剪切增稠流体制备方法探究

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1、北京化工丸学研究生课程论文课程名称：聚合物加工原理课程代号:PSE540任课教师：刘力、温世鹏、杨海波完成日期：2013年03月13日专业：化学学号.2012200567姓名：赵爽成绩：剪切增稠流体(STF)制备方法探究摘要基于流变学原理配制并进行实验研究具有剪切增稠特性的高浓度硬质纳米球形粒子悬浮体的剪切增稠现象，结果证明有很强的吸能、抗冲击特性，并对剪切、冲击、抽拔等受力形式均有迅速、强烈的增稠反应。背景介绍剪切增稠液体⑴(ShearThickeningFluid,STF)是一种新型功能材料。STF由分散相粒子和分散介质组成。其中分散相粒子可以是天然存在的矿物质，也可

2、以是化学合成的聚合物，如二氧化硅和其他氧化物、碳酸钙、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。粒子的形状包括球体、椭圆体、圆盘状和粘土颗粒，它们可通过电荷作用、布朗运动、吸收表面活性剂、接枝聚合物形成聚合电解质等稳定分散在溶液中。其分散包括单分散、双分散或多分散。分散介质可以是水、盐溶液(氯化钠溶液或缓冲液等)、有机物(乙烯基乙醇、聚乙二醇或乙醇)、矿物油等，也可以是加有表面活性剂和低聚物的几种互溶溶剂的复配体。剪切增稠是非牛顿流体行为，流体经常成浓缩的胶质悬浮液状，在迅速增加的剪切应力下，黏性有很大的增加，有时是不连续的增加，并且此过程可逆。这种现象主要归因于液体压力下的粒子刚性

3、结构簇的形成。至今为止，各工业行业对剪切增稠特性还没有化害为利的应用。我们将利用这种现象提高以Kevlar编织布为基体材料的防护设施的抗发射保护性能。目前，主要针对人体防护设施进行研究。剪切增稠机理目前解释剪切增稠现象的机理⑵有两种：其一是由Hoffman提出的0DT机理(OrderDisorderTransition),从有序到无序，即起始的剪切变稀现象是由于体系中粒子有序程度的提高，而在临界值后的剪切增稠现象是因为体系中粒子的有序结构到破坏；其二是Brady等人提出的“粒子簇”生成机理，他们认为剪切增稠是由于流体作用促成亚稳态“粒子簇”的生成，严重阻碍了流体的流动，使

4、得体系的粘度增大。STF通常由分散相粒子及分散介质组成。其中分散相粒子为天然矿物质或合成聚合物，如二氧化硅、硅、碳酸钙、聚苯乙烯等；分散介质为水、聚乙二醇、乙醇、异丙醇、矿物油、水和甘油混合液等。对一个具有剪切增稠性质的悬浮液体系而言，须符合这样两个条件：第一是分散相的浓度较高，且浓度低于临界值时为牛顿流体，浓度太高是塑性流体,例如淀粉糊的浓度大概40%-50%时表现出胀流性；第二是粒子的分散性好，不发生团聚，即通过粒子间的静电效应、空间位阻等提高粒子的分散性。现在研究的STF大多采用纳米SiO?作为分散相粒子，聚乙二醇(PEG)作为分散介质。其它还有如DongHuaXu

5、等人研究了超高相对分子质量网络结构，即聚4-乙烯毗唳(PVP)溶于二甲基亚飒(DMS0)的可逆交联体系的剪切增稠机理；Edwards等人进行了溶解于低粘度牛顿流体的超高相对分子质量聚合物的剪切增稠试验；杨海林等人研究了沉淀碳酸钙/聚乙二醇的剪切增稠现象；F.J.GaIinder-Rdsolos等人研究了表面改性的气相二氧化硅在聚丙二醇中的瞬态剪切增稠行为WanQuanJian等人将PMMA粒子分散于PSt-EA(丙三醇-水)中进行实验等。目前的实验研究较多的是采用纳米二氧化硅作为分散相，极性溶剂作为分散介质混合而成的剪切增稠液体体系⑶。开发和研究高性能的剪切增稠液体以及基

6、于此的应用开发研究工作是剪切增稠液体体系研究的热点和重点。影响因素探究1、理论推算剪切增稠流体增稠的一个前提条件是剪切应力的存在。从力学角度讲，剪切应力(T=—A(1)o:剪切应力；F：剪切力；A：剪切面积。从流变学理论，对牛顿流体•夕(2)n：粘度，在恒温恒压下，不论剪切速率和剪切时间如何变化，n均为定值，可以作为恒温恒压下流体的特性参数。：剪切速率。•v丫=匚d(3)v：剪切速度，矢量；d：剪切层厚度，矢量。剪切速率表述成剪切速度在流体厚度方向上的导数。但剪切增稠流体是非牛顿流体，随着剪切速率的变化，粘度也随之变化，粘度本身也是的函数。公式表述如下：••b=(4)o和

7、是宏观可测知的量，则粘度n()可以表述为”6)=?丫(5)由公式(4)与(5)可见，同时会引起11()和。的变化，这种非线性的存在，才有可能使剪切增稠流体在有限的剪切速率范围内迅速增稠，达到某个级别的抗冲击防护设施的防护要求。至IJ此，我们可以阐述剪切增稠⑷另一个前提条件：剪切速率超过剪切增稠流体增稠临界点。对于某种既定的剪切增稠流体来说，此临界点是一个固定的剪切速率值，此值也可以看成是此流体的一个特性参数。只有剪切速率超过流体剪切增稠临界点，流体才会出现剪切增稠现象。2、剪切增稠流体的配制原则2.1分散介质的选择：人体防护用