Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von ER-Fluiden sowie deren Wirkung in einem Modellaktor. Bei den ER-Fluiden handelt es sich um partikelhaltige Fluide auf Basis von Polyacrylat, sulfonierten Polystyrolcopolymeren und Naphthalin-2-sulfonsäure. Da die Partikel für die ER-Fluide kommerziell nicht zur Verfügung standen, wurden diese hergestellt und zu ER-Fluiden verarbeitet. Da es zu diesen Fluiden in der Literatur keine Informationen über die Materialeigenschaften gibt, war es notwendig, die Fluide in einem für die Elektrorheologie gebauten Rheometer zu charakterisieren. Für das Elektrorheometer wurde eine Software eingesetzt, die eine standardisierte Vorgabe der Messbedingungen zulässt und gleichzeitig die erhaltenen Messwerte erfasst. Neben der Charakterisierung im Rheometer erfolgt die Spezifizierung der haptischen Wirkung an einem Modellaktor (Plattenaktor). Für die Tests mit diesem Plattenaktor wurde ein Kraftmesssystem konstruiert und die dazugehörige Software entwickelt und optimiert. Für die Herstellung der ER-Fluide werden Partikel in der Größenordnung von 10 bis 40 µm benötigt. Die Partikel auf Polyacrylat- und Napthalin-2-sulfonsäurebasis lassen sich wegen der Wasserlöslichkeit der Polymere durch Sprühtrocknen aus ihren Polymerlösungen gewinnen. Bei den Fluiden mit Poly(natriumacrylat) konnte durch Variation des Wassergehalts der Partikel und deren Konzentration im Fluid die Größe des ER-Schubmodul gesteigert werden. Die im elektrischen Feld auftretenden Stromdichten sind sehr klein und stellen somit kein Problem für eine Vielzahl von baugleichen Mikroaktoren dar. Das mittels Formaldehyd kondensierte Naphthalin-2-sulfonsäure Natriumsalz zeigt mit steigender Polymerkonzentration im Fluid den erwarteten Anstieg des ER-Effekts. Problematisch für die technische Anwendung dieses Materials als ER-Fluid ist die hohe Stromdichte, die erhöhte Sicherheitsmaßnahmen erforderlich macht. Bei den ER-Fluiden auf Basis von sulfonierten Polystyrolcopolymeren werden die Partikel durch Suspensionspolymerisation aus Styrol und Divinylbenzol hergestellt. Bei der Herstellung der Polymerpartikel wurden Parameter wie die Art der Kationen, die Sulfonierungsart, der Vernetzungsgrad und die chemische Zusammensetzung systematisch geändert. So konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von unterschiedlichen Kationen bei gleicher Polymerzusammensetzung und Sulfonierungsmethode der ER-Effekt bei den Natriumkationen für die geplante Anwendung am größten ist. Durch geeignete Wahl der Sulfonierungsmethode für das Polymer lässt sich eine Steigerung des ER-Effekts bei gleicher Partikelgröße und gleichen Kationen erreichen. Schließlich hat auch die Härte des Polymers einen Einfluss auf den ER-Effekt. Durch geeignete Wahl der Härte des Polymers, der Sulfonierungsmethode und der Art der Kationen lässt sich ein Maximum beim ER-Effekt erreichen. Dieses Maximum lässt sich durch die Veränderung der Monomerzusammensetzung, wie der Substitution von Styrol durch trans-Stilben, steigern. Auch hier steigt mit zunehmender Partikelkonzentration im Fluid die Größe des ER-Effekts. Bei der Betrachtung der Wirkung der Fluide im Plattenaktor zeigte sich, dass die Größe des ER-Effekts im Schermodus, bestimmt im Elektrorheometer, z.T. verifiziert werden konnte. Die erreichte Kraftwirkung im Plattenaktor ist somit direkt proportional zur Größe des ER-Effekts. Für die Anwendung im Aktorsystem lässt sich Poly(natriumacrylat)-ERF verwenden. Das ER-Fluid besitzt ein hohes zeitlich stabiles ER-Schermodul bei gleichzeitig niedriger Stromdichte. Einen zeitlich stabilen ER-Effekt weisen auch die sulfonierten Polystyrolcopolymere auf, jedoch ist die Stromdichte für die Anwendung deutlich zu hoch. Aus diesem Grund und wegen des kleineren ER-Effekts ist eine Verwendung des ER-Fluids auf Basis von Naphthalin-2-sulfonsäure nicht von Vorteil. Da die von mir verwendeten partikelhaltigen Fluide aufgrund des Dichteunterschieds zwischen den Partikeln und dem Fluid nicht sedimentationsstabil sind, ist eine Stabilisierung der Fluide durch bessere Dichteanpassung für die technische Anwendung im Aktor empfehlenswert. Aus den Versuchen ergibt sich, dass mit den ER-Fluiden Kräfte bis 2,3 N bei 3 kV/mm (Gleichspannung) im Plattenaktor erreicht werden konnten. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass diese hergestellten ER-Fluide in einem miniaturisierten Aktorsystem Wirkung zeigen, sofern nur die Wirkfläche, nicht aber die Elektrodengeometrie geändert wird. Das Mikroaktorarray, welches auf dem Plattenaktor basiert, soll zur Darstellung von Festigkeitsverteilungen von Ultraschallelastogrammen dienen. Als weitere Anwendungsfelder für ein solches Array lassen sich technische Bereiche nennen, bei denen der Mensch durch die Umgebungen Gefahren ausgesetzt ist. In diese Rubrik fallen z.B. die Raumfahrt. Auch Bereiche, bei denen große Entfernungen überbrückt werden sollen, wie Tele-Instandhaltung, Telemedizin und Teleshopping, wären zu nennen. / The present thesis deals with the synthesis of different electrorheological fluids (ER fluids) and their effect on a model actuator system. The polymer particles are made of polyacrylic acid salts, salts of sulfonated polystyrene-divinylbenzene-co-polymer or naphthalen-2-sulfonic acid sodium salt. The particles are not commercially available. The particles are combined with oil to ER fluids. For these ER fluids no data exists in the literature, so it was needed to characterise them. A rheometer system, which was built to measure ER fluids in an electrical field, was used for the characterisation. Together with a specially designed software, it was possible to set and control the rheometer system and the measurement, so that standardized measurement files could be obtained. The fluids were also characterised in a model actuator (plate actuator). For the tests with the plate actuator, a special force-measurement system with software was constructed and optimised. For the ER fluids particles with a diameter between 10 and 40µm are needed. The particles based on polyacrylic acid salts and naphthalene-2-sulfonic acid sodium salt are produced by spray drying and gained from the solution of these polymers in water. The ER shear stress of fluids with poly-(sodiumacrylate) could be increased by increasing the water content and the concentration of the particles in the fluid. The current densities in the electrical field are very low and represent no problem for an array with an assembly of micro-actuators that are identical in construction. With an increased concentration of particles of naphthalene-2-sulfonic acid sodium salt condensed by formaldehyde the fluid shows the expected result. The very high current density could be problematic for a technical application. In combination with an assembly of micro-actuators which are identical in construction, it requires enhanced precautions regarding the power source and the construction. The particles for the ER fluid based on salts of sulfonated styrene-copolymers are made via suspension polymerisation. The parameters of the polymerisation to get particles were systematically varied. They are the following: type of kation, method of sulfonating the particle, the degree of cross-linking and the chemical composition of monomers. Under the same conditions, the same method of sulfonating the particles, the degree of cross-linking and the chemical composition of monomers, the sodium salts have the best ER effect among the characterised ER fluids with particles of sulfonated styrene-copolymers sodium salts. The selection of the right method for the sulfonation of the particles can increase the ER effect, even if the other parameters and the particle size are not changed. The degree of cross-linking and the hardness of the polymer have an influence on the ER effect. With a suitable selection of these parameters it is possible to get a maximum of the ER effect. A further improvement of the ER effect can be attained by a variation of the chemical composition of the polymer like substitution of a part of styrene by trans-stilbene. In this case, an increase in the ER effect resulting from the rising of the particle concentration in the fluid can also be obtained. Considering the effect of the ER fluids in the plate actuator the extent of the ER effect in the shear modulus measured in the rheometer for electrorheology could be partly verified. So for the most parts the forces measured in the plate actuator are proportional to the size of the ER effect. Well suited for the use in the actuator system is the fluid with poly-(sodium acrylate) particles. This ER fluid shows a high time-stable ER shear stress and a low current density at the same time. The ER fluids based on sulfonated polystyrene polymers show also a time-stable ER shear stress, but their current density is too high for the application aimed at. The ER fluids based on naphthalene-2-sulfonic acid sodium salt also have a very high current density and a lower ER effect. The use of these fluids is thus not advantageous. The fluids with particles are not stable in sedimentation because their densities vary. So the stabilisation of the fluid by an adjustment of the density is recommended before using it in the actuator and other applications. In the experiments the ER fluids reached forces up to 2.3 N (3 kV/mm DC) in the plate actuator. So these fluids may also have an effect in the miniaturised actuator system when the active surface of the electrodes, but not their geometry is reduced. The miniaturised actuator array based on the plate actuator. This array is to be used to show forces from an object. The forces distribution data are gained from an ultrasonic system. Further fields of applications being considered are for example aerospace, where information about dangerous forces which humans are exposed to are needed. Telemedicine, teleservices etc. are areas where this actuator array could also be helpful.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:1571 |
| Date | January 2005 |
| Creators | Baumann, Mario |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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