SiO2/PEG200剪切增稠液體的制備及粘度性能分析

李 婷，祝振威，汪澤幸，李洪登

(湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院，湖南湘潭 411104)

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SiO2/PEG200剪切增稠液體的制備及粘度性能分析

李 婷，祝振威，汪澤幸，李洪登

(湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院，湖南湘潭 411104)

以納米SiO2粉體為分散相，PEG200為分散介質(zhì)獲得了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的剪切增稠液體，并分析了SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)及粒徑對(duì)剪切增稠液體流變性能的影響。測(cè)試結(jié)果表明，欲提高剪切增稠性能，可通過(guò)減少分散相粒徑，同時(shí)增加分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；但當(dāng)分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，需要添加以無(wú)水乙醇為代表的稀釋劑，降低液體的粘度，以獲得分散均勻的剪切增強(qiáng)液體；同時(shí)為去除攪拌過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡，需對(duì)制備的剪切增稠液體進(jìn)行真空處理，但真空處理時(shí)間不宜太長(zhǎng)，以免分散相和分散介質(zhì)的過(guò)度損失。

剪切增稠液體 納米二氧化硅 粘度

0 引言

作為一種具有非牛頓力學(xué)行為的可逆流體，剪切增稠液體(Shear Thickening Fluid，STF)在常態(tài)下表現(xiàn)為液態(tài)特性，當(dāng)受高速?zèng)_擊作用時(shí)，表觀粘度急劇增加，而呈現(xiàn)出固體狀；當(dāng)外加沖擊力消失后，又迅速恢復(fù)到原來(lái)的柔性狀態(tài)[1]，其為一種處于固、液混合狀態(tài)的納米粒子溶液，納米粒子作為分散相懸浮在有機(jī)溶劑分散介質(zhì)中。近年來(lái)，剪切增稠液體對(duì)沖擊應(yīng)力的流變響應(yīng)特性及其響應(yīng)的能量吸收性能使其成為一種理想的防護(hù)類柔性復(fù)合材料[2]。

隨著研究的不斷深入，對(duì)剪切增稠液體的認(rèn)識(shí)已從對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的定性描述發(fā)展到對(duì)其增稠過(guò)程和機(jī)理的分析。本文以納米SiO2粉體為分散相，聚乙二醇為分散介質(zhì)制備剪切增稠液體，主要研究分散相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及粒子直徑對(duì)剪切增稠液體流變性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原料與步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

商購(gòu)粒徑為15nm、30nm和50nm的氣相納米SiO2粉體為分散相，平均分子量為200和600的聚乙二醇(PEG200)為分散介質(zhì)，以及無(wú)水乙醇為稀釋劑。

1.2 剪切增稠體系的制備

由于選用的分散相粒徑較小，在分散介質(zhì)中團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，在制備分散體系時(shí)，需分批加入SiO2粉體。在制備過(guò)程中，每隔4分鐘緩慢加入部分SiO2粉體，將納米SiO2粒子與PEG200在600轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下攪拌2小時(shí)，之后將樣品在真空干燥箱中靜置24小時(shí)，以去除分散體系中的氣泡，以獲得穩(wěn)定的分散體系。具體配方及制備方法列于表1中。

表1 剪切增稠分散體系配置表

1.3 流變性能測(cè)試

剪切增稠分散體系的流變性能，主要通過(guò)測(cè)試其在不同剪切速度下的粘度來(lái)表示[1-3]。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材，選用NDJ-8S旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)來(lái)測(cè)試剪切增稠體系的粘度，選用不同直徑的轉(zhuǎn)子并配合不同轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的剪切速度，但該粘度計(jì)最高轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/min，難以表征高剪切速度下的流變性能。在測(cè)試過(guò)程中，所測(cè)的粘度總會(huì)超過(guò)粘度計(jì)的量程，超過(guò)扭矩的80%，測(cè)試精度無(wú)法保證，且無(wú)法獲得剪切增稠液體穩(wěn)定態(tài)粘度。沙曉菲等[3]研究發(fā)現(xiàn)，剪切增稠液體的起始粘度、臨界粘度以及終止粘度之間變化趨勢(shì)具有一致性，三者中任何一個(gè)，均可反映其流變性能?；诖耍疚倪x用1號(hào)轉(zhuǎn)子，并以10秒時(shí)的粘度值為表征指標(biāo)，對(duì)不同分散體系的流變性能進(jìn)行對(duì)比分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 攪拌方式的影響

在制備過(guò)程中，液體表面與空氣反復(fù)接觸，在攪拌過(guò)程中，空氣不斷進(jìn)入分散體系內(nèi)部，造成氣泡存在，將影響后續(xù)復(fù)合織物加工時(shí)，剪切增稠液體對(duì)織物的浸透性能，故需在真空條件下，去除氣泡。對(duì)比機(jī)械攪拌和磁力攪拌制備的兩種剪增稠液體，機(jī)械攪拌制備的剪切增稠液體內(nèi)部及液體表面存在較多的氣泡(如圖1所示)。

(a)機(jī)械攪拌 (b)磁力攪拌

圖1 不同攪拌方式下制備的剪切增稠液體(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%)

在制備過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)20%時(shí)，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有磁力攪拌器就難以順利攪拌，此時(shí)需考慮加入適量無(wú)水乙醇進(jìn)行稀釋，以降低分散體系的粘度；當(dāng)分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)，需要以1:3的比例添加無(wú)水乙醇，才能制備混合均勻的剪切增稠液體。在測(cè)量其流變性能前，需采用抽真空的方式，去除所添加的無(wú)水乙醇。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，抽真空可有效去除氣泡和無(wú)水乙醇，但過(guò)度真空處理，會(huì)將部分聚乙二醇也同時(shí)去除，殘留白色塊狀物(見(jiàn)圖2)。這主要是由于無(wú)水乙醇沸點(diǎn)較低，在低壓下易于蒸發(fā)和沸騰，從而被抽出，但此時(shí)也會(huì)帶動(dòng)部分PEG200和納米SiO2同時(shí)從剪切增稠液體中分離出來(lái)，使剪切增稠液體中含固率增加。

相比于磁力攪拌，雖然人工機(jī)械攪拌范圍廣、力度大，適用于高質(zhì)量分?jǐn)?shù)剪切液體的制備，但攪拌速度較慢，長(zhǎng)時(shí)間攪拌時(shí)，攪拌速度波動(dòng)大，且制備的分散體系中氣泡較多，在真空處理時(shí)，處理時(shí)間較長(zhǎng)，更易抽出部分PEG200液體，造成質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大幅度變化。

圖2 過(guò)度抽真空后塊狀殘留物

綜合考慮上述因素，下述部分實(shí)驗(yàn)僅采用磁力攪拌方式配置的剪切增稠液體，并僅對(duì)分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%以下的剪切增稠液體的粘度進(jìn)行測(cè)試，以此反映其流變性能。

2.2 分散相含量的影響

對(duì)1號(hào)和3號(hào)試樣的粘度進(jìn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)速與粘度之間的變化趨勢(shì)見(jiàn)表2。

表2 不同濃度下轉(zhuǎn)速對(duì)流變性能的影響(納米顆粒直徑為50nm)

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/min)粘度(Mpa.s)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/min)粘度(Mpa.s)0.3788170.3877290.61905290.62010231.5824601.58923032865333200161054614531252012920301570301840601607601732

從表2中可以看出，在同等轉(zhuǎn)速下，即相同剪切速率下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的剪切增稠分散體系其粘度較高，表明要提高分散體系的剪切增稠性能，可考慮提高分散體系的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這是由于同等分散相粒徑下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，單位容積內(nèi)粒子數(shù)量增加，粒子間平均距離越短，在外加剪切變形作用下，粒子間相互干擾碰撞的機(jī)率越高，表現(xiàn)為粒子移動(dòng)阻力增加，剪切增稠效應(yīng)越明顯。

從表2中還可以看出，在同等濃度下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，剪切增稠分散體系的粘度先增加，達(dá)到峰值后，粘度下降，達(dá)到最小值后，隨著轉(zhuǎn)速的增加，粘度再次小幅度增加，但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原因，未能測(cè)得高轉(zhuǎn)速下的粘度變化趨勢(shì)。該變化趨勢(shì)表明，隨著轉(zhuǎn)速的增加，即剪切速率的增加，該分散體系存在剪切增稠和剪切變稀的過(guò)程。剪切增稠現(xiàn)象可用“粒子簇”理論來(lái)解釋，在較低的剪切速率下，SiO2團(tuán)聚體因存在較弱的位阻斥力和布朗運(yùn)動(dòng)作用下，不會(huì)形成“粒子簇”，但因剪切作用破壞了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致粘度下降; 隨著剪切速率的進(jìn)一步增大，流體作用力成為主要作用力，促使分散體系中的SiO2團(tuán)聚體形成了“粒子簇”，使得體系的粘度增大[4-7]。從本文測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在較高剪切速率下表現(xiàn)的剪切變稀和后續(xù)出現(xiàn)的剪切增稠現(xiàn)象，是否會(huì)在穩(wěn)定粘度中體現(xiàn)，以及其出現(xiàn)的機(jī)理需做進(jìn)一步研究；此外，在使用時(shí)應(yīng)加以關(guān)注。

2.3 分散相粒子直徑的影響

分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，顆粒直徑分別為15nm，30nm及50nm的分散體系，在不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下的粘度值列于表3中。

表3 分散相濃度相同下粒子直徑對(duì)粘度的影響

從表3中可以看出，在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的條件下，分散相顆粒直徑越小，其粘度值越高，即表明分散相顆粒直徑越小，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，其抗剪切性能越高。這主要是由于，相同分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，顆粒直徑越小，粒子數(shù)量越多，單位容積內(nèi)，粒子數(shù)量也越多，粒子之間的平均距離越短，粒子間相互干擾碰撞的機(jī)率越高，粒子活動(dòng)自由空間越小，在外加剪切作用下，表現(xiàn)為粒子移動(dòng)阻力增加，剪切增稠效應(yīng)越明顯。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，剪切增稠現(xiàn)象隨著顆粒直徑的減小、分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而趨于明顯。采用不同的攪拌方法，可以配備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的剪切增稠液體；相對(duì)于磁力攪拌法，機(jī)械攪拌法獲得的分散分?jǐn)?shù)體系氣泡較多，給真空處理帶來(lái)了不便。對(duì)于高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的剪切增稠液體，配置時(shí)需要加入稀釋劑，無(wú)水乙醇因其具有易揮發(fā)，沸點(diǎn)低，初粘度低等優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)真空處理去除，可作為稀釋劑。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，現(xiàn)有粘度計(jì)轉(zhuǎn)速無(wú)法無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，只能獲得固定轉(zhuǎn)速點(diǎn)的粘度值。

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2016-03-27

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201511342003)，湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目

汪澤幸(1982-)，男，博士，講師。

TB332

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1008-5580(2016)04-0087-03