SiO2/PEG200剪切增稠液体的制备及粘度性能分析

李 婷，祝振威，汪泽幸，李洪登

(湖南工程学院纺织服装学院，湖南湘潭 411104)



SiO2/PEG200剪切增稠液体的制备及粘度性能分析

李 婷，祝振威，汪泽幸，李洪登

(湖南工程学院纺织服装学院，湖南湘潭 411104)

以纳米SiO2粉体为分散相，PEG200为分散介质获得了不同质量分数的剪切增稠液体，并分析了SiO2质量分数及粒径对剪切增稠液体流变性能的影响。测试结果表明，欲提高剪切增稠性能，可通过减少分散相粒径，同时增加分散相质量分数来实现；但当分散相质量分数较高时，需要添加以无水乙醇为代表的稀释剂，降低液体的粘度，以获得分散均匀的剪切增强液体；同时为去除搅拌过程中产生的气泡，需对制备的剪切增稠液体进行真空处理，但真空处理时间不宜太长，以免分散相和分散介质的过度损失。

剪切增稠液体 纳米二氧化硅 粘度

0 引言

作为一种具有非牛顿力学行为的可逆流体，剪切增稠液体(Shear Thickening Fluid，STF)在常态下表现为液态特性，当受高速冲击作用时，表观粘度急剧增加，而呈现出固体状；当外加冲击力消失后，又迅速恢复到原来的柔性状态[1]，其为一种处于固、液混合状态的纳米粒子溶液，纳米粒子作为分散相悬浮在有机溶剂分散介质中。近年来，剪切增稠液体对冲击应力的流变响应特性及其响应的能量吸收性能使其成为一种理想的防护类柔性复合材料[2]。

随着研究的不断深入，对剪切增稠液体的认识已从对实验现象的定性描述发展到对其增稠过程和机理的分析。本文以纳米SiO2粉体为分散相，聚乙二醇为分散介质制备剪切增稠液体，主要研究分散相的质量分数及粒子直径对剪切增稠液体流变性能的影响。

1 实验原料与步骤

1.1 实验原料

商购粒径为15nm、30nm和50nm的气相纳米SiO2粉体为分散相，平均分子量为200和600的聚乙二醇(PEG200)为分散介质，以及无水乙醇为稀释剂。

1.2 剪切增稠体系的制备

由于选用的分散相粒径较小，在分散介质中团聚现象严重，在制备分散体系时，需分批加入SiO2粉体。在制备过程中，每隔4分钟缓慢加入部分SiO2粉体，将纳米SiO2粒子与PEG200在600转/分钟的转速下搅拌2小时，之后将样品在真空干燥箱中静置24小时，以去除分散体系中的气泡，以获得稳定的分散体系。具体配方及制备方法列于表1中。

表1 剪切增稠分散体系配置表

1.3 流变性能测试

剪切增稠分散体系的流变性能，主要通过测试其在不同剪切速度下的粘度来表示[1-3]。结合实验室现有器材，选用NDJ-8S旋转式粘度计来测试剪切增稠体系的粘度，选用不同直径的转子并配合不同转速来实现不同的剪切速度，但该粘度计最高转速为60转/min，难以表征高剪切速度下的流变性能。在测试过程中，所测的粘度总会超过粘度计的量程，超过扭矩的80%，测试精度无法保证，且无法获得剪切增稠液体稳定态粘度。沙晓菲等[3]研究发现，剪切增稠液体的起始粘度、临界粘度以及终止粘度之间变化趋势具有一致性，三者中任何一个，均可反映其流变性能。基于此，本文选用1号转子，并以10秒时的粘度值为表征指标，对不同分散体系的流变性能进行对比分析。

2 实验结果与分析

2.1 搅拌方式的影响

在制备过程中，液体表面与空气反复接触，在搅拌过程中，空气不断进入分散体系内部，造成气泡存在，将影响后续复合织物加工时，剪切增稠液体对织物的浸透性能，故需在真空条件下，去除气泡。对比机械搅拌和磁力搅拌制备的两种剪增稠液体，机械搅拌制备的剪切增稠液体内部及液体表面存在较多的气泡(如图1所示)。

(a)机械搅拌 (b)磁力搅拌

图1 不同搅拌方式下制备的剪切增稠液体(质量分数为15%)

在制备过程中发现，当分散相质量分数超过20%时，实验室现有磁力搅拌器就难以顺利搅拌，此时需考虑加入适量无水乙醇进行稀释，以降低分散体系的粘度；当分散相质量分数达到50%时，需要以1:3的比例添加无水乙醇，才能制备混合均匀的剪切增稠液体。在测量其流变性能前，需采用抽真空的方式，去除所添加的无水乙醇。

实验过程中还发现，抽真空可有效去除气泡和无水乙醇，但过度真空处理，会将部分聚乙二醇也同时去除，残留白色块状物(见图2)。这主要是由于无水乙醇沸点较低，在低压下易于蒸发和沸腾，从而被抽出，但此时也会带动部分PEG200和纳米SiO2同时从剪切增稠液体中分离出来，使剪切增稠液体中含固率增加。

相比于磁力搅拌，虽然人工机械搅拌范围广、力度大，适用于高质量分数剪切液体的制备，但搅拌速度较慢，长时间搅拌时，搅拌速度波动大，且制备的分散体系中气泡较多，在真空处理时，处理时间较长，更易抽出部分PEG200液体，造成质量分数的大幅度变化。

图2 过度抽真空后块状残留物

综合考虑上述因素，下述部分实验仅采用磁力搅拌方式配置的剪切增稠液体，并仅对分散相质量分数在20%以下的剪切增稠液体的粘度进行测试，以此反映其流变性能。

2.2 分散相含量的影响

对1号和3号试样的粘度进行测试，转速与粘度之间的变化趋势见表2。

表2 不同浓度下转速对流变性能的影响(纳米颗粒直径为50nm)

质量分数为15%质量分数为20%转速(转/min)粘度(Mpa.s)转速(转/min)粘度(Mpa.s)0.3788170.3877290.61905290.62010231.5824601.58923032865333200161054614531252012920301570301840601607601732

从表2中可以看出，在同等转速下，即相同剪切速率下，质量分数高的剪切增稠分散体系其粘度较高，表明要提高分散体系的剪切增稠性能，可考虑提高分散体系的质量分数。这是由于同等分散相粒径下，质量分数越高，单位容积内粒子数量增加，粒子间平均距离越短，在外加剪切变形作用下，粒子间相互干扰碰撞的机率越高，表现为粒子移动阻力增加，剪切增稠效应越明显。

从表2中还可以看出，在同等浓度下，随着转速的增加，剪切增稠分散体系的粘度先增加，达到峰值后，粘度下降，达到最小值后，随着转速的增加，粘度再次小幅度增加，但由于实验设备的原因，未能测得高转速下的粘度变化趋势。该变化趋势表明，随着转速的增加，即剪切速率的增加，该分散体系存在剪切增稠和剪切变稀的过程。剪切增稠现象可用“粒子簇”理论来解释，在较低的剪切速率下，SiO2团聚体因存在较弱的位阻斥力和布朗运动作用下，不会形成“粒子簇”，但因剪切作用破坏了网状结构，从而导致粘度下降; 随着剪切速率的进一步增大，流体作用力成为主要作用力，促使分散体系中的SiO2团聚体形成了“粒子簇”，使得体系的粘度增大[4-7]。从本文测试结果来看，在较高剪切速率下表现的剪切变稀和后续出现的剪切增稠现象，是否会在稳定粘度中体现，以及其出现的机理需做进一步研究；此外，在使用时应加以关注。

2.3 分散相粒子直径的影响

分散相质量分数为15%，颗粒直径分别为15nm，30nm及50nm的分散体系，在不同转子转速下的粘度值列于表3中。

表3 分散相浓度相同下粒子直径对粘度的影响

从表3中可以看出，在相同质量分数和不同转子转速的条件下，分散相颗粒直径越小，其粘度值越高，即表明分散相颗粒直径越小，相同质量分数下，其抗剪切性能越高。这主要是由于，相同分散相质量分数下，颗粒直径越小，粒子数量越多，单位容积内，粒子数量也越多，粒子之间的平均距离越短，粒子间相互干扰碰撞的机率越高，粒子活动自由空间越小，在外加剪切作用下，表现为粒子移动阻力增加，剪切增稠效应越明显。

3 结论

通过实验表明，剪切增稠现象随着颗粒直径的减小、分散相质量分数的增加而趋于明显。采用不同的搅拌方法，可以配备不同质量分数的剪切增稠液体；相对于磁力搅拌法，机械搅拌法获得的分散分数体系气泡较多，给真空处理带来了不便。对于高质量分数的剪切增稠液体，配置时需要加入稀释剂，无水乙醇因其具有易挥发，沸点低，初粘度低等优点，可通过真空处理去除，可作为稀释剂。由于实验条件有限，现有粘度计转速无法无级调节，只能获得固定转速点的粘度值。

[1] 伍秋美. SiO2分散体系流变学研究及其在防护材料方面的应用[D]. 长沙： 中南大学， 2007.

[2] 景晓颖， 陆振乾. 不同浓度和溶剂对剪切增稠液流变性能的影响[J]. 玻璃钢/复合材料， 2014(3)： 32-35.

[3] 沙晓菲, 俞科静, 钱坤. 不同分子量PEG对剪切增稠液体流变性能的影响[J]. 新型化工材料， 2013,41(5)： 100-102.

[4] Boersma W H， Laven J， Stein H N． Computer stimulations of shear thickening of concentrated dispersions[J]． Journal of Rheology， 1995， 39(5): 841-860．[5] Bossis G, Brady J F. The rheology of brownian suspensions [J]. Journal of Chemical Physics, 1989, 91(3): 1866-1874．

[6] 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．

[7] 刘君, 熊党生, 熊华超. 剪切增稠流体浸渍Kevlar复合材料的防刺性能[J]． 南京理工大学学报:自然科学版， 2010(2): 271-274．

2016-03-27

国家级大学生创新创业训练计划项目(201511342003)，湖南省大学生研究性学习和创新实验计划项目

汪泽幸(1982-)，男，博士，讲师。

TB332

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1008-5580(2016)04-0087-03