分散相颗粒的形状参数（如长径比L/D）对复合材料和悬浮液的性能有显著影响。电流变液是一种智能悬浮液，通常由介电颗粒与绝缘载液混合制成。无电场时电流变液是液态，电场下会瞬间固化，移去电场又恢复液态，该现象称为电流变效应。由于具有电可调流变性能，电流变液在减振降噪、原油输运、精密抛光、微流控、机器人等领域有潜在应用价值，而高性能电流变液材料是电流变技术应用的关键。除了颗粒的组成和结构，研究者发现颗粒形貌或几何形状对电流变液性能也有重要影响。用拉长形貌的高L/D值颗粒被认为可以提高电流变效应，而对此研究的最早实验可追溯到1995年。然而，迄今为止L/D对电流变效应的影响规律及其背后的原因却一直存在争议，其根本原因是现有研究均未能排除不同L/D值颗粒在化学组成/结构或颗粒体积/密度或颗粒尺寸/形貌均匀性或吸附水等上的差异影响。然而，制备具有高无水电流变活性并具有相同化学组成/结构、颗粒体积/密度、均匀尺寸/形貌但不同L/D值的电流变颗粒存在很大挑战。
近期，西北工业大学尹剑波教授课题组在他们前期发展的聚离子液（PIL）微球基无水电流变体系基础上，利用单轴热拉伸法将球形PIL颗粒转变为不同L/D值的长椭球颗粒（图1）。由于不涉及化学合成且可从同一尺寸均匀的疏水球形PIL原料出发，因此获得的不同L/D值的PIL椭球具有相同的化学组成/结构、单个颗粒体积/密度和高度尺寸形貌均匀性，从而排除了化学组成/结构、颗粒体积/密度差异和颗粒尺寸/形貌不均、外部水等对电流变效应的影响，使L/D成为影响电流变效应的唯一因素。作者通过流变学方法系统研究不同电场强度和颗粒浓度下PIL椭球悬浮液的电流变效应，发现与早期的结论不同，PIL颗粒悬浮液的电流变效应随着L/D增加，先减小后增大（图2）。 然而，在高颗粒浓度下PIL椭球悬浮液的电流变效率会随L/D值趋于饱和（图3）。介电谱分析和显微结构观察发现，L/D值较低时，PIL椭球悬浮液对应椭球长轴和短轴的界面极化强度和弛豫时间差异不显著，这导致椭体颗粒的长/短轴沿电场方向随机取向（图4），形成短而细的颗粒链结构（图5），这是低L/D值椭球悬浮液电流变效应反而低于球形颗粒的原因；L/D值较高时，PIL椭球悬浮液对应椭球长轴界面极化强度显著增加，诱导椭球颗粒的长轴沿电场方向取向度显著提高（图4），这样即使在较低的颗粒浓度下也会形成长而厚的颗粒链结构（图5），这是为什么高L/D值椭球悬浮液电流变效应显著增加的原因。但在高浓度下，高L/D值椭球悬浮液的零场黏度会因颗粒间作用快速增加，导致其电流变效率会随L/D值趋于饱和。此外，他们结果还显示在中等颗粒浓度下，低L/D值PIL椭球悬浮液的沉降速度甚至比球形颗粒悬浮液还快，而高L/D值PIL椭球悬浮液的沉降速度则显著降低（图6），利用修正的Stokes沉降公式可以较好地解释该现象。
本文将单轴热拉伸法从以往主要制备PS和PMMA等聚合物椭球拓展到功能更强的聚电解质椭球体系，利用制备的不同L/D值PIL椭球得到了目前最清晰的颗粒长径比对悬浮液电流变效应的影响规律及原因。另外，由于PIL含有可移动离子，PIL椭球悬浮液表现出明显界面极化行为，为从实验上系统准确研究长径比对悬浮液界面极化的影响规律也提供了很好的平台。该工作以“Interfacial Polarization and Electrorheology of Suspensions Containing Monodispersed Ellipsoidal Poly(ionic liquid) Particles”为题发表在《Macromolecules》上。文章第一作者是西北工业大学博士生王玉东，尹剑波教授为论文通讯作者。
图1. 不同拉伸应变（εF）下得到的PIL椭球颗粒：(a) εF = 0 %; (b) εF = 25 %; (c) εF = 50 %; (d) εF = 100 %; (e) εF = 200 %.
图2. (a-c) 不同电场作用下PIL椭球悬浮液的黏度(ηE) 随颗粒长径比 (L/D)变化曲线; (d-f) 不同电场作用下PIL椭球悬浮液的黏度 (ηE) 随颗粒浓度(?) 变化曲线. (T = 25°C)
图3. (a-c) 不同电场作用下PIL椭球悬浮液的电流变效率((ηE-η0)/η0)随颗粒长径比 (L/D)变化曲线; (d-f) 不同电场作用下PIL椭球悬浮液的电流变效率((ηE-η0)/η0)随颗粒浓度(?) 变化曲线. (T = 25°C)
图4. PIL椭球悬浮液随机分散状态下沿长(z-轴)/短轴(x/y-轴)的介电强度 (△εκ′) 和弛豫时间(λκ) 随颗粒长径比 (L/D)变化曲线. (T = 25°C)
图5. (a-e) PIL椭球悬浮液在电场作用下形成的链结构的光学显微镜照片（插图显示了链中颗粒排列的局部高分辨率照片）（?=1 vol%，E=1.0 kV/mm）；（f）PIL椭球悬浮液中椭球颗粒的沿电场方向的取向角(θ)分布（?=1 vol%，E=1.0 kV/mm）. (T = 25°C)
图6. PIL椭球悬浮液在施加电场前（上图）和施加电场后（下图）颗粒成链的光学显微镜照片.(? = 1 vol%, T = 25°C)
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c00175
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