Parameters effecting the rheology of particle filled polymeric suspensions

Abstract

Bu çalışmada, flokule mikroyapıya sahip, düşük konsantrasyonlu anizotropik parçacıklardan oluşan kolloidal süspansiyonların reolojik davranışları incelenmiştir. İlk olarak, belirtilen süspansiyonlardaki kayma kalınlaşması fenomenine ait literatürde yer alan teorik boşluğu ele almak amacıyla, viskozite ölçümleriyle aynı anda gerçekleşen elektriksel direnç ölçümleri ve cryo-TEM analizleri kullanılarak, yalıtkan ortamda (PEG) dağıtılmış iletken parçacıklara (CNT, grafen) ait süspansiyonlar analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, kayma kalınlaşması bölgesinde mikroyapıda meydana gelen karasızlık nedeniyle parçacıkların daha iyi dağıldığını göstermektedir. İkinci olarak, morfolojinin bu süspansiyonaların reolojisine etkisini incelemek amacıyla, farklı morfolojiye sahip parçacıklar (kil, organo-kil, haloysit, CNT, grafen, füme silika) çalışılmıştır. Akış esnasında mikroyapıda meydana gelen değişimleri incelemek amacıyla, sürekli ve dinamik reolojik analizler kullanılmıştır. Bu çalışmada, kil, haloysit, organo-kil ve grafen yüksek deformasyon frekanslarında kayma kalınlaşması davranışı gösterirken, CNT içeren süspansiyonlar kayma incelmesi davranışı göstermektedirler. Sonuçlar, CNT içerikli dispersiyonlarda aglomerasyona bağlı olarak parçacık dağılımının engellendiğini işaret etmektedir; bu durum kayma incelmesi davranışına neden olmaktadır. Üçüncü olarak parçacık-parçacık ve parçacık-polimer etkileşimini incelemek amacıyla, füme silika parçacıklarının yüzeyi üç farklı organo-fonksiyonel grup (epoxy, amin ve kuaternar amonyum bileşiği) içeren silan ajanları kullanılarak modifiye edilmiştir. Dinamik ışık saçılımı (DLS) sonuçları, modifiye edilen silika parçacıklarının daha küçük parçacık boyutuna sahip olmasından ötürü, füme silikaya göre sürekli faz içersinde daha iyi dağıldığını göstermektedir. Epoksi sonlu gruplar ile kaplanan silika parçacıklarının (EPPTMSi) daha ileriki kayma oranlarında (27 s-1) kayma kalınlaşması davranışı gösterdiği gözlemlenmiştir. Ancak, amin (AEAPTMSi) ve kuaterner amonyum (QuadSi) sonlu parçacıklar kayma incelmesi davranışı göstermiştir. Bu pozitif sonuç, daha kolay dispersiyon ile uygulamaya yönelik `ayarlanabilen malzeme` dizaynına işaret etmektedir. Dördüncü olarak, sıcaklığın süspansiyonların reolojisine olan etkisi incelenmiştir. Sabit gerilim altında sıcaklık taraması sonuçlarında; sol-jel dönüşümünün gerçekleştiği sıcaklıkta, jel oluşumunun meydana geldiği gözlemlenmiştir. Ayrıca, sıcaklığa bağlı olarak, silika parçacıklarının polimerik sürekli faz içerisindeki Brownsal hareketinde meydana gelen artış nedeniyle, tüm süspansiyonlarda viskozite artışı gözlemlenmiştir. Hidrodinamik kuvvetler dilatant davranışını tetiklemektedir. Son olarak, sonuçlarımız aglomera halde bulunan, düşük konsantrasyonlu (% 20 k/k) anizotropik parçacık içeren polimerik sıvıların da kayma kalınlaşması davranışı gösterdiğini doğrulamaktadır. Bu gözlem, tek tane boyut dağılımına sahip yüksek konsantrasyonlu (% 40 k/k) izotropik parçacık içeren dolgulu polimerik sistemlerle ilgili reolojik araştırmalardan farklıdır. Düşük parçacık içeriği, sıvı zırh, darbe sönümleyici ve sismik cihazlar gibi kayma kalınlaşması davranışı gösteren sıvıların uygulamalarında, ağırlıkta bir azalma sağlamaktadır.

In this work, the rheology of colloidal suspensions composed of low weight fraction, agglomerated, anisotropic particles with flocculated microstructure have studied. Firstly, viscosity and electrical resistance measurements were utilized together with cryo-TEM for conductive particles (CNT and graphene) dispersed in non-conducive media (PEG) so as to address the theoretical gap regarding the shear thickening phenomenon in these suspensions, our results revealed that in the shear thickening region, particles dispersed well due to the instability of the microstructure. Secondly, particles with different morphologies (clay, organoclay, halloysite, CNT, graphene, fumed silica) were also studied to understand the effect of morphology to the rheological behavior of these suspensions. Steady and dynamical rheological measurements were performed to analyze the microstructure formation during flow. Halloysite, clay and organoclay particles and graphene in this research experienced shear thickening behavior under large deformation frequencies; however, suspensions containing CNT showed shear thinning. The results point out that the dispersion of CNTs was hindered due to agglomeration which results in shear thinning behavior. Thirdly, to investigate particle-particle and particle-polymer interactions, the surface of fumed silica particles was modified with silane coupling agents with three different organo-functional groups (epoxy, amine and quaternary ammonium compound). Dynamic light scattering (DLS) results showed that the smaller particle size reflects improved dispersion of modified silica particles in continuous media when compared with that of fumed silica. Shear thickening behavior at earlier critical shear rates (27 s-1) was evidenced by particles covered with epoxy end groups (EPPTMSi); however particles with amine (AEAPTMSi) and quaternary ammonium compound (QuadSi) end functional groups demonstrates shear thinning behavior. This positive outcome indicates that surface modification of nanoparticles enables designing of `tunable materials` depending on the application with the ease of dispersion. Better dispersion occurs with tunable materials containing easily dispersible nanoparticles. Fourthly, effect of temperature on the rheological response of suspensions was investigated. Temperature sweep results with constant stress showed that gel formation is observed when the temperature reaches to a critical point where sol-gel transition takes place. It is also observed that, the viscosity of all suspensions increase with increasing temperature; because the Brownian motion of silica particles in polymeric media increase with increasing temperature and the hydrodynamic forces induce dilatancy phenomenon. Finally, our results showed that polymeric fluids containing agglomerated, anisotropic particles with low weight fraction (20 wt %) also exhibit shear thickening behavior. This observation differs from relevant research about the rheology of filled polymer systems which are composed of monodispersed, isotropic particles with high volume fraction (40 wt%). Low particle loading provides reduction in weight in terms of shear thickening fluid applications, such as liquid armor, shock absorbent and seismic devices.