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  分散相顆粒的形狀參數(shù)（如長徑比L/D）對復(fù)合材料和懸浮液的性能有顯著影響。電流變液是一種智能懸浮液，通常由介電顆粒與絕緣載液混合制成。無電場時電流變液是液態(tài)，電場下會瞬間固化，移去電場又恢復(fù)液態(tài)，該現(xiàn)象稱為電流變效應(yīng)。由于具有電可調(diào)流變性能，電流變液在減振降噪、原油輸運(yùn)、精密拋光、微流控、機(jī)器人等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用價值，而高性能電流變液材料是電流變技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。除了顆粒的組成和結(jié)構(gòu)，研究者發(fā)現(xiàn)顆粒形貌或幾何形狀對電流變液性能也有重要影響。用拉長形貌的高L/D值顆粒被認(rèn)為可以提高電流變效應(yīng)，而對此研究的最早實(shí)驗(yàn)可追溯到1995年。然而，迄今為止L/D對電流變效應(yīng)的影響規(guī)律及其背后的原因卻一直存在爭議，其根本原因是現(xiàn)有研究均未能排除不同L/D值顆粒在化學(xué)組成/結(jié)構(gòu)或顆粒體積/密度或顆粒尺寸/形貌均勻性或吸附水等上的差異影響。然而，制備具有高無水電流變活性并具有相同化學(xué)組成/結(jié)構(gòu)、顆粒體積/密度、均勻尺寸/形貌但不同L/D值的電流變顆粒存在很大挑戰(zhàn)。

  近期，西北工業(yè)大學(xué)尹劍波教授課題組在他們前期發(fā)展的聚離子液（PIL）微球基無水電流變體系基礎(chǔ)上，利用單軸熱拉伸法將球形PIL顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>不同L/D值的長橢球顆粒（圖1）。由于不涉及化學(xué)合成且可從同一尺寸均勻的疏水球形PIL原料出發(fā)，因此獲得的不同L/D值的PIL橢球具有相同的化學(xué)組成/結(jié)構(gòu)、單個顆粒體積/密度和高度尺寸形貌均勻性，從而排除了化學(xué)組成/結(jié)構(gòu)、顆粒體積/密度差異和顆粒尺寸/形貌不均、外部水等對電流變效應(yīng)的影響，使L/D成為影響電流變效應(yīng)的唯一因素。作者通過流變學(xué)方法系統(tǒng)研究不同電場強(qiáng)度和顆粒濃度下PIL橢球懸浮液的電流變效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)與早期的結(jié)論不同，PIL顆粒懸浮液的電流變效應(yīng)隨著L/D增加，先減小后增大（圖2）。 然而，在高顆粒濃度下PIL橢球懸浮液的電流變效率會隨L/D值趨于飽和（圖3）。介電譜分析和顯微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，L/D值較低時，PIL橢球懸浮液對應(yīng)橢球長軸和短軸的界面極化強(qiáng)度和弛豫時間差異不顯著，這導(dǎo)致橢體顆粒的長/短軸沿電場方向隨機(jī)取向（圖4），形成短而細(xì)的顆粒鏈結(jié)構(gòu)（圖5），這是低L/D值橢球懸浮液電流變效應(yīng)反而低于球形顆粒的原因；L/D值較高時，PIL橢球懸浮液對應(yīng)橢球長軸界面極化強(qiáng)度顯著增加，誘導(dǎo)橢球顆粒的長軸沿電場方向取向度顯著提高（圖4），這樣即使在較低的顆粒濃度下也會形成長而厚的顆粒鏈結(jié)構(gòu)（圖5），這是為什么高L/D值橢球懸浮液電流變效應(yīng)顯著增加的原因。但在高濃度下，高L/D值橢球懸浮液的零場黏度會因顆粒間作用快速增加，導(dǎo)致其電流變效率會隨L/D值趨于飽和。此外，他們結(jié)果還顯示在中等顆粒濃度下，低L/D值PIL橢球懸浮液的沉降速度甚至比球形顆粒懸浮液還快，而高L/D值PIL橢球懸浮液的沉降速度則顯著降低（圖6），利用修正的Stokes沉降公式可以較好地解釋該現(xiàn)象。

  本文將單軸熱拉伸法從以往主要制備PS和PMMA等聚合物橢球拓展到功能更強(qiáng)的聚電解質(zhì)橢球體系，利用制備的不同L/D值PIL橢球得到了目前最清晰的顆粒長徑比對懸浮液電流變效應(yīng)的影響規(guī)律及原因。另外，由于PIL含有可移動離子，PIL橢球懸浮液表現(xiàn)出明顯界面極化行為，為從實(shí)驗(yàn)上系統(tǒng)準(zhǔn)確研究長徑比對懸浮液界面極化的影響規(guī)律也提供了很好的平臺。該工作以“Interfacial Polarization and Electrorheology of Suspensions Containing Monodispersed Ellipsoidal Poly(ionic liquid) Particles”為題發(fā)表在《Macromolecules》上。文章第一作者是西北工業(yè)大學(xué)博士生王玉東，尹劍波教授為論文通訊作者。

圖1. 不同拉伸應(yīng)變（ε_F）下得到的PIL橢球顆粒：(a) ε_F = 0 %; (b) ε_F = 25 %; (c) ε_F = 50 %; (d) ε_F = 100 %; (e) ε_F = 200 %.

圖2. (a-c) 不同電場作用下PIL橢球懸浮液的黏度(η_E) 隨顆粒長徑比 (L/D)變化曲線; (d-f) 不同電場作用下PIL橢球懸浮液的黏度 (η_E) 隨顆粒濃度(?) 變化曲線. (T = 25°C)

圖3. (a-c) 不同電場作用下PIL橢球懸浮液的電流變效率((η_E-η₀)/η₀)隨顆粒長徑比 (L/D)變化曲線; (d-f) 不同電場作用下PIL橢球懸浮液的電流變效率((η_E-η₀)/η₀)隨顆粒濃度(?) 變化曲線. (T = 25°C)

圖4. PIL橢球懸浮液隨機(jī)分散狀態(tài)下沿長(z-軸)/短軸(x/y-軸)的介電強(qiáng)度 (△ε_κ′) 和弛豫時間(λ_κ) 隨顆粒長徑比 (L/D)變化曲線. (T = 25°C)

圖5. (a-e) PIL橢球懸浮液在電場作用下形成的鏈結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡照片（插圖顯示了鏈中顆粒排列的局部高分辨率照片）（?=1 vol%，E=1.0 kV/mm）；（f）PIL橢球懸浮液中橢球顆粒的沿電場方向的取向角(θ)分布（?=1 vol%，E=1.0 kV/mm）. (T = 25°C)

圖6. PIL橢球懸浮液在施加電場前（上圖）和施加電場后（下圖）顆粒成鏈的光學(xué)顯微鏡照片.(? = 1 vol%, T = 25°C)

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c00175

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