MÁGNESES TÉR HATÁSA KOMPOZIT GÉLEK ÉS ELASZTOMEREK RUGALMASSÁGÁRA

UDAPESTI MUSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Fizikai Kémia Tanszék MTA-ME Lágy Anyagok Laboratóriuma MÁGNESES TÉR HATÁSA KOMPOZIT GÉLEK ÉS ELASZTOMEREK RUGALMASSÁGÁRA PhD disszertáció Készítette: Varga Zsolt Tamás Témavezeto: Dr. Zrínyi Miklós tanszékvezeto, egyetemi tanár udapest 005

Köszönetemet szeretném kifejezni témavezetomnek, Dr. Zrínyi Miklós tanszékvezeto Professzor Úrnak, hogy lehetové tette számomra a PhD disszertációm elkészítését a udapesti 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, arátaimnak és Mennyasszonyomnak, Farsang Renátának, hogy a munkám során mindig biztattak és támogattak. Köszönöm a Varga József Alapítványnak, hogy anyagilag támogatta tanulmányomat.

EVEZETÉS 3 1. IRODALMI ÁTTEKINTÉS..5 1.1. Polimer gélek fogalma és csoportosítása..5 1.1.1. Fizikai polimer gélek.7 1.1.. Kémiai polimer gélek 8 1.. Polimerek mechanikai tulajdonságai 10 1.3. A polimer gélek rugalmassági modulusza.15 1.4. Az anyagok mágneses tulajdonságai.0 1.5. A mágneses tér hatása a részecskére.3 1.6. Az intelligens polimer gélek..7 1.6.1. Entrópiavezérelt polimer gélek..7 1.6.. Energiavezérelt polimer gélek..8 1.7. Mágneses tér hatása a moduluszra.31. CÉLKITUZÉS.38 3. KÍSÉRLETI RÉSZ..39 3.1. Kísérleti anyagok... 39 3.. Elasztomerek eloállítása 40 3..1. Izotrop elasztomerek eloállítása. 40 3... Anizotrop elasztomerek eloállítása homogén mágneses térben. 41 3.3. Kísérleti módszerek... 44 3.3.1. Rugalmassági modulusz mérése mágneses tér nélkül...44 3.3.. 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.. Anizotrop elasztomerek rugalmassági moduluszának mérési elrendezései a mágneses tér függvényében... 48 4. EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK 50 4.1. A kísérleti eredmények értelmezése.50 4.. Izotrop kompozit elasztomerek.53 4..1. Izotrop elasztomerek mágneses tér nélküli vizsgálata.54 4..1.1. Karbonil-vas töltoanyagot tartalmazó izotrop PDMS elasztomerek 54 4..1.. Fe 3 O 4 töltoanyagot tartalmazó izotrop PDMS elasztomerek... 56 1

4... Izotrop elasztomerek vizsgálata homogén mágneses térben.58 4...1. Karbonil-vas töltoanyagot tartalmazó izotrop PDMS elasztomerek... 58 4... Fe 3 O 4 töltoanyagot tartalmazó izotrop PDMS elasztomerek.....60 4.3. Anizotrop kompozit elasztomerek 6 4.3.1. Anizotrop elasztomerek mágneses tér nélküli vizsgálata..6 4.3.1.1. Karbonil-vas töltoanyagot tartalmazó anizotrop PDMS elasztomerek 6 4.3.1.. Fe 3 O 4 töltoanyagot tartalmazó anizotrop PDMS elasztomerek..... 65 4.3.1.3. Részecske-polimer kölcsönhatás hatása az anizotrop szerkezetre.. 68 4.3.. Anizotrop kompozitok rugalmassági moduluszának függése homogén mágneses tértol.7 4.3..1. Karbonil-vas töltoanyagot tartalmazó anizotrop PDMS elasztomerek..7 4.3... Fe 3 O 4 töltoanyagot tartalmazó anizotrop PDMS elasztomerek...78 4.4. Az a 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 EREDMÉNYEK (PhD TÉZISPONTOK)....... 90 6. FÜGGELÉK....... 9 7. ANGOL NYELVU ÖSSZEFOGLALÓ (SUMMARY)..94 8. KÖZLEMÉNYEK JEGYZÉKE. 97 9. IRODALOMJEGYZÉK.. 98

EVEZETÉS 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 [9-1]. 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 ME Fizikai Kémia Tanszéken Dr. Zrínyi Miklós Professzor úr és kutatócsoportja egy újfajta 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 népszerubben 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, hogy egyensúlyi állapotban a termodinamikai tulajdonságaik megegyeznek a gélben lévo tiszta folyadékéval; a szilárd halmazállapotra deformálhatóságuk és alakállandóságuk emlékeztet. A 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. uzágh 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.. 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 ármely 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 (. ábra). orientációs hatás indukciós hatás diszperziós hatás. ábra: A fizikai polimer géleket 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.. 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 térhálósítás 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) polimer () a, 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.. 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.. 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 = h G τ (1) ahol 10

f τ = () A a nyírófeszültség, x/ ha nyíró deformáció ( γ ), a G a nyíró modulusz, az f a mintára ható tangenciális ero és az A a minta deformálatlan felülete.. 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 (3) V K ahol p a nyomás (p=f/a), V 0 a minta deformálatlan térfogata és deformáció hatására bekövetkezett térfogatváltozás. 0 V a 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 = ε E (4) x ε x l = (5) l ahol l 0 a deformálatlan minta hossza a nyúlás irányában, l mértéke, és az arányossági tényezo pedig a Young-féle modulusz (E). 0 a deformáció 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 (T M ) stabil. E homérséklet felett a polimer amorf, rendezetlen szerkezetuvé válik.. 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 termomechanikai tulajdonságokban tükrözodnek, melyet kitunoen szemléltet az alábbi ábra, melynél állandó feszültség mellett mérik a homérséklet változására bekövetkezo deformáció változást (6. ábra). e [%] T g T f üvegszeru 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 (T g ) alatt létezik.. Nagyrugalmas állapot, ahol a szegmensmozgás a termikus mozgás alapveto formája. 3. Viszkózusan folyós állapot. Ez az állapot az úgynevezett folyási homérséklet feletti (T f ) homérséklet tartományban található meg, ahol már 1

a molekula egésze is elmozdulhat, és a makro-rown 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.. 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 l l TV, TV, TV, 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: (6) f U = l TV, illetve S l TV, = 0 (7) 13

. 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: f S = T l TV, illetve U l TV, = 0 (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.. 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 [0] a következo feltételezéssel. Legyen a polimerlánc egyik vége az origóban rögzítve (A), míg a másik vége () a térben véletlenszeruen bolyongva. Válasszunk ki a (x, y, z) pont környezetében egy kis dv térfogatot (7. ábra). x (x,y,z) dy dz dx r A(0,0,0) y z 7. ábra: Vázlat a lánc konformáció eloszlás leírásához. 15

A valószínuségi suruségfüggvény megadja azt, hogy láncvég milyen valószínuséggel lesz megtalálható dv térfogatban. Az N számú, l 0 hosszúságú elembol felépülo szabadon kapcsolt láncok esetében a következo összefüggést írták fel: 3 b b ( x + y + z ) p( x, y, z) idxidyidz = e dx dy dz 3/ i i i (9) π ahol pxyz (,, ) a valószínuségi suruségfüggvény, dxidyi dz a vizsgált elem térfogata (dv) és b egy állandó, melynek értéke: b 3 = (10) Nl A valószínuségi suruségfüggvény kifejezheto A távolságot jellemzo r távolsággal is, ahol így felírható, hogy 0 r = x + y + z (11) b pr () pxyz (,, ) e π 3 = = br 3/ (1) A rendszer termodinamikai valószínusége (w ) a 1. egyenlet felhasználásával a következoképpen írható le: w=ω pr () (13) ahol Ω az összes lehetséges térszerkezetek száma függetlenül a láncvég vektortól. A statisztikus termodinamika alapján az entrópia definíciója a következo: S = k ln w (14) ahol S az entrópia egyetlen láncra, k a oltzmann állandó. A 1. egyenletet figyelembe véve entrópiára a következo összefüggést kapjuk: ahol C egy állandó. S C kbr = (15) 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 Továbbá felírható a nominális feszültség ( σ ) a következoképpen: n S az entrópiaváltozás. 16

σ n a Fx = = λx A0 TV, (17) ahol λ x az x tengely irányában mért deformációs arány, azaz a minta aktuális hossza osztva a kiindulásival, a a szabadenergia suruség, az x tengely mentén a deformáló ero és az A 0 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). F z h 0 =1 -F y λx λy F y λ z -F z - a, b, 8. ábra: Homogén deformáció. a, deformálatlan minta; b, deformált minta A deformációt a deformációs arányokkal jellemezhetjük ( λ x, λ y, λ z ), ahol például Esetünkben h 0 =1, így a h λ x = (18) h 0 λ x, λ y, λ z a relatív hossznak felel meg. Mivel feltételeztük, hogy a deformáció során nincs térfogatváltozás, a következo összefüggést tudjuk felírni: λ iλ i λ = 1 (19) x y z 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

x, = λ x x y, = λ y y z, = λ z (0) z 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 = νk ( λ x + λ y + λ z 3) (1) A 16. és 1. egyenlet felhasználásával a szabadenergia suruség (a): 1ν kt 1 a = ( λx + λy + λz 3) = G( λx + λy + λz 3) () V 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. h 0 =1 h h 0 = λ a, b, x 1/ λ x 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 1 = λz = (3) λ Ezt az összefüggést a. egyenletbe beírva a szabadenergia suruségre a következo összefüggést kapjuk: ( x 3) λx x 1 a = G λ + (4) A 17. egyenlet felhasználásával a nominális feszültségre felírhatjuk a neo-hooke alapegyenletet [0]: σ n Fx 1 = = G( λx ) (5) A λ 0 Nagy rugalmas anyagok esetében eltérés tapasztalható a 5. egyenlettol. A nem ideális viselkedést gyakran a Mooney-Rivlin formulával jellemzzük [0,1]: λ x σ n λx x = C1+ Cλ ahol a C 1 és C a Mooney-Rivlin konstansok, és összegük adja meg magát a rugalmassági moduluszt. G=C 1 +C. Ennek segítségével el tudjuk dönteni, hogy az anyagunk ideális vagy reális viselkedést mutat e. 1 x (6) A 11. ábrán szemléltetem a gyakorlati mérések során e kétfajta ábrázolási módot, ahol D = λ λ. x x σ n húzás σ n D összenyomás reális eset C ideális eset G C 1 D 1 λ 1 a, neo-hooke ábrázolás 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 m = g p (7) s s s ahol g s a spinnel kapcsolatos nyomaték giromágneses viszonya, p s pedig az elektron spinjének vetülete egy adott tengely mentén. Az elektronnak a pályán végzett mozgásából szintén származik egy mágneses momentum érték, melyet pályamomentumnak nevezünk (p l ). Az ezzel kapcsolatos mágneses momentum a következo: m l = gp (8) l 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 = m (9) 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 ): li N 1 M = lim mi V 0 V i= 1 (30) ahol N a V tréfogatban található atomok száma, m i az i-edik részecske mágneses momentuma. Nem túlságosan eros térben a következo arányosság írható fel: M = χ H (31) ahol H a külso térerosség, χ pedig az anyag mágneses szuszceptibilitása. 0

sorolhatók: A mágneses tulajdonságok szempontjából az anyagok három fo csoportba 1. Diamágneses anyagok, melyek további három csoportba sorolhatók: a. Klasszikus diamágnesek. Ide tartoznak a nemesgázok 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 T kr homérséklet alatt megszunik. Mágneses szuszceptibilitásuk χ = 1.. 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 1. ábrán mutatom be. 1

M M t H c M r 1 3 H 1. 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 (M t ) 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 -es és 3-as görbe mentén fog változni a térero függvényében a mágnesezettség. Az ábrán látható M r a remanens mágnesezettségi érték és H c az úgynevezett koercitiv ero értéke, ami szintén az adott anyagra jellemzo paraméter. Ezen értékek alapján további csoportokba sorolhatók a ferromágneses anyagok [,3].

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 (3) ahol a mágneses indukció. Ezen túlmenoen egy eredo ero is hat rájuk, aminek hatására a részecskék a nagyobb téreroség irányába mozdulnak el: F = ( m ) (33) A 13. ábrán e jelenség demonstrációját mutatom be. 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. 14. ábra: Magnetoforetikus erok homogén mágneses térben. 3

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 momentumok 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: υ υ = υ1 υ m 1 r = R m 1 υ 1 e r 15. ábra: A szálasodás értelmezésekor használt modell sematikus rajza. Vizsgáljuk meg a -es dipólusunknak a potenciális energiáját (E ), melyet a következoképpen írhatunk fel: E = m (34) 1 ahol m a -es dipólus mágneses momentuma és 1 az 1-es dipólus mágneses indukciója a -es pontjában. A 1 a következo képlettel számolható: 4

µ 0 3( mrr 1 ) mr 1 µ 0 3( me 1 r) er m1 1 = = (35) 5 3 4π r 4π r ahol e r az r vektor egységvektora és µ 0 a vákuum permeabilitása. A 34. és a 35. egyenletbol megkapjuk az E potenciális energia értékét: E Továbbá felírhatjuk, hogy µ 3( me )( me ) mm = (36) 4π R 0 1 r r 1 3 me = m cosυ 1 r 1 1 me = m cos( υ υ ) r 1 mm = mm cosυ 1 1 (37) ahol υ 1 és υ a 15. ábrán látható szögek. Ha ezt beírjuk a 36. egyenletbe, akkor megkapjuk a potenciális energia υ1 -tol és υ -tol való függését: ahol E µ mm = f ( υ, υ ) (38) 3 4π R 0 1 1 f ( υ, υ ) = 3cosυ cos( υ υ ) cosυ (39) 1 1 1 Tudjuk, hogy egy magára hagyott rendszer mindig energiaminimumra törekszik, tehát azt nézzük meg, hogy mely υ 1 és υ értékeknél lesz az E potenciális energiának minimuma, vagyis az f ( υ1, υ) függvénynek maximuma. Numerikusan kiszámolható, hogy az f ( υ1, υ ) függvénynek a υ1 = kπ és υ = lπ helyeken lesz a maximuma (ahol k és l pozitív egész szám), vagyis ezeknél a szögeknél lesz az E( R, υ1, υ ) potenciális energia- függvénynek minimuma. A 3. képlet figyelembe vételével a két dipólusunk a 16. ábrán látható módon fog elhelyezkedni. 5

m r = R e r m 1 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. 6

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 mozgássá alakítani. Ez a jelenség termodinamikai törvényszeruségekkel jól magyarázható. A nagyrugalmas deformációnál tárgyalt 6. egyenlet felhasználásával a térhálóban ható ero felbontható egy energetikai - és egy entrópiatagra: A U S f T = = l l l TV, TV, TV, 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.. 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. (40) 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 7

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.. Energiavezérelt polimer gélek Ebbe a csoportba tartoznak a külso mágneses és elektromos térre érzékeny polimer gélek. A ME Fizikai Kémia Tanszéken Dr. Zrínyi Miklós vezette MTA-ME 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 [4-39]. 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. 8

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: Mágneses 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. 9

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 [4-53]. Ezek közül én most 3 fontosabbat emelek ki. A udapesti 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 0. ábrán mutatom be. 0. ábra: Rugalmassági modulusz változása a mágneses tér függvényében. Az ábrán?g a modulusz változása mágneses tér hatására és G 0 a ferrogél modulusza. Megállapították, hogy a rugalmassági modulusz értékének telítodése 1,5- 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 + σ (41) Az elasztikus feszültség számolható a neo-hooke egyenletbol, a mágneses tag pedig a mágneses energia suruségbol (W M ), a következo egyenlet alapján: el M 31

σ W γ M M = ahol γ az a deformáció, amit a deformáció irányába mérünk. W m a következo (4) egyenlettel fejezheto ki: W m = µ MH (43) 0 eff Miután H eff térerosség függ a demágnesezési koefficienstol, ami összefügg a gél deformációjával, W m függ a γ -tól mind M -ban mind változása a következo képlettel írható fel: 1 3 lim W G = m γ 0 γ Heff -ben. Emiatt a G modulusz Ezen egyenletek segítségével kiszámolták a?g értékét numerikusan, amit a 1. ábrán mutatok be. (44) Elméleti Kísérleti 1. ábra: Számolt és mért rugalmassági modulusz változás értékei a mágneses tér függvényében. Az ábrán is jól látható, hogy az általuk számolt rugalmassági modulusz értékek 3-4-szer nagyobbak, mint a mért értékek. Japánban a Venture usiness 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 [4-44]. Töltoanyagként bárium ferritet (afe 1 O 19 ) használtak. A részecskeméret 45 µm a 3

töltoanyag koncentráció 10 m/m% és 15 m/m% volt. A térhálósító tartalom 0,5 és,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. ábrán mutatom be.. ábra: Lehetséges mérési elrendezodés. a, mágnesezés elotti; b, c, mágnesezés utáni elrendezodés Mérték a minták mágnesezés elotti moduluszát (.a ábra) és a mágnesezés utáni moduluszt. A mágnesezés után két különbözo irányban lehet a moduluszt meghatározni, a maradó mágnesezettségi irányra merolegesen (.b ábra), és párhuzamosan (.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 3. ábrán mutatok be. 3. ábra: Hang terjedési sebességi a mintán belül különbözo deformáció mellett. 33

A longitudinális moduluszt a következo képlettel számolták: M = ρv (45) ' ahol ρ a mágneses gél surusége és v a hang terjedési sebessége a mágneses gélben. Az általuk kapott mérési eredményeket a 4., 5. és a 6. ábrákon mutatom be. 4. 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 5. ábra: Longitudinális modulusz mágneses géleknél, 10 m/m% töltoanyag tartalom és,0 mol% térhálósító tartalom mellett.? : mágnesezés elotti mérések; o: mágnesezés után mérések a, mágnesezettségi vektorral meroleges mérés; b, mágnesezettségi vektorral párhuzamos mérés 34

6. 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 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. σ A homogén eloszlású mintáknál azt tapasztalták, hogy a H nem befolyásolja a -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 ( nagyon kis H- nál, másrészt pedig van egy maradék növekmény is ( σ st σi ) (7. ábra). ), már 35

7. ábra: Húzásos test, φ = 15%. 8. ábra: Töltoanyag tartalom hatása; H = 13 ka/m. A 8. ábrán jól látható, hogy a töltoanyag tartalom növelésével nott 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

9. ábra: A feszültség növekedése különbözo tereknél. A 9. 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 σi -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

. 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 ME 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 Fe 3 O 4 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 3 o C-on: 800-100 mpa*s) és Elastosil 604 RT -t (viszkozitás 3 o C-on: 400-800 mpa*s) (Wacker Co.) oligomereket, Tween 65 (Polioxietilén-szorbitán-trisztearát, Merck) felületaktív anyagot (HL = 10,5), karbonil-vasat (vas-pentakarbonil termikus bontásával állítják elo, átlagos részecskeméret:,5 µm, méreteloszlás: 10% <1,5 µm, 50 % <,0 µm, 90% <3,5µm, S ET =0,7 m /g, ASF, Aktiengesellschaft, Németország) és Fe 3 O 4 -ot (ayferrox 318M) (átlagos részecskeméret: 0, µm, S ET =10 m /g, ayer AG, Németország) további tisztítás nélkül használtam fel. (A mágnesezettségi mérések a KFKI Kísérleti Szilárdtestfizika osztályán készület légkondicionált szobában vibrációs- minta (Foner-type) magnetométerrel. M [emu/g] 1 M [emu/g] 00 0 100-1 30 M [emu/g] 0 - -3 - -1 0 1 3 [mt] 30. ábra Karbonil-vas mágnesezettségi görbéje. M [emu/g] 0 0,0 0,5 1,0 1,5,0 80 [T] 10 0-10 -0 60 40 0-30 -30-0 -10 0 10 0 30 [mt] 31. ábra Fe 3 O 4 mágnesezettségi görbéje. 0 0,0 0,5 1,0 1,5,0 [T] 39

3.. Elasztomerek eloállítása 3..1. Izotrop elasztomerek eloállítása A poli(dimetil-sziloxán) elasztomerek (továbbiakban PDMS elasztomerek) eloállításához Elastosil 604 RT A és Elastosil 604 RT anyagokat használtam. Az A komponens tartalmazza a polimert ill. a Pt tartalmú katalizátort, a komponens pedig a térhálósítót. A térháló képzodését a 3. 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 Fe 3 O 4 (ayferrox 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 komponenst, melynek koncentrációját a térhálósítandó mintákban,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 Si CH=CH + R polimer R O Si CH=CH + R polimer O H Si R O R Si R O R Si R O H Si R O térhálósító Pt-katalizátor R O Si CH CH R O Si R O R Si R O R Si R R O O Si CH CH Si R R O 3. ábra Poli(dimetil sziloxán) gélstruktúra kialakulása. 3... 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

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 helyeztem 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. 4

=400 mt 6 cm 15 cm minta Az elektromágnes pólusai 34. ábra: Kocka alakú anizotrop PDMS elasztomerek eloállítása mágneses térben. öntoformából. A térhálósodás befejezodése után a kocka alakú mintát eltávolítottam az 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 maximális értéke a mérések során 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

F [N] 0,69 0,68 0,67 0,66 0,65 0 5 10 15 0 5 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.. 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 egymáshoz viszonyított helyzete alapján. A rugalmassági modulusz mágneses tértol való függésének meghatározására a 38. ábrán bemutatott mérési elrendezéseket alkalmaztam. a, b, 38. ábra: Izotrop elasztomerek rugalmassági moduluszának meghatározása a mágneses tér és az alkalmazott összenyomó ero irányának függvényében. az x irányú összenyomás, 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 =0-400 mt térerosség között határoztam meg. A 38.b ábrán e két irány egymással párhuzamos. Ebben a mérési elrendezodésben az elasztomer rugalmassági moduluszait =0-100 mt térerosség között határoztam meg, mivel az elektromágnes nagyobb térero elérésére nem volt alkalmas. 47

3.4.. 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 párhuzamos ezzel a kialakult szerkezettel. Ez a fajta mérési elrendezés a 39. ábrán látható. 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. a, b, c, 40. ábra: 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 =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 =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 =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. 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 =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 Fe 3 O 4 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: E G ( ) = G + G ( ) (46) 0 E ahol G 0 a minta tér nélkül mért rugalmassági modulusza, a G ( ) 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 E mágneses részecskék eloszlásától. Korábbi munkákban a G ( ) -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 M M M = χh. Elméleti megfontolásokból következik [15], hogy kis térerosség mellett a rugalmassági modulusz tér hatására bekövetkezett növekedése négyzetesen arányos az indukcióval: G ( ). Nagy térerosség mellett miután a mágnesezettség telítodik E M nem várható a rugalmassági modulusz további növekedése, így a modulusz egy telítési E értékhez fog tartani: lim GM( ) = GM,. Ha az elobb említett eseteket két szélso kritériumnak vesszem, akkor a rugalmassági modulusz növekedését a következezo fenomenológikus egyenlettel írhatom le: eff 50

E GM( ) = G a M, + (47) ahol paraméter. a és a GM, egy adott mérési elrendezés mellett az anyagra jellemzo Kis téreronél, amikor mutat a mágneses tértol: E << a a 47. egyenletben a G ( ) egy négyzetes függést M E G GM ( ) a M, (48) Nagy térerosségnél, amikor független a mágneses tértol: a E <<, akkor a 47. egyenletben a G ( ) M G E M( ) GM, (49) Ezek alapján belátható, hogy a 47. egyenlet mindkét felállított szélso kritériumnak megfelel. meg: A 47. egyenlet paraméterei ( a és GM, ) az egyenlet linearizációjával adhatók a 1 G G G = + (50) E M( ) M, M, Ha ábrázoljuk a függvényében a E / GM ( ) -t, akkor a kapott pontokra illesztett egyenes meredekség megadja 1/ GM, értékét, a tengelymetszet pedig a a / G -t. A 4. ábrán látható egy kísérleti adatok ilyen fajta ábrázolása. 10 3 M, E G ( ) M ( mt ) kpa 6 4 E G ( ) M ( mt) kpa 400 00 0 0,0 0,5 1,0 1,5 5 10 [( mt)] 0 0 5 10 3 10 [( mt)] 4. ábra: A E / GM ( ) -tol való függése. 51

A linearizált függvényre illesztett egyenes paraméteribol meghatároztam az a E és a GM, értékeket. A 43. ábrán mutatom be, hogy hogyan függ a GM ( ) a mágneses tértol. E G() M [kpa] 8 6 4 0 30 m/m% 0 m/m% 10 m/m% 0 100 00 300 400 [mt] 43. ábra: 3,5 m/m % térhálósító tartalmú anizotrop elasztomerek mágneses tér hatására bekövetkezett E rugalmassági modulusz növekedése G ( ) M különbözo karbonil-vas töltoanyag tartalom mellett. A 43. ábrán ábrázolt pontok a mérési eredményekbol számított értékeknek E felelnek meg ( GM ( ) = G ( ) G0, ahol G 0 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 és GM, paraméterek értékébol határoztam meg. Azokon az ábrákon is jól látható a kísérleti hibán belüli egyezés. Az a értéke a felírható görbe alakját határozza meg, a GM, értéke pedig a maximálisan elérheto rugalmassági modulusz növekedést. mutatom be. A különbözo esetekben számított a a, GM, értékeket az 1. függelékben 5

4.. Izotrop kompozit elasztomerek Munkám során sikerrel állítottam elo olyan diszperziókat, amelyek eros magnetoreológiai (MR) tulajdonsággal rendelkeznek. A karbonil-vas és a Fe 3 O 4 (ayferrox 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, Fe 3 O 4 (ayferrox 318) Szisztematikusan vizsgáltam karbonil-vas és Fe 3 O 4 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