Fluidi elettroreologici

I fluidi elettroreologici sono costituiti da particelle polarizzabili disperse (inorganiche o organiche) in un fluido non conduttore a bassa viscosità (generalmente olio siliconico). Sono materiali che modificano le proprie caratteristiche reologiche (e.g. viscosità) mediante l’applicazione di un campo elettrico con intensità pari ad alcuni kV/mm, passando dallo stato liquido allo stato quasi solido con velocità dell’ordine dei millisecondi.

I fluidi elettroreologici (FER) pertanto appartengono alla classe di dispersioni colloidali le cui proprietà reologiche possono variare in modo sostanziale se sottoposti ad un campo elettrico esterno. Proprietà quali la viscosità, la soglia di scorrimento, il modulo di comprimibilità ecc, difatti, possono variare sensibilmente, in maniera reversibile, su una scala molto ampia variando un campo elettrico la cui intensità si attesta generalmente nell’ordine dei kV/mm. Lo stato fisico passa pertanto da liquido a stato semi-solido (viscoelastico/viscoplastico) con aumento della viscosità spesso ordini di grandezza superiori rispetto a quella del fluido ER in assenza di campo elettrico. Anche definiti materiali smart o sistemi intelligenti, i FER, dunque sono in grado di auto adattarsi agli stimoli esterni.

La variazione delle proprietà reologiche è attribuibile alle proprietà dielettriche dei costituenti. Tali materiali infatti sono costituiti da particelle dielettriche polarizzabili o semiconduttive sospese in un liquido isolante. In assenza di campo elettrico, tali particelle sono sospese liberamente nel materiale disperdente e presentano proprietà simili a quelle dei fluidi newtoniani. Al contrario, sotto l’azione di un campo elettrico esterno, le particelle si polarizzano, migrano e si dispongono parallelamente alla direzione del campo e presentano uno stato fluido di Bingham, ordinandosi all’interno del solvente fino a formare delle colonne estese lungo la direzione del campo applicato.

In particolare, sottoposti ad uno sforzo di taglio (shear stress), il fluido di Bingham presenta uno stress importante da snervamento che continua ad aumentare con l’intensità del campo elettrico applicato. Il passaggio da uno stato liquido a solido e viceversa è reversibile e la transizione istantanea (velocità di interconversione tra i due stati dell’ordine dei millisecondi). In assenza di campo elettrico applicato, come detto, lo stato di sospensione ritorna allo stato di fluido Newtoniano.

I cambiamenti nel comportamento reologico si manifestano in un elevato aumento della resistenza al taglio che dipende dal regime di flusso e dalla composizione dei fluidi ER. La resistenza al taglio può essere considerata come un actuating force per il controllo di movimenti dinamici.

Tuttavia, sebbene siano stati sviluppati numerosi materiali ER, la loro applicazione in campo ingegneristico è ancora limitato a causa dello stress di snervamento (yield stress) relativamente basso delle sospensioni ER.

L’efficiente interfaccia elettromeccanica dei fluidi ER consente la loro applicazione nei più svariati settori industriali che vanno dall’elettronica di consumo alla tecnologia aerospaziale, dalla medicina all’industria automobilistica ecc. In particolare, alcuni esempi di dispositivi realizzati impiegando fluidi ER sono smorzatori, ammortizzatori, frizioni , freni, attuatori, valvole idrauliche, controllo delle vibrazioni, sistemi per la riabilitazione degli arti superiori, joystick a 2 gradi di libertà, in generale strutture intelligenti e dispositivi medicali.

Le proprietà meccaniche del materiale (studio reologico) vanno studiate in funzione dell’applicazione del materiale stesso, pertanto la fase di caratterizzazione diventa cruciale sia per la comprensione dei fenomeni alla base dell’effetto reologico che per la determinazione delle dipendenze esterne da fattori esterni.

Le modalità di caratterizzazione dei fluidi ER rappresentano uno degli aspetti di fondamentale importanza nello studio di tali materiali.

Le configurazioni adoperate per la determinazione del comportamento elettro-meccanico dei fluidi ER hanno, ovviamente, una notevole influenza sulla correttezza della determinazione dei parametri del materiale da testare e sono spesso strettamente correlate alle configurazioni di utilizzo dei fluidi ER in applicazioni specifiche. Infatti, le sollecitazioni meccaniche a cui tali materiali sono sottoposti possono essere di differente natura e, trattandosi di sistemi complessi anisotropi, potrebbero essere differenti i modelli che ne descrivono il comportamento al variare delle sollecitazioni esterne.

Le principali modalità di caratterizzazione e utilizzo dei fluidi ER risultano essere:

• Shear Mode (taglio)

• Squeeze Mode (compressione/trazione)

• Flow Mode (controllo di flusso)
  

Lo studio approfondito di tali materiali deve essere focalizzato verso la risoluzione di quelle problematiche che ad oggi ne hanno limitato l’uso come ad esempio valori limitati di viscosità, caratteristiche abrasive, elevata sedimentazione, limitati range di temperatura di funzionamento, possibile contaminazione, ripetibilità del processo di sintesi e delle proprietà ER nonché aspetti come il costo delle materie prime per la loro sintesi e quindi il costo del processo di produzione.

L’effetto ER infatti dipende da numerose variabili che possono essere intrinseche, ovvero imprescindibili dalla struttura fisica e dalla composizione del fluido stesso, ed estrinseche, ovvero dipendenti dalle condizioni ambientali e sulle quali è possibile agire nella fase di testing o d’esercizio per variare la risposta del fluido. Alla prima categoria appartengono ad esempio viscosità, densità, dimensione delle particelle disperse, conducibilità e proprietà dielettriche delle particelle, costante dielettrica della sospensione, frazione ponderale delle particelle. Ognuna di queste grandezze fisiche viene analizzata e, tramite numerose prove, è possibile stabilire se ed in quale misura le stesse grandezze modificano le caratteristiche del fluido ER. Alla seconda categoria di variabili appartengono invece ampiezza e frequenza del campo elettrico applicato e temperatura d’esercizio; questi parametri sono liberamente modificabili in funzione delle più opportune condizioni di lavoro del fluido ER (es. campo elettrico) o imposte dall’ambiente in cui detto fluido dovrà operare (es. temperatura).

La capacità di sostenere elevati sforzi meccanici dipende dall’interazione tra le particelle, ed in particolare dalla densità di carica superficiale su ognuna di esse. Questo presuppone che la diminuzione delle dimensioni del materiale disperso determini un miglioramento delle prestazioni del fluido (influendo positivamente anche sulle proprietà chimico-fisiche dello stesso come ad esempio nella riduzione della sedimentazione). La dimensione delle particelle può variare da pochi nanometri fino ad alcune centinaia di micrometri e la concentrazione della fase dispersa nella soluzione in genere è compresa tra il 20% e il 60% in volume. Il limite alla concentrazione delle particelle solide è posto dalla necessità di avere un composto che, in assenza di campo elettrico, sia sufficientemente fluido.

La componente fluida è generalmente un olio (es. siliconico) di tipo vegetale, minerale, oli di idrocarburi clorurati e paraffina, ecc, mentre le particelle solide possono essere ossidi metallici, alluminosilicati o particelle organiche o polimeriche. Esistono comunque fluidi ER omogenei composti da materiale organico monocomponente con prestazioni senza dubbio inferiori rispetto ai precedenti.

Qui di seguito vengono elencati alcuni tra i materiali più interessati impiegati per la sintesi di fluidi ER:

• Derivati della cellulosa
• Materiali perovskitici e ossidi
• Silice
• Zeoliti
• Polimeri conduttori e relativi composti
• Grafene e relativi composti
• Liquidi ionici e relativi composti
• Molecole polari