Investigation of the rheological behavior of polyborosiloxane with magnetically responsive particles

Abstract

Durch die Entwicklung der Soft-Robotik wird der Einsatz neuer oder neuartiger Materialien forciert, die den notwendigen Anforderungen und Ansprüchen in diesem Bereich gerecht werden. In diesem Zusammenhang kommt den sogenannten Smart Materials besondere Bedeutung zu. Diese Werkstoffe haben die einzigartige Fähigkeit, ihre Eigenschaften unter dem Einfluss physikalischer Größen zu verändern, z.B. in Abhängigkeit von der Temperatur, äußeren Magnetfeldern und elektrischen Feldern. Ein solches Smart Material, das in der Vergangenheit nur als Spielzeug verwendet wurde, ist Polyborosiloxane, welches umgangssprachlich auch als “Silly Putty“ bekannt ist. Dieses besitzt aufgrund seiner nicht-newtonschen Eigenschaften vielfältige Anwendungsgebiete. Um das Verhalten von Polyborosiloxane durch ein äußeres Magnetfeld beeinflussen zu können, wurden in der vorliegenden Arbeit Verbundwerkstoffe mit einer Matrix aus Polyborosiloxane sowie Partikeln aus Carbonyleisenpulver synthetisiert und untersucht. Die genannten Komponenten wurden nach der Synthese des Polyborosiloxanes aus Polydimethylsiloxane und Borsäure von Hand gemischt, wobei der Massenanteil der dem Polymer zugesetzten Partikel von 20% bis 80% in Schritten von 20% variiert wurde. Zunächst wurden eine Reihe rheologischer Untersuchungen durchgeführt, um die entstandenen Proben hinsichtlich ihres Speicher- und Verlustmoduls zu charakterisieren und zu vergleichen. Um das Fließverhalten des Materials im Schwerefeld der Erde durch ein Magnetfeld zu beeinflussen, wurde eine Helmholtz-Spule genutzt, die sich durch ein konstantes und homogenes Magnetfeld in der Mitte der Spulen auszeichnet. Die aus den Experimenten gewonnenen Ergebnisse zeigen die Fähigkeit des Materials, eine gewünschte Form unter Einwirkung eines Magnetfelds länger beizubehalten.

El desarrollo de la robótica blanda está impulsando el uso de materiales nuevos o innovadores que cumplan los requisitos y exigencias necesarios en este ámbito. En este contexto, cobran especial importancia los llamados materiales inteligentes. Estos materiales tienen la capacidad única de cambiar sus propiedades bajo la influencia de variables físicas, por ejemplo, en función de la temperatura, los campos magnéticos externos y los campos eléctricos. Uno de estos materiales inteligentes, que en el pasado sólo se utilizaba como juguete, es el poliborosiloxano, también conocido coloquialmente como “silly putty“. Debido a sus propiedades no newtonianas, tiene una amplia gama de aplicaciones. Para poder influir en el comportamiento del poliborosiloxano mediante un campo magnético externo, en el presente trabajo se sintetizaron e investigaron compuestos con una matriz de poliborosiloxano y partículas de polvo de hierro carbonílico. Los componentes mencionados se mezclaron a mano tras sintetizar el poliborosiloxano a partir de polidimetilsiloxano y ácido bórico, variando la fracción másica de partículas añadidas al polímero del 20% al 80% en incrementos de 20%. En primer lugar, se llevaron a cabo una serie de pruebas reológicas para caracterizar y comparar las muestras resultantes en términos de su módulo de almacenamiento y pérdida. Se utilizó una bobina de Helmholtz, que se caracteriza por un campo magnético constante y homogéneo en medio de las bobinas, para influir en el comportamiento de flujo del material en el campo gravitatorio terrestre mediante un campo magnético. Los resultados obtenidos en los experimentos muestran la capacidad del material para mantener la forma deseada durante más tiempo bajo la influencia de un campo magnético.

The development of soft robotics is driving the use of new or innovative materials that meet the necessary requirements and demands in this area. In this context, so-called smart materials are of particular importance. These materials have the unique ability to change their properties under the influence of physical variables, e.g., depending on temperature, external magnetic fields, and electric fields. One such smart material, which was only used as a toy in the past, is polyborosiloxane, also known colloquially as “silly putty“. Due to its non-Newtonian properties, it has a wide range of applications. In order to be able to influence the behavior of polyborosiloxane by an external magnetic field, composites with a matrix of polyborosiloxane and particles of carbonyl iron powder were synthesized and investigated in the present work. The above components were mixed by hand after synthesizing the polyborosiloxane from polydimethylsiloxane and boric acid, varying the mass fraction of particles added to the polymer from 20% to 80% in steps of 20%. First, a series of rheological tests were carried out to characterize and compare the resulting samples in terms of their storage and loss modulus. A Helmholtz coil, which is characterized by a constant and homogeneous magnetic field in the middle of the coils, was used to influence the flow behavior of the material in the Earth’s gravitational field by means of a magnetic field. The results obtained from the experiments show the ability of the material to maintain a desired shape for longer under the influence of a magnetic field.