超声法制备剪切增稠液及其稳态流变行为的研究

吴 磊,沈谈笑,曾栌贤,徐建军,刘鹏清

(四川大学 高分子科学与工程学院 高分子材料工程国家重点实验室，四川 成都 610065)



超声法制备剪切增稠液及其稳态流变行为的研究

吴 磊,沈谈笑,曾栌贤,徐建军,刘鹏清*

(四川大学 高分子科学与工程学院 高分子材料工程国家重点实验室，四川 成都 610065)

利用原生粒径20 nm的纳米二氧化硅(SiO2)作为分散相，聚乙二醇200作为分散介质，用超声混合法制备剪切增稠液体(STF)。研究了纳米SiO2的微观形貌结构及其粒径大小和分布以及STF的流变行为，探讨了超声时间、SiO2含量和温度对STF流变行为的影响。结果表明：SiO2粒子并不是完全等径存在，而是通过团聚形成团聚体；超声时间影响STF的流变行为，在超声时间1～4 h时，随着超声时间增长，初始黏度变小，临界剪切速率变大，STF增稠效果较明显，但随着超声时间的继续增长，STF的剪切增稠效果变差；随着SiO2质量分数的增大，STF体系的起始表观黏度增大，临界剪切速率减小，增稠现象更明显；随温度升高，临界剪切速率变大，STF剪切增稠现象则越不明显；超声时间、SiO2含量、温度能有效调控临界剪切速率。

剪切增稠液体 超声法 聚乙二醇 二氧化硅 纳米 流变行为

剪切增稠液体(STF)是表观黏度(ηa)随着剪切应力的增加而增加的流体，并且具有可逆性[1]。自1938年Freundlich和Rode首次在硬球型分散液中发现了具有剪切增稠现象的流体开始，STF一直被人们所研究[2]。因其剪切增稠的特性，STF在军用防弹衣、装甲、人体防护和减震等领域有着广阔的应用前景[3-5]。

1 实验

1.1 原料

SiO2：原生粒径20 nm，赢创德固赛公司产；PEG 200：分析纯，成都科龙试剂有限公司提供。

1.2 仪器与设备

KH2200超声机：昆山禾创超声仪器有限公司制造；XW- 80A型漩涡混合仪：上海精科实业有限公司制造；FD-1A-SO冷冻干燥机:北京博医康实验仪器有限公司制造；Mastersizer 2000型激光粒度仪：英国Malvern公司制造；Quanta 250扫描电子显微镜(SEM)：美国FEI公司制造；Mars Ⅲ型哈克旋转流变仪：美国Thermo Fisher Scientific公司制造；BI-200SM型动态光散射仪：美国Brookhaven仪器有限公司制造。

1.3 STF的制备

计算配制一定SiO2含量的STF体系所需要的纳米SiO2和PEG 200的质量并称重，将PEG 200加入漩涡混合仪中边混合边加入纳米SiO2，然后在25 ℃恒温的超声机中超声一定时间，制备出所需要的STF。将所制备的试样放入冷冻干燥器中干燥24 h，除去其中的气泡和水。

1.4 测试与表征

粒子粒径：采用激光粒度仪对分散在无水乙醇中的纳米SiO2的粒径进行测量。

表观形貌：采用SEM观察粒子形貌，试样测试前进行喷金处理，加速电压为30 kV。

STF流变行为：采用哈克旋转流变仪测试PEG 200及STF的稳态流变行为，使用的夹具是直径为35 mm的锥板，锥角为1°。

粒子粒径分析：采用动态光散射仪对试样中纳米SiO2的粒径进行分析。

2 结果与讨论

2.1 纳米SiO2粒子的粒径和表面形貌

从图1可以看出，纳米SiO2粒子并不是完全等径存在的，SiO2粉体平均粒径约为136 nm，粒径分布较窄，纳米SiO2原生粒径为20 nm，说明SiO2发生了团聚。这是由于SiO2粒径小，具有高的表面能并不会孤立地存在，而是通过团聚形成团聚体。由图2可看出，纳米SiO2基本呈球形，有较好的分布形态。

图1 纳米SiO2粒径分布曲线

图2 纳米SiO2的SEM照片

2.2 超声时间对PEG 200流变性能的影响

图3 25 ℃下不同超声时间的PEG 200稳态流变曲线

为了更好地说明分子链相互作用力，对试样进行了红外光谱表征，见图4。

图4 不同超声时间下PEG的红外光谱

从图4可见，不同超声时间的PEG 200的特征峰几乎没有变化。反映氢键缔合情况的—OH键，其位于3 200～3 650 cm-1处的特征峰没有出现向低频位移的现象。一般认为化合物分子的O—H基团形成的氢键作用力越强，O—H伸缩振动向低频位移越多，吸收谱带越弥散。由此可以看出，超声时间对PEG 200分子链和分子间氢键作用力没有太大影响。

2.3 超声时间对STF流变行为的影响

图5 25 ℃下不同超声时间的STF稳态流变曲线

图6 25 ℃下不同超声时间对STF溶液中纳米SiO2粒径的影响

2.4 SiO2含量对STF流变行为的影响

由图7可知，当SiO2质量分数为10%，STF体系表现出的剪切变稀和剪切增稠现象不太明显。但随着SiO2质量分数的增加，剪切增稠现象越来越明显。

图7 25 ℃下不同SiO2含量的STF稳态流变曲线

2.5 温度对STF流变行为的影响

图8 不同温度下的STF稳态流变曲线

3 结论

a. 以原生粒径为20 nm的纳米SiO2为分散相粒子，PEG 200为分散介质，用超声分散法能够成功制备出具有增稠效果的STF。

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[3] 徐素鹏，张玉芳.剪切增稠液体在个体防护装甲上的应用进展[J].高科技纤维与应用，2008，33(3)：40-43.

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[4] 马勇，陈宏书，王结良，等.基于剪切增稠液体防护装甲的研究[J].高分子通报，2012(6)：49-53.

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Yu Kejing，Sha Xiaofei，Qian Kun，et al. The impact on the stap resistance of complex shear thickening fluids treated nponwovens[J].J Funct Mater,2012,43(23): 3300-3303.

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◀国内外动态▶

2015年欧洲非织造布生产量达2 329 kt

据日本化纤协会《行业新闻》报道，欧洲非织造布协会发布了2015年欧洲非织造布及相关产品的统计数据，2015年欧洲非织造布生产量为2 329 kt，比2014年增长3.6%。欧盟的增长较少，但土耳其等一些国家为强增长。从各制造方法看，干法、湿法、气流法增长3.1%，融纺法增长4.3%，drylaid水流交络法增长7.0%。从最终用途看，依然是卫生材料占最大比例为31%，生产量为717.2 kt。另外，在2015年，最显著的增长领域是汽车(9%)、农业(11%)、擦拭布(11%)、饮食相关(12%)、过滤器(17%)。另一方面，芯材和涂层基材、建筑领域为大幅度减少。

(通讯员 王德诚)

Indorama公司与Dhunseri石化公司

进行PET融合

印度Dhunseri石化公司和泰国Indorama公司风险投资公司已于2016年3月28日同意成立一个各持股50%的合资企业进行聚对苯二甲酸乙二酯(PET)融合，在印度和出口市场生产和销售PET树脂。 Dhunseri将购买Indorama公司Micro Polypet附属公司50%的股份，Micro Polypet附属公司在印度帕尼帕特拥有216 kt/a PET装置。Indorama公司将购买Dhunseri石化公司在印度霍尔迪亚的PET装置，该装置拥有PET生产能力480 kt/a。Dhunseri石化公司在埃及也拥有生产，不包含在该转让中。该交易预计将在2016年下半年受监管部门批准后生效。该合资公司有近700 kt/a的PET生产能力，占印度总量的约38%。印度人均PET树脂的消费量仅0.6 kg，相比之下，中国2.6 kg，日本7.6 kg，欧盟6.7 kg和美国10.9 kg。该合资公司将成为PET在印度北部和东部的唯一生产商，它的两个生产基地与原材料供应集成在一起。信诚工业公司目前拥有印度PET生产能力的51%，Dhunseri公司拥有 26%，Micro Polypet公司和JBF公司各拥有12%。

(通讯员 钱伯章)

北京赛欧兰开发阻燃纤维

北京赛欧兰阻燃纤维有限公司目前已开发出完全符合市场需求的绿色环保阻燃剂及新型多品种的阻燃粘胶纤维，且已成功生产出适合制造特殊行业防护服、高端家纺、交通工具内装饰等多领域的阻燃粘胶短纤维及长丝，赛欧兰的阻燃剂技术以及阻燃粘胶纤维生产工艺技术已达到世界领先水平，所有产品指标经检测和认证均超出国内外相关标准。

全新一代环保型硅-氮系阻燃粘胶纤维是赛欧兰的主要产品，其阻燃性能完全满足并超过国内外相关标准。该工艺生产的粘胶长丝和短丝可用于制作军队防护服、消防服、家居及公共装饰等使用的针、纺织品。

(通讯员 郑宁来)

Preparation and steady rheological behavior of shear thickening fluid via ultrasonic method

Wu Lei, Shen Tanxiao, Zeng Luxian, Xu Jianjun, Liu Pengqing

(StateKeyLaboratoryofPolymerMaterialsandEngineering,CollegeofPolymerScienceandEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065)

A shear thickening fluid (STF) was prepared by using nano-silicon dioxide (SiO2) with the particle size of 20 nm as the disperse phase and polyethylene glycol 200 as the disperse medium via ultrasonic method. The micro-structure and morphology, particle size and distribution of nano-SiO2were studied. The rheological behavior of STF was measured. The effects of ultrasonic time, SiO2content and temperature on the rheological behavior of STF were discussed. The results showed that nano-SiO2particles was not mono-dispersed because of the gathered aggregates; the rheological behavior of STF was affected by the ultrasonic time; the initial viscosity was decreased, the critical shearing rate was increased and the fairly good thickening effect of STF was acquired when the ultrasonic time was increased from 1 h to 4 h, but the thickening effect of STF became worse when the ultrasonic time was prolonged over 4 h; the initial apparent viscosity of STF system was increased, the critical shearing rate was decreased and the shear thickening effect became more obvious when the mass fraction of SiO2was increased; the critical shearing rate was increased and the shear thickening effect of STF became weak when the temperature rose; and the critical shearing rate could be efficiently controlled by adjusting the ultrasonic time, SiO2content and temperature.

shear thickening fluid; ultrasonic method; polyethylene glycol; silicon dioxide; nanometer; rheological behavior

2016- 01-25； 修改稿收到日期：2016- 03-14。

吴磊(1990—)，男，在读硕士，从事纤维结构与性能的研究。E-mail：597634127@qq.com。

中国博士后科学基金面上资助项目(2013M531965)。

TQ314.269

A

1001- 0041(2016)03- 0016- 05

*通讯联系人。E-mail：liupq@scu.edu.cn。