1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Коллоидный журнал
  4. T. 85, № 3, 2023

Коллоидный журнал, 2023, T. 85, № 3, стр. 339-349

Натуральные электрореологические жидкости на основе частиц целлюлозы в оливковом масле: размерный эффект наполнителя

Н. М. Кузнецов 1, *, В. В. Ковалева 1, А. Ю. Вдовиченко 1, 2, С. Н. Чвалун 1, 2

1 Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
123182 Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1, Россия

2 Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова Российской академии наук
117393 Москва, Профсоюзная ул., д. 70, Россия

* E-mail: kyz993@yandex.ru

Поступила в редакцию 16.03.2023
После доработки 11.04.2023
Принята к публикации 11.04.2023

Аннотация

Исследовано реологическое поведение 1 мас. % суспензий микро- и наноцеллюлозы в оливковом масле при различной напряженности электрического поля до 7 кВ/мм. Морфология частиц была подтверждена методами оптической и электронной микроскопии. Под действием электрического поля наблюдается контрастный переход от чисто вязкого поведения жидкостей к твердоподобному, при этом у суспензий появляется предел текучести и модуль накоплений. Обнаружен более высокий электрореологический отклик суспензий, наполненных наноцеллюлозой по сравнению с микроцеллюлозой. На основании зависимостей статического предела текучести от напряженности электрического поля проведен анализ механизма электрореологического эффекта. Исследования диэлектрической спектроскопии позволили выявить связь между электрофизическими характеристиками суспензий и их реологическим поведением. Использование полностью природных компонентов показало перспективность создания новых, экологически безопасных “умных” материалов.

Список литературы

  1. Warner J.C., Cannon A.S., Dye K.M. Green chemistry // Environmental Impact Assessment Review. 2004. V. 24. № 7–8. P. 775–799. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2004.06.006

  2. Anastas P., Eghbali N. Green chemistry: Principles and practice // Chemical Society Reviews. 2010. V. 39. № 1. P. 301–312. https://doi.org/10.1039/b918763b

  3. Converging Technologies for Improving Human Performance: Nanotechnology, Biotechnology, Information Technology and the Cognitive Science / Eds. Roco M.C., Bainbridge W.S. Arlington, Virginia, 2002. 482 p.

  4. Ковальчук М.В., Нарайкин О.С., Яцишина Е.Б. Природоподобные технологии: новые возможности и новые вызовы // Вестник Российской академии наук. 2019. Т. 89. № 5. P. 455–465. https://doi.org/10.31857/S0869-5873895455-465

  5. Meng H., Li G. A review of stimuli-responsive shape memory polymer composites // Polymer. 2013. V. 54. № 9. P. 2199–2221. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2013.02.023

  6. Musarurwa H., Tavengwa N.T. Stimuli-responsive polymers and their applications in separation science // Reactive and Functional Polymers. 2022. V. 175. P. 105282. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2022.105282

  7. Безсуднов И.В., Хмельницкая А.Г., Калинина А.А. и др. Материалы и конструкции диэлектрических актюаторов // Успехи химии. 2023. Т. 92. RCR5070. https://doi.org/10.57634/RCR5070

  8. Зарипов А.К. Упругие свойства магнитных жидкостей // Коллоидный журнал. 2021. Т. 83. № 6. С. 634–643. https://doi.org/10.31857/S0023291221060185

  9. Русаков В.В., Райхер Ю.Л. Нелинейная восприимчивость вязкоупругого ферроколлоида: влияние поля смещения // Коллоидный журнал. 2022. Т. 84. № 6. С. 780–792. https://doi.org/10.31857/S002329122270001X

  10. Murashkevich A.N., Alisienok O.A., Zharskii I.M. et al. Modified titania and titanium-containing composites as fillers exhibiting an electrorheological effect // Inorganic Materials. 2013. V. 49. № 2. P. 165–171. https://doi.org/10.1134/S0020168513020209

  11. Агафонов А.В., Краев А.С., Герасимова Т.В. и др. Свойства электрореологических жидкостей на основе нанокристаллического диоксида церия // Журнал неорганической химии. 2017. Т. 62. № 5. С. 627–635. https://doi.org/10.7868/S0044457X17050026

  12. Metayer C., Sterligov V.A., Meunier A. et al. Field induced structures and phase separation in electrorheological and magnetorheological colloidal suspensions // Journal of Physics-Condensed Matter. 2004. V. 16. № 38. P. S3975–S3986. https://doi.org/10.1088/0953-8984/16/38/015

  13. Park D.E., Chae H.S., Choi H.J. et al. Magnetite-polypyrrole core-shell structured microspheres and their dual stimuli-response under electric and magnetic fields // Journal of Materials Chemistry C. 2015. V. 3. № 13. P. 3150–3158. https://doi.org/10.1039/c5tc00007f

  14. Kim H.M., Jeong J.Y., Kang S.H. et al. Dual electrorheological and magnetorheological behaviors of poly(N-methyl aniline) coated ZnFe2O4 composite particles // Materials. 2022. V. 15. P. 2677. https://doi.org/10.3390/ma15072677

  15. MR Fluid Brake [Electronic resource] // Akebono Brake Industry Co., Ltd. URL: https://www.akebono-brake.com/english/product_technology/technology/ next_generation.html (accessed on March 15, 2023).

  16. Kuznetsov N.M., Kovaleva V.V., Belousov S.I. et al. Electrorheological fluids: From historical retrospective to recent trends // Materials Today Chemistry. 2022. V. 26. P. 101066. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2022.101066

  17. Kuznetsov N.M., Bakirov A.V., Banin E.P. et al. In situ X-ray analysis of montmorillonite suspensions in polydimethylsiloxane: Orientation in shear and electric field // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021. V. 622. P. 126663. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126663

  18. Kuznetsov N.M., Vdovichenko A.Y., Bakirov A.V. et al. The size effect of faceted detonation nanodiamond particles on electrorheological behavior of suspensions in mineral oil // Diamond and Related Materials. 2022. V. 125. P. 108967. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.108967

  19. Кузнецов Н.М., Ковалева В.В., Загоскин Ю.Д. и др. Особенности применения композиционных пористых полимерных частиц в качестве наполнителей электрореологических жидкостей // Российские нанотехнологии. 2021. Т. 16. № 1. С. 125–132. https://doi.org/10.1134/S199272232101012X

  20. Ma N., Dong X. Effect of carrier liquid on electrorheological performance and stability of oxalate group-modified TiO2 suspensions // Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. 2017. V. 32. № 4. P. 854–861. https://doi.org/10.1007/s11595-017-1679-6

  21. Sokolov M.A., Kuznetsov N.M., Belousov S.I. et al. Effect of the dispersion medium viscosity on the electrorheological behavior of halloysite suspensions in polydimethylsiloxane // ChemChemTech. 2021. V. 64. № 11. P. 79–85. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216411.6402

  22. Korobko E.V., Novikova Z.A. Features of the mechanisms of conductivity of the electrorheological fluids with double doped TiO2 particles under external temperature effects // Frontiers in Materials. 2019. V. 6. P. 1–9. https://doi.org/10.3389/fmats.2019.00132

  23. Li X., Yan G., Wang J. et al. Effect of a temperature threshold on the electrorheological performance of ionic liquid crystal polyanilines // Journal of Molecular Liquids. 2021. V. 326. P. 115299. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.115299

  24. Ковалева В.В., Кузнецов Н.М., Вдовиченко А.Ю. и др. Влияние температуры на электрореологическое поведение частиц пористого хитозана в полидиметилсилоксане // Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах. 2022. Т. 502. С. 54–59. https://doi.org/10.31857/S2686953522010071

  25. Wen W., Huang X., Yang S. et al. The giant electrorheological effect in suspensions of nanoparticles // Nature Materials. 2003. V. 2. № 11. P. 727–730. https://doi.org/10.1038/nmat993

  26. Shen R., Wang X., Lu Y. et al. Polar-molecule-dominated electrorheological fluids featuring high yield stresses // Advanced Materials. 2009. V. 21. № 45. P. 4631–4635. https://doi.org/10.1002/adma.200901062

  27. Li J., Gong X., Chen S. et al. Giant electrorheological fluid comprising nanoparticles: Carbon nanotube composite // Journal of Applied Physics. 2010. V. 107. № 9. P. 093507. https://doi.org/10.1063/1.3407503

  28. Lee S., Lee J., Hwang S.H. et al. Enhanced electroresponsive performance of double-shell SiO2/TiO2 hollow nanoparticles // ACS Nano. 2015. V. 9. № 5. P. 4939–4949. https://doi.org/10.1021/nn5068495

  29. Lee S., Yoon C.-M., Hong J.-Y. et al. Enhanced electrorheological performance of a graphene oxide-wrapped silica rod with a high aspect ratio // Journal of Materials Chemistry C. 2014. V. 2. № 30. P. 6010–6016. https://doi.org/10.1039/C4TC00635F

  30. Noh J., Yoon C.M., Jang J. Enhanced electrorheological activity of polyaniline coated mesoporous silica with high aspect ratio // Journal of Colloid and Interface Science. 2016. V. 470. P. 237–244. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2016.02.061

  31. Agafonov A.V., Kraev A.S., Teplonogova M.A. et al. First MnO2-based electrorheological fluids: High response at low filler concentration // Rheologica Acta. 2019. V. 58. № 11–12. P. 719–728. https://doi.org/10.1007/s00397-019-01175-7

  32. Oh S.Y., Oh M.K., Kang T.J. Characterization and electrorheological response of silica/titania-coated MWNTs synthesized by sol−gel process // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2013. V. 436. P. 354–362. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2013.06.037

  33. Kuznetsov N.M., Belousov S.I., Kamyshinsky R.A. et al. Detonation nanodiamonds dispersed in polydimethylsiloxane as a novel electrorheological fluid: Effect of nanodiamonds surface // Carbon. 2021. V. 174. P. 138–147. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.12.014

  34. Kuznetsov N.M., Zagoskin Y.D., Vdovichenko A.Y. et al. Enhanced electrorheological activity of porous chitosan particles // Carbohydrate Polymers. 2021. V. 256. P. 117530. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117530

  35. Choi K., Gao C.Y., Nam J. Do et al. Cellulose-based smart fluids under applied electric fields // Materials. 2017. V. 10. № 9. P. 1060–1081. https://doi.org/10.3390/ma10091060

  36. Kovaleva V.V., Kuznetsov N.M., Istomina A.P. et al. Low-filled suspensions of α-chitin nanorods for electrorheological applications // Carbohydrate Polymers. 2022. V. 277. P. 118792. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118792

  37. Богданова О.И., Чвалун С.Н. Природные и синтетические нанокомпозиты на основе полисахаридов // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2016. Т. 58. № 5. С. 407–438. https://doi.org/10.1134/S0965545X16050047

  38. Богданова О.И., Истомина А.П., Чвалун С.Н. Композиты на основе наночастиц хитина и биоразлагаемых полимеров для медицинского применения: получение и свойства // Российские нанотехнологии. 2021. Т. 16. № 1. С. 50–79. https://doi.org/10.1134/S1992722321010039

  39. Davies J.L., Blagbrough I.S., Staniforth J.N. Electrorheological behaviour at low applied electric fields of microcrystalline cellulose in BP oils // Chemical Communications. 1998. V. 19. P. 2157–2158. https://doi.org/10.1039/a806533k

  40. Sung J.H., Choi H.J., Jhon M.S. Electrorheological response of biocompatible chitosan particles in corn oil // Materials Chemistry and Physics. 2003. V. 77. № 3. P. 778–783. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(02)00167-0

  41. Hong C.H., Sung J.H., Choi H.J. Effects of medium oil on electroresponsive characteristics of chitosan suspensions // Colloid and Polymer Science. 2009. V. 287. № 5. P. 583–589. https://doi.org/10.1007/s00396-009-2006-3

  42. Yavuz M., Tilki T., Karabacak C. et al. Electrorheological behavior of biodegradable modified corn starch/corn oil suspensions // Carbohydrate Polymers. 2010. V. 79. № 2. P. 318–324. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2009.08.008

  43. Kuznetsov N.M., Zagoskin Y.D., Bakirov A.V. et al. Is chitosan the promising candidate for filler in nature-friendly electrorheological fluids? // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2021. V. 9. P. 3802–3810. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c08793

  44. García-Morales M., Fernández-Silva S.D., Roman C. et al. Preliminary insights into electro-sensitive ecolubricants: A comparative analysis based on nanocelluloses and nanosilicates in castor oil // Processes. 2020. V. 8. № 9. P. 1060. https://doi.org/10.3390/pr8091060

  45. Zarubina A.N., Ivankin A.N., Kuleznev A.S. et al. Cellulose and nano cellulose. Review // Forestry Bulletin. 2019. № 135. P. 116–125. https://doi.org/10.18698/2542-1468-2019-5-116-125

  46. Zhang W.L., Deng L., Liu J. et al. Unveiling the critical role of surface oxidation of electroresponsive behaviors in two-dimensional Ti3C2Tx MXenes // Journal of Physical Chemistry C. 2019. V. 123. № 9. P. 5479–5487. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b11525

  47. Jang H.S., Kwon S.H., Lee J.H. et al. Facile fabrication of core-shell typed silica/poly(diphenylamine) composite microparticles and their electro-response // Polymer. 2019. V. 182. P. 121851. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2019.121851

  48. Ikazaki F., Kawai A., Uchida K. et al. Mechanisms of electrorheology: The effect of the dielectric property // Journal of Physics D: Applied Physics. 1998. V. 31. № 3. P. 336–347. https://doi.org/10.1088/0022-3727/31/3/014

  49. Goodacre R., Vaidyanathan S., Bianchi G., Kell D.B. Metabolic profiling using direct infusion electrospray ionisation mass spectrometry for the characterisation of olive oils //Analyst. 2002. V. 127. № 11. P. 1457–1462. https://doi.org/10.1039/B206037J

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Коллоидный журнал

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал