CN102899894B - 一种剪切增稠流体的制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有机硅聚合物应用的技术领域，为解决微纳米颗粒与分散介质的相容匹配性，提高体系剪切增稠的效果，加强体系的储存稳定性问题，本发明提供了一种剪切增稠流体的制备方法，剪切增稠流体由微纳米颗粒与有机硅聚合物混合制成，其中微纳米颗粒与有机硅聚合物的质量比为1~3：2~4，本发明制备工艺简单、制备时间较短、产物品质稳定、易量产、能耗低、三废少、成本低。本发明也提出了一种剪切增稠流体在液体防护复合材料的应用，产品无毒，无污染，合适人体使用，同时也适用于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及低粘度硅油应用的技术领域，具体地说涉及一种分散于低粘度硅油的剪切增稠悬浮液的制备。
背景技术
人类在现实生活中面临伤害的可能性在不断地增加，对防护装备的种类和性能要求也在日益提高。随着高性能纤维材料的发展，个体防护材料近年来也取得了长足进展，逐渐由原来的硬质、半硬质产品，发展到目前的软质产品以及最新的液体防护装备，液体防护材料在防护领域具有很大的市场前景。这种分散体系的剪切增稠效应作为一种宏观现象，很早就引起人们的重视，如传输管道的阻塞、仪器的破坏等，而在生产实践中要尽力避免这类有害效应的影响。从20世纪80年代末开始，人们开始研究如何利用这种现象化害为利，在防弹和防震领域已经取得广阔应用。Fischer等人应用STF（剪切增稠流体）设计出三明治梁，达到控制振动响应的目的，表明STF在振动领域的具有应用价值。Lee等人利用STF处理凯夫拉尔纤维，并模拟了子弹射入防弹衣的实验，证实STF可以在同等硬度的情况下大大提高防弹衣的强度，即可以做出柔韧性好强度高的防护设备。
剪切增稠流体是一种非牛顿流体或者称为膨胀性流体，一般是由悬浮介质和粒径相对均一的无机胶状颗粒组成，在通常低能量状态，即未受到撞击时，它可以正常流动；当受到触发或碰撞，STF就变成坚硬的固体，使织物更强韧，提供无法估量的防护作用。所以，利用STF制造的新型防护衣，平时柔软舒适，一旦遭到刀等利物的砍、刺、或高速子弹、弹片的冲击，就会在受到冲击的瞬间变得坚韧无比，而且能将冲击力沿织物迅速分散开来，大大降低单位面积的压强。当冲击力消失之后，剪切增稠液又恢复液体状态，织物也重新***。
目前，制备液体防护材料的剪切增稠液体大多由聚乙二醇和二氧化硅复合组成，申请号为201110062145.0的中国专利公开了一种基于SiO2微纳米球的剪切增稠流体的制备方法，该专利公开了以聚乙二醇为基材的剪切增稠流体，但是由于聚乙二醇自身结构的局限性，组成的体系存在由于聚乙二醇吸湿性强而导致体系的不稳定，键能低、不耐剪切等问题。
发明内容
为解决微纳米颗粒与分散介质的相容匹配性，提高体系剪切增稠的效果，加强体系的储存稳定性问题，本发明提供了一种剪切增稠流体的制备方法，本发明制备工艺简单、制备时间较短、产物品质稳定、易量产、能耗低、三废少、成本低。
本发明也提出了一种剪切增稠流体在液体防护复合材料的应用，产品无毒，无污染，合适人体使用，同时也适用于工业化生产。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种剪切增稠流体，由微纳米颗粒与低粘度硅油混合制成，其中微纳米颗粒与低粘度硅油的质量百分比分别为20~60%、40~80%。作为优选，微纳米颗粒与低粘度硅油的质量百分比分别为30~40%、60~70%，这种剪切增稠流体是一种高浓度的固体颗粒悬浮液。
低粘度硅油选自羟基封端聚硅氧烷、甲氧基封端聚硅氧烷、乙氧基封端聚硅氧烷中一种或几种。低粘度硅油的分子量在100~2000之间。
微纳米颗粒选自二氧化硅、过渡金属氧化物或者非氧化物颗粒。微纳米颗粒的粒径范围为5nm~10μm。过渡金属氧化物包括钛、铁、铜、银、金等金属氧化物，大多数是胶状或者呈球状形态，也可以为其他一些不规整的结构（椭圆形，立方体或者是其他多面体结构），这些氧化物表面可以经过分子表面进行改性处理，比如进行硅烷化处理。非氧化物颗粒选自聚合物或者碳酸钙，聚合物选自聚甲基丙烯酸甲酯或者聚苯乙烯。作为优选，这些颗粒粒径范围在5nm~8000nm，分散于胶体中可保持长时间的流动性。
一种剪切增稠流体的制备方法为：在低粘度硅油中加入微纳米颗粒，混合均匀。可采用分散设备进行混匀；可采用涡流搅拌、超声波搅拌设备、摇床震动、超声波处理、超声照射混匀；处理时间为0.3~5小时。
在混合过程中加入助溶剂，助溶剂选自水、异丙醇、乙醇、烷烃化合物中一种或几种，烷烃即饱和烃，是只有碳碳单键的链烃，是最简单的一类有机化合物。烷烃分子中，氢原子的数目达到最大值，它的通式为CnH2n+2。分子中每个碳原子都是sp3杂化。助溶剂的用量与微纳米颗粒的质量比为0.1~1：1。助溶剂促进了微纳米颗粒在体系中的分散，同时助溶剂选择时保证在混合完毕后经过简单的加热或者抽真空条件可以容易的去除，并保证体系剪切增稠的效果不变，从而制备出最终的剪切增稠流体。
一种剪切增稠流体在液体防护复合材料中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明有效地提高了分散相与分散介质的相容匹配性，提高相互作用，增强了剪切增稠的效果，防止微纳米颗粒的团聚和实现颗粒的均匀分散；
（2）本发明制备工艺简单、制备时间较短、产物品质稳定、易量产、能耗低、三废少、成本低。
（3）产品无毒，无污染，合适人体使用，同时也适用于工业化生产。
附图说明
图1为分散于聚二甲基硅氧烷的剪切增稠流体的稳态流变曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，所需原料均可市购，以下实例仅仅对本发明进行进一步的说明，不应理解为对本发明的限制。
实施例1
（1）在羟基封端聚二甲基硅氧烷1.0kg（分子量为200）与助溶剂无水乙醇0.2kg的混合物中加入平均粒径为450nm SiO2颗粒0.3kg和平均粒径为250nm二氧化钛颗粒0.1kg，采用行星搅拌设备处理3小时，制得由无水乙醇稀释的剪切增稠流体。
（2）然后，将上述制得的无水乙醇稀释的剪切增稠流体升温到55℃在真空条件下缓慢搅拌挥发去除无水乙醇，制得最终的剪切增稠流体A，粘度为2500±500cps。
剪切增稠流体A具有很好的剪切增稠特性，能很好的满足后续加工的需要。
实施例2
（1）在乙氧基封端聚二甲基硅氧烷1.0kg（分子量为500）与无水乙醇0.05kg的混合物中加入平均粒径为100nm SiO2颗粒0.35kg和平均粒径为250nm二氧化钛颗粒0.08kg，采用超声搅拌设备处理1小时。制得有无水乙醇稀释的剪切增稠流体。
（2）然后，将上述制得的无水乙醇稀释的剪切增稠流体升温到65℃，同时在抽真空的条件下缓慢搅拌挥发去除无水乙醇，制得最终的剪切增稠流体B，粘度为3000±500cps。
剪切增稠流体B具有很好的剪切增稠特性，能很好的满足后续加工的需要。
实施例3
（1）在羟基封端聚二甲基硅氧烷0.5kg（分子量为800）、乙氧基封端聚二甲基硅氧烷0.5kg（分子量为250）与无水异丙醇0.4kg的混合物中加入平均粒径为100nm SiO2颗粒0.25kg和平均粒径为50nm SiO2颗粒0.20kg，采用行星搅拌设备处理3.5小时。
（2）然后，将上述制得的无水异丙醇稀释的剪切增稠流体升温到70℃、同时在抽真空的条件下缓慢搅拌挥发去除无水异丙醇制得最终的剪切增稠流体C，粘度在4000±600cps。
剪切增稠流体C具有很好的剪切增稠特性，能很好的满足后续加工的需要。
实施例4
（1）在甲氧基封端聚二甲基硅氧烷0.25kg（分子量为800）、乙氧基封端聚二甲基硅氧烷0.25kg（分子量为800）与无水异丙醇0.25kg的混合物中加入平均粒径为10nm的SiO2颗粒0.40kg和平均粒径为100nm SiO2颗粒0.40kg，采用行星搅拌设备处理4.5小时。
（2）然后，将上述制得的无水异丙醇稀释的剪切增稠流体升温到70℃、同时在抽真空的条件下缓慢搅拌挥发去除无水异丙醇制得最终的剪切增稠流体D，粘度在4200±600cps 。
剪切增稠流体D具有很好的剪切增稠特性，能很好的满足后续加工的需要。
实施例5
（1）在羟基封端聚二甲基硅氧烷1.0kg（分子量为400）与助溶剂蒸馏水0.6kg的混合物中加入平均粒径为450nm SiO2颗粒0.5kg和平均粒径为250nm二氧化钛颗粒0.2kg，采用行星搅拌设备处理3小时，制得有水稀释的剪切增稠流体。
（2）然后，将上述制得的水稀释的剪切增稠流体升温到90℃在真空条件下缓慢搅拌挥发去除水，制得最终的剪切增稠流体E，粘度为8000±1000cps。
剪切增稠流体E具有很好的剪切增稠特性，能很好的满足后续加工的需要。
实施例6
（1）在羟基封端聚二甲基硅氧烷0.5kg（分子量为400）、甲氧基封端聚二甲基硅氧烷0.5kg（分子量为350）与环己烷0.5kg的混合物中加入平均粒径为50nm SiO2颗粒0.35kg和平均粒径为600nm SiO2颗粒0.25kg，采用行星搅拌设备处理4.5小时。
（2）然后，将上述制得的环己烷稀释的剪切增稠流体升温到80℃、同时在抽真空的条件下缓慢搅拌挥发去除环己烷制得最终的剪切增稠流体F，粘度在4000±600cps。
剪切增稠流体F具有很好的剪切增稠特性，能很好的满足后续加工的需要。
实施例7
（1）在羟基封端聚硅氧烷1.0kg（分子量为300）与助溶剂环己烷0.2kg的混合物中加入平均粒径为300nm 聚甲基丙烯酸甲酯颗粒0.55kg，采用行星搅拌设备处理3.5小时，制得由环己烷稀释的剪切增稠流体。
（2）然后，将上述制得的环己烷稀释的剪切增稠流体升温到80℃在真空条件下缓慢搅拌挥发去除环己烷，制得最终的剪切增稠流体G，粘度为4500±500cps。
剪切增稠流体G具有很好的剪切增稠特性，能很好的满足后续加工的需要。
将通过实施例制备的剪切增稠流体，固体颗粒在溶液中均匀分散状态，剪切增稠流体具有很好的剪切增稠特性，能很好的满足后续加工的需要，图1所示为分散于聚二甲基硅氧烷的剪切增稠流体的稳态流变曲线。
从图1所示的稳态流变曲线可以看出，本发明所制备的剪切增稠流体具有很好的剪切增稠特性。
应用例
将上述实施例1-7制备的剪切增稠流体A、B、C、D、E、F、G分别与PBO纤维织物或者芳纶(Kevlar)纤维布通过浸泡、涂覆或喷涂等方式复合制备液体防护复合材料，所获得的复合材料防护能力强、质量小、柔软坚韧能够满足个体防护材料全面、舒适、简便化的要求。
通过考虑本公开的说明书和实施例，对于本领域技术人员来说，本公开的其它实施例将是显而易见的。以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本公开的真实范围和实质由所附的权利要求限定。
Claims (5)
1.一种剪切增稠流体的制备方法，其特征在于，所述的剪切增稠流体由微纳米颗粒与低粘度硅油混合制成，其中微纳米颗粒与低粘度硅油的质量百分比分别为20~60%、40~80%，所述的低粘度硅油选自羟基封端聚硅氧烷、甲氧基封端聚硅氧烷、乙氧基封端聚硅氧烷中一种或几种，低粘度硅油的分子量在100~2000之间，所述的微纳米颗粒选自二氧化硅、过渡金属氧化物或者非氧化物颗粒，微纳米颗粒的粒径范围为5nm~10μm。
2.根据权利要求1所述的一种剪切增稠流体的制备方法，其特征在于，非氧化物颗粒选自聚合物或者碳酸钙，聚合物选自聚甲基丙烯酸甲酯或者聚苯乙烯。
3.根据权利要求1所述的一种剪切增稠流体的制备方法，其特征在于，制备过程中采用分散设备进行混匀，混合时间为0.3~5小时。
4.根据权利要求1或3所述的一种剪切增稠流体的制备方法，其特征在于：在混合过程中加入助溶剂，助溶剂选自水、异丙醇、乙醇、烷烃化合物中的一种或几种，助溶剂的质量与微纳米颗粒的质量比为0.1~1：1。
5.一种如权利要求1所述的一种剪切增稠流体在液体防护复合材料中的应用。
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