剪切增稠流体的流变行为研究及其在防刺材料中的应用

摘要

剪切增稠流体(STF)属于非牛顿型流体，在常态下呈现浓缩的胶质悬浮分散液状态。高速冲击作用下，体系粘度急剧上升，由液态转变为类固态;冲击消失后又迅速恢复自由流动状态。剪切增稠流体具有的可逆特性及其特殊的增稠特性使其在防护、减震等领域具有广阔的应用前景。本文运用改性剂对STF组分进行改性，通过应力控制流变仪系统研究了影响STF流变性能的因素。使用二氧化硅(nano-SiO2)作为分散相、聚乙二醇(PEG)作为分散介质，制备了剪切增稠流体，将其用于浸渍UHMWPE织物。通过穿刺试验检测了复合材料的防刺性能，并探究了其作用机理。
　　nano-SiO2粉体表面能高，极易团聚。为了制备得到悬浮稳定的STF，本文第二章采用硅烷偶联剂KH560改性不同粒径的nano-SiO2，并通过应力控制流变仪对不同体系的nano-SiO2/PEG悬浮液的流变性能及其影响因素进行分析。研究结果表明，采用硅烷偶联剂KH560处理nano-SiO2粒子，能够有效解决纳米粒子的团聚问题。稳态流变测试结果表明，分散相的质量分数、分散相粒径以及分散介质的种类都对悬浮体系的流变性能有不同程度地影响。其中，随着分散相含量的提高，体系增稠后的粘度变化更大;经KH560改性后的粒径为12nm的SiO2作为分散相的悬浮液在测试的剪切速率范围内增稠幅度更大;PEG400作为分散介质的体系在流变测试中也表现出更为明显的剪切增稠效应。流变测试结果进一步表明，悬浮体系具有可逆性，且用“粒子簇”生成机理能较好的解释其低剪切速率下剪切变稀、高剪切速率下的剪切增稠现象。
　　STF常态下流动性高，在实际应用过程中易发生侧漏或随着使用期限的延长而逐渐流失。本文第三章使用二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)对PEG进行扩链改性，制备nano-SiO2/PEG/MDI分散体系，旨在降低STF的流动性。通过应力控制流变仪对悬浮体系的流变性能及其影响因素进行分析。流变结果表明:动态测试中，体系的临界剪切应力随测试频率的增大而增大,但其粘度增稠幅度减小;同一粒径的SiO2，质量分数越大，悬浮体系的增稠行为越明显;nano-SiO2质量分数相同时，粒径小的分散体系整体粘度大，增稠幅度大;nano-SiO2/PEG和nano-SiO2/PEG/MDI两种分散体系皆表现出剪切增稠。其中，nano-SiO2/PEG/MDI体系的整体粘度更大。
　　国内外对于剪切增稠流体在防刺材料方面的研究主要使用亚微米粒子作为分散相，而对纳米粒子的STF的研究相对较少。本文第四章通过穿刺试验研究了nano-SiO2/PEG/UHMWPE复合织物的防刺性能并考察了STF的组分对复合材料防刺性能的影响。采用不同粒径的SiO2制备的STF/UHMWPE复合织物的穿刺试验结果表明，采用经硅烷偶联剂KH560改性后的粒径为12nm的SiO2制备的STF/UHMWPE复合织物具有更好的防刺性能，穿刺后试样只有少量纤维被拉出且织物未被贯穿，同时其穿刺深度仅为5.5cm;采用含有不同质量分数分散相的悬浮液制备的复合织物的防刺试验结果表明，高固含量的STF处理的织物具有更好的防刺性能;采用不同分子量的PEG作为分散介质的STF浸渍的UHMWPE织物经防刺试验后的测试结果表明，高固含量下的STF/UHMWPE复合材料的防刺性能优于纯织物试样。同时，采用PEG400作为分散介质的体系制备的复合织物的防刺效果更好。以上结果表明，STF体系的增稠效果越明显，其处理的织物具有更好的防刺性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 剪切增稠流体简介

1．2 剪切增稠流体微观机理

1．3 STF流变性能研究

1．3．1 分散相粒子的影响

1．3．2 分散介质的影响

1．3．3 温度的影响

1．4 STF的应用研究

1．4．1 STF在个人防护材料领域应用研究

1．4．2 STF在减震领域的应用研究

1．5 本文的研究目的意义和内容

1．5．1 研究目的与意义

1．5．2 研究内容

第二章 nano-SiO2／PEG分散体系流变性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 nano-SiO2改性处理

2．2．4 STF的制备

2．3 表征方法和仪器

2．3．1 改性前后nano-SiO2的表征测试

2．3．2 STF的流变性能测试

2．4 结果与讨论

2．4．1 nano-SiO2的表征分析

2．4．2 STF的流变性能分析

2．5 本章小结

第三章 nano-SiO2／PEG／MDI分散体系流变性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 nano-SiO2／PEG／MDI悬浮分散体系的制备

3．2．4 PEG／MDI扩链反应残余异氰酸根(NCO％)的测定

3．2．5 流变性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 FTIR分析

3．3．2 稳态流变性能

3．3．3 动态流变性能

3．4 本章小结

第四章 剪切增稠流体对UHMWPE织物防刺性能的增强效果研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器

4．2．3 STF／UHMWPE复合织物的研制

4．2．4 实验设计

4．3 结果与讨论

4．3．1 下落高度的影响

4．3．2 nano-SiO2粉体粒径的影响

4．3．3 nano-SiO2粉体质量分数的影响

4．3．4 分散介质的影响

4．3．5 STF／UHMWPE复合织物防刺机理研究

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和获奖情况

致谢