分散相顆粒的形狀參數（如長徑比L/D）對復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，電場下會瞬間固化，移去電場又恢復液態，該現象稱為電流變效應。由于具有電可調流變性能，電流變液在減振降噪、原油輸運、精密拋光、微流控、機器人等領域有潛在應用價值，而高性能電流變液材料是電流變技術應用的關鍵。除了顆粒的組成和結構，研究者發現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值顆粒被認為可以提高電流變效應，而對此研究的最早實驗可追溯到1995年。然而，迄今為止L/D對電流變效應的影響規律及其背后的原因卻一直存在爭議，其根本原因是現有研究均未能排除不同L/D值顆粒在化學組成/結構或顆粒體積/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組成/結構、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。
近期，西北工業大學尹劍波教授課題組在他們前期發展的聚離子液（PIL）微球基無水電流變體系基礎上，利用單軸熱拉伸法將球形PIL顆粒轉變為不同L/D值的長橢球顆粒（圖1）。由于不涉及化學合成且可從同一尺寸均勻的疏水球形PIL原料出發，因此獲得的不同L/D值的PIL橢球具有相同的化學組成/結構、單個顆粒體積/密度和高度尺寸形貌均勻性，從而排除了化學組成/結構、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的影響，使L/D成為影響電流變效應的唯一因素。作者通過流變學方法系統研究不同電場強度和顆粒濃度下PIL橢球懸浮液的電流變效應，發現與早期的結論不同，PIL顆粒懸浮液的電流變效應隨著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構觀察發現，L/D值較低時，PIL橢球懸浮液對應橢球長軸和短軸的界面極化強度和弛豫時間差異不顯著，這導致橢體顆粒的長/短軸沿電場方向隨機取向（圖4），形成短而細的顆粒鏈結構（圖5），這是低L/D值橢球懸浮液電流變效應反而低于球形顆粒的原因；L/D值較高時，PIL橢球懸浮液對應橢球長軸界面極化強度顯著增加，誘導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構（圖5），這是為什么高L/D值橢球懸浮液電流變效應顯著增加的原因。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，導致其電流變效率會隨L/D值趨于飽和。此外，他們結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的聚電解質橢球體系，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的影響規律及原因。另外，由于PIL含有可移動離子，PIL橢球懸浮液表現出明顯界面極化行為，為從實驗上系統準確研究長徑比對懸浮液界面極化的影響規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”為題發表在《Macromolecules》上。文章第一作者是西北工業大學博士生王玉東，尹劍波教授為論文通訊作者。
圖1. 不同拉伸應變（εF）下得到的PIL橢球顆粒：(a) εF = 0 %; (b) εF = 25 %; (c) εF = 50 %; (d) εF = 100 %; (e) εF = 200 %.
圖2. (a-c) 不同電場作用下PIL橢球懸浮液的黏度(ηE) 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 (ηE) 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((ηE-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((ηE-η0)/η0)隨顆粒濃度(?) 變化曲線. (T = 25°C)
圖4. PIL橢球懸浮液隨機分散狀態下沿長(z-軸)/短軸(x/y-軸)的介電強度 (△εκ′) 和弛豫時間(λκ) 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構的光學顯微鏡照片（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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