

Ginder J.M., Clark S.M. Schlotter W.F. and Nichols M.E.: International Journal of Modern Physics B Vol 16. Nos. 17 & 18 2412-2418 (2002)

[48]

Farshad M., Benine A.: Polymer Testing 23, 347-353 (2004)

[49]

Dorfmann A. and Ogden R. W.: Acta Mechanica 174, 167-183 (2005)

[50]

Bossis G., Coquella E. and Kuzhur P.: Ann. Chim. Sci. Mat. 29 (6), 43-54 (2004)

[51]

Zhou G.Y. and Jiang Z.Y.: Smart Materiel Structured 13, 309-316 (2004)

[52]

Kaleta J., Lewandowski D. and Zajac P.: Materials Science Forum 482, 403-406 (2005)

[53]

Farshad M., Benine A.: Polymer Testing 24, 163-168 (2005)

[54]

Varga Zs., Fehér F.,Filipcsei G. and Zrínyi: Macromolecular Symposia, 200, 93100 (2003)

[55]

Varga Zs., Filipcsei G. and Zrínyi M.: Polymer, (közlésre beküldve: 2005. március 18.)

[56]

Varga Zs., Filipcsei G. and Zrínyi M.: Polymer, 46 (18), 7779-7787 (2005)

[57]

Varga Zs., Filipcsei G., Szilagyi A. and Zrínyi M.: Macromolecular Symposia, , 227, 123-133 (2005)

100

NYILATKOZAT

Alulírott Varga Zsolt Tamás kijelentem, hogy ezt a doktori értekezést magam készítettem és abban csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, amelyet szó szerint, vagy azonos tartalomban, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelmuen, a forrás megadásával megjelöltem.

Budapest, 2005. szeptember 7.

Varga Zsolt Tamás

MÁGNESES TÉR HATÁSA KOMPOZIT GÉLEK ÉS ELASZTOMEREK RUGALMASSÁGÁRA

Recommend Documents