@phdthesis{Baumann2005,
  author    = {Baumann, Mario},
  title     = {Polymerbasierende elektrorheologische Fl{\"u}ssigkeiten und ihre haptische Wirkung in einem Modellaktorsystem},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-18237},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Herstellung von ER-Fluiden sowie deren Wirkung in einem Modellaktor. Bei den ER-Fluiden handelt es sich um partikelhaltige Fluide auf Basis von Polyacrylat, sulfonierten Polystyrolcopolymeren und Naphthalin-2-sulfons{\"a}ure. Da die Partikel f{\"u}r die ER-Fluide kommerziell nicht zur Verf{\"u}gung standen, wurden diese hergestellt und zu ER-Fluiden verarbeitet. Da es zu diesen Fluiden in der Literatur keine Informationen {\"u}ber die Materialeigenschaften gibt, war es notwendig, die Fluide in einem f{\"u}r die Elektrorheologie gebauten Rheometer zu charakterisieren. F{\"u}r das Elektrorheometer wurde eine Software eingesetzt, die eine standardisierte Vorgabe der Messbedingungen zul{\"a}sst und gleichzeitig die erhaltenen Messwerte erfasst. Neben der Charakterisierung im Rheometer erfolgt die Spezifizierung der haptischen Wirkung an einem Modellaktor (Plattenaktor). F{\"u}r die Tests mit diesem Plattenaktor wurde ein Kraftmesssystem konstruiert und die dazugeh{\"o}rige Software entwickelt und optimiert. F{\"u}r die Herstellung der ER-Fluide werden Partikel in der Gr{\"o}ßenordnung von 10 bis 40 µm ben{\"o}tigt. Die Partikel auf Polyacrylat- und Napthalin-2-sulfons{\"a}urebasis lassen sich wegen der Wasserl{\"o}slichkeit der Polymere durch Spr{\"u}htrocknen aus ihren Polymerl{\"o}sungen gewinnen. Bei den Fluiden mit Poly(natriumacrylat) konnte durch Variation des Wassergehalts der Partikel und deren Konzentration im Fluid die Gr{\"o}ße des ER-Schubmodul gesteigert werden. Die im elektrischen Feld auftretenden Stromdichten sind sehr klein und stellen somit kein Problem f{\"u}r eine Vielzahl von baugleichen Mikroaktoren dar. Das mittels Formaldehyd kondensierte Naphthalin-2-sulfons{\"a}ure Natriumsalz zeigt mit steigender Polymerkonzentration im Fluid den erwarteten Anstieg des ER-Effekts. Problematisch f{\"u}r die technische Anwendung dieses Materials als ER-Fluid ist die hohe Stromdichte, die erh{\"o}hte Sicherheitsmaßnahmen erforderlich macht. Bei den ER-Fluiden auf Basis von sulfonierten Polystyrolcopolymeren werden die Partikel durch Suspensionspolymerisation aus Styrol und Divinylbenzol hergestellt. Bei der Herstellung der Polymerpartikel wurden Parameter wie die Art der Kationen, die Sulfonierungsart, der Vernetzungsgrad und die chemische Zusammensetzung systematisch ge{\"a}ndert. So konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von unterschiedlichen Kationen bei gleicher Polymerzusammensetzung und Sulfonierungsmethode der ER-Effekt bei den Natriumkationen f{\"u}r die geplante Anwendung am gr{\"o}ßten ist. Durch geeignete Wahl der Sulfonierungsmethode f{\"u}r das Polymer l{\"a}sst sich eine Steigerung des ER-Effekts bei gleicher Partikelgr{\"o}ße und gleichen Kationen erreichen. Schließlich hat auch die H{\"a}rte des Polymers einen Einfluss auf den ER-Effekt. Durch geeignete Wahl der H{\"a}rte des Polymers, der Sulfonierungsmethode und der Art der Kationen l{\"a}sst sich ein Maximum beim ER-Effekt erreichen. Dieses Maximum l{\"a}sst sich durch die Ver{\"a}nderung der Monomerzusammensetzung, wie der Substitution von Styrol durch trans-Stilben, steigern. Auch hier steigt mit zunehmender Partikelkonzentration im Fluid die Gr{\"o}ße des ER-Effekts. Bei der Betrachtung der Wirkung der Fluide im Plattenaktor zeigte sich, dass die Gr{\"o}ße des ER-Effekts im Schermodus, bestimmt im Elektrorheometer, z.T. verifiziert werden konnte. Die erreichte Kraftwirkung im Plattenaktor ist somit direkt proportional zur Gr{\"o}ße des ER-Effekts. F{\"u}r die Anwendung im Aktorsystem l{\"a}sst sich Poly(natriumacrylat)-ERF verwenden. Das ER-Fluid besitzt ein hohes zeitlich stabiles ER-Schermodul bei gleichzeitig niedriger Stromdichte. Einen zeitlich stabilen ER-Effekt weisen auch die sulfonierten Polystyrolcopolymere auf, jedoch ist die Stromdichte f{\"u}r die Anwendung deutlich zu hoch. Aus diesem Grund und wegen des kleineren ER-Effekts ist eine Verwendung des ER-Fluids auf Basis von Naphthalin-2-sulfons{\"a}ure nicht von Vorteil. Da die von mir verwendeten partikelhaltigen Fluide aufgrund des Dichteunterschieds zwischen den Partikeln und dem Fluid nicht sedimentationsstabil sind, ist eine Stabilisierung der Fluide durch bessere Dichteanpassung f{\"u}r die technische Anwendung im Aktor empfehlenswert. Aus den Versuchen ergibt sich, dass mit den ER-Fluiden Kr{\"a}fte bis 2,3 N bei 3 kV/mm (Gleichspannung) im Plattenaktor erreicht werden konnten. Daraus l{\"a}sst sich schlussfolgern, dass diese hergestellten ER-Fluide in einem miniaturisierten Aktorsystem Wirkung zeigen, sofern nur die Wirkfl{\"a}che, nicht aber die Elektrodengeometrie ge{\"a}ndert wird. Das Mikroaktorarray, welches auf dem Plattenaktor basiert, soll zur Darstellung von Festigkeitsverteilungen von Ultraschallelastogrammen dienen. Als weitere Anwendungsfelder f{\"u}r ein solches Array lassen sich technische Bereiche nennen, bei denen der Mensch durch die Umgebungen Gefahren ausgesetzt ist. In diese Rubrik fallen z.B. die Raumfahrt. Auch Bereiche, bei denen große Entfernungen {\"u}berbr{\"u}ckt werden sollen, wie Tele-Instandhaltung, Telemedizin und Teleshopping, w{\"a}ren zu nennen.},
  subject      = {Elektrorheologie},
  language  = {de}
}