Core-Shell Structured Carbonyl Iron With Polystyrene Foam Microparticles Designed for Enhanced Sedimentation Stability and Its Magnetorheology

Abstract

자기유변유체는 물 또는 비수계(실리콘 오일 등)의 유체에 자화가능한 미세입자(철 마이크로 입자)를 분산시킨 현탁액으로서, 외부로부터 제공되는 강한 자기장에 따라 탄성, 소성, 점도 같은 자기유변효과를 나타내는 유체를 말한다. 자기유변유체는 외부 자기장에 의해 유변효과를 조절할 수 있기 때문에 다양한 응용분야로의 적용 가능성에 대한 관심이 증가하고 있다. 그러나 자성입자(철 마이크로 입자)와 현탁 유체와의 밀도 차에 의해 발생하는 침전현상으로 인해 자기유변유체의 실제적인 응용이 제한되고 있다. 특히 기존에 널리 사용되는 카르보닐 철 마이크로 입자는 강한 자화성과 적당한 크기 (1-10µm)를 가지고 있지만 상대적으로 무거운 특성 때문에 침전문제가 현저하다고 알려져 있다. 본 연구에서는 이러한 자기유변유체의 침전현상을 개선하기 위해 특별한 이중처리공정을 도입하여 마이크로 입자를 제조하였다. 사용된 이중처리공정은 1) 카르보닐 철 마이크로 입자의 표면에 폴리스티렌 고분자를 코팅하여 코어-쉘 구조의 카르보닐 철-폴리스티렌 복합재료를 만드는 코팅과정과 2) 초임계 이산화탄소 유체를 이용해 코팅된 폴리스티렌 고분자 쉘을 발포하는 발포과정으로 구성된다. 이렇게 제조된 마이크로 입자의 특성 및 마이크로 입자를 이용한 자기유변유체의 자기유변학적 특성을 다양한 분석 방법을 통해 측정하였다. 피크노미터 결과, 코팅 이후 약 5% 그리고 발포 이후 35%의 밀도 감소를 확인하였고, 전자현미경 (SEM)과 BET 비표면적측정기 측정을 통해 코팅과 발포공정이 성공적으로 진행되었음을 확인하였다. 그리고 회전형 레오미터를 사용하여 측정한 자기유변유체의 다양한 자기유변학적 특성에서는 새로운 마이크로 입자의 밀도, 표면 특성이 초래하는 자기유변유체의 유변학적 성질의 변화를 확인하였다. 마지막으로 터비스캔 장치를 이용하여 측정된 침전특성 분석에서 기존의 마이크로 입자 대비 향상된 침전특성을 보이는 것을 확인하였다. 결론적으로, 이중 처리공정을 통해 새롭게 제조된 낮은 밀도를 갖는 마이크로 입자를 이용한 자기유변유체는 물성 및 표면 특성 때문에 기존에 사용되던 자기유변유체 대비 우수한 침전속도, 침전안정성을 보여주었으며, 이는 코팅과 발포로 구성된 이중처리공정이 자기유변유체의 침전문제를 개선하기 위한 새롭고 효율적인 방법임을 본 연구를 통해 확인하였다.

The sedimentation stability of carbonyl iron (CI)-based magnetorheological (MR) fluids was enhanced by applying a dual-step processing comprising coating a PS layer on the CI particles surfaces via conventional dispersion polymerization, subsequently by the foaming of the PS coating layer using the supercritical carbon dioxide fluid foaming processing to produce a core-shell structured CI coated with Polystyrene foam (CI/PSF) particle. The reduction of density after coating and foaming modification was verified using a pycnometer and the surface morphologies were observed by SEM. The specific surface areas were determined by Brunauer–Emmett–Teller (BET) adsorption measurements to study the change in surface roughness upon modification. The elemental analysis was done to confirm the foaming processing did not contaminate the product. The influence of the volume expansion after modification on the magnetic properties was investigated by analyzing the MR performance using a vibrating sample magnetometer and rotational rheometer. Finally, the sedimentation properties of the synthesized particles was examined using Turbiscan apparatus. MR fluids containing the newly developed CI coated with Polystyrene foam (CI/PSF) particles exhibited remarkable stability against sedimentation essentially attributed to the reduced mismatch in density between particles and the carrier medium.