一种基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液制造技术

本发明专利技术提供一种基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，包括：二氧化硅粉末、聚乙二醇和N‑(ρ‑氨乙基)‑γ‑氨丙基三甲氧基硅烷。本发明专利技术提供的基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，材料易获得，加工方便，成本相对低廉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料工程领域，具体涉及一种基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液。
技术介绍
“剪切增稠液体”(Shear Thickening Fluid，简称STF)是种新型的功能材料，其在正常的状态下是以液体的形式存在的，但是当其受到冲击力的作用时，其表观粘度就会急剧的增加，会呈现出像固体那样的有很好的抗冲击性，当冲击力很快消失后，又会比较迅速地恢复到原先的状态。因此，这种溶液又被称为“固液两相溶液”。“剪切增稠液体”最初是美国军方用于防弹衣设计的，其最著名配方是纳米级二氧化硅基材+聚乙二醇溶液，但是否还有其它外加剂或特殊加工工艺则不得而知。经过本专利申请人的实际操作，证明只使用美国军方提出的这两种基本材料进行简单物理混合的情况下，溶液并不能达到预期的剪切增稠效果。我国国内也有一些新型剪切增稠液配方或加工工艺专利，例如申请号为201410009134.x的加工工艺专利。但这些专利通常要经过非常复杂的加工工艺(例如超声加工、真空条件下脱空气或其它挥发性物质)，成本非常高昂，一旦生产工艺略有偏差，就有可能造成加工失败。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出一种基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液。基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液包括：二氧化硅粉末、聚乙二醇和N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷；其中所述二氧化硅粉末的质量占新型剪切增稠溶液总质量的13％-46％，所述聚乙二醇的质量占新型剪切增稠溶液总质量的48％-85.8％，所述N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的质量占新型剪切增稠溶液总质量的1.2％-6.0％。所述二氧化硅粉末通常为纳米细度二氧化硅粉末。优选地，所述二氧化硅粉末包括200nm细度二氧化硅粉末。优选地，所述聚乙二醇包括聚乙二醇200(即分子量为200的聚乙二醇)。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，可用于军工或民用领域，用于防止高速飞射物对人体、器材、建筑的破坏。2、本专利技术提供的基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，由固体颗粒和基液组成，固液两相溶液在承受高速撞击时由于固体颗粒间力来不及传播，造成固体颗粒间巨大的咬合摩擦力，瞬时呈现出固体的特性，使撞击物的动能转化为这种溶液的内能，从而吸收高速撞击的能量。该溶液瞬间固化后，具有极强的抗穿透性。由于其瞬间呈现固体特性的性能，又可被称为“固液两相溶液”。3、本专利技术提供的基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，使用二氧化硅粉末作为固体基材，使用聚乙二醇作为液体基材，使用N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷作为分散剂。所用物质容易获得，对人体毒副作用很小，通过普通物理加工即可生成，便于工业推广。4、本专利技术提供的基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，材料易获得，加工方便，成本相对低廉。具体实施方式专利技术人根据对美国剪切增稠液体的调研，得知其使用二氧化硅粉末和聚乙二醇两种材料。经过试验，证明只使用这两种材料，在二氧化硅粉末质量浓度未达到15％时溶液便进入了不再溶解的状态，无法继续加工，也无法体现出剪切 增稠效果。改善加工方法，进一步使用双行星球磨、超声清洗法将质量分数增加到20％以上，仍无法体现出剪切增稠效果。为解决这一问题，专利技术人尝试了加入各种外加剂，其中包括定型剂(溴酸钠)、稳定剂(二月桂酸二丁基锡)、阻燃剂(硅酸钠)、分散剂(N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷)，其中定型剂、稳定剂、阻燃剂均未起到改善作用，阻燃剂甚至引起了溶液的凝固，只有分散剂N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷起到了较好作用。本实施例提供一种基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，包括：质量分数20％20nm细度的二氧化硅粉末、质量分数76.2％聚乙二醇和质量分数3.8％N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷。其中聚乙二醇包括但不限于聚 乙二醇200，N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷在溶液中起到分散剂作用。可采用搅拌法、挤压(揉压)法、超声清洗法、双行星球磨法等加工方法加工上述基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液。仅使用搅拌法、挤压(揉压)法这种简单的人工物理加工方法也可以达到很好的加工效果，但效率较低，为了搅拌均匀，需要较长的加工时间。超声清洗法、双行星球磨法是已尝试过的两种机械加工方法，效率较高。若溶液中固体粉末用量较大、难以搅拌或机械加工时，可先采用挤压(揉压)法，通过反复的搓揉挤压，使溶液中各种物质充分混合，达到一定的溶解度后再换其它加工方法，可达到较好的加工效果。为评价溶液的抗冲击效果，设计了冲击试验台架，通过从不同高度跌落的标准撞击物，冲击在烧杯中的溶液上，通过溶液对冲击物的反向加速度，可评判溶液的抗冲击效果。各种高度下冲击物受到典型的配比溶液(20％质量分数二氧化硅，3.8％N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷)的平均反向加速度如下表所示：典型配比聚乙二醇+二氧化硅溶液冲击试验结果统计表*1：g为重力加速度。保持二氧化硅质量分数20％，调整N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷用量，当用量1.3％时，4m跌落冲击反向加速度-33.36g，溶液过于黏稠，继续减少用量则难以搅拌加工，出现无法溶解的干粉；当用量达到5.9％时，4m跌落冲击反向加速度-22.55g，溶液有些过稀；当用量达到8％时，溶液过稀，烧杯被砸坏。考虑以4m冲击达到-20g的加速度作为验收指标，并考虑可加工性，N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的用量宜在1.2-6.0％之间。保持N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷用量为3.8％，调整二氧化硅质量分数，当取为8％时，溶液过稀，几乎没有剪切增稠效果，烧杯被砸坏；当取为14％时，溶液过稀，4m跌落冲击反向加速度-23.76g；当取为45％时，溶液过稠，4m跌落冲击反向加速度-37.43g，但继续增加浓度难以搅拌加工，出现无法溶解的干粉。考虑以4m冲击达到-20g的加速度作为验收指标，并考虑可加工性，二氧化硅质量分数宜在13％-46％之间。与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：1、本实施例提供的基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，可用于军工或民用领域，用于防止高速飞射物对人体、器材、建筑的破坏。2、本实施例提供的基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，由固体颗粒和基液组成，固液两相溶液在承受高速撞击时由于固体颗粒间力来不及传播，造成固体颗粒间巨大的咬合摩擦力，瞬时呈现出固体的特性，使撞击物的动能转化为这种溶液的内能，从而吸收高速撞击的能量。该溶液瞬间固化后，具有极强的抗穿透性。由于其瞬间呈现固体特性的性能，又可被称为“固液两相溶 液”。3、本实施例提供的基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，使用二氧化硅粉末作为固体基材，使用聚乙二醇作为液体基材，使用N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷作为分散剂。所用物质容易获得，对人体毒副作用很小，通过普通物理加工即可生成，便于工业推广。4、本实施例提供的基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，相比国内一些加工工艺复杂、成本高昂的新型剪切增稠液配方，该溶液材料易获得，加工方便(简单的物理搅拌即可)，不需要真空室等特殊的设施或装备，成本相对低廉。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，其特征在于，包括：二氧化硅粉末、聚乙二醇和N‑(ρ‑氨乙基)‑γ‑氨丙基三甲氧基硅烷；其中所述二氧化硅粉末的质量占新型剪切增稠溶液总质量的13％‑46％，所述聚乙二醇的质量占新型剪切增稠溶液总质量的48％‑85.8％，所述N‑(ρ‑氨乙基)‑γ‑氨丙基三甲氧基硅烷的质量占新型剪切增稠溶液总质量的1.2％‑6.0％。

【技术特征摘要】
1.一种基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，其特征在于，包括：二氧化硅粉末、聚乙二醇和N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷；其中所述二氧化硅粉末的质量占新型剪切增稠溶液总质量的13％-46％，所述聚乙二醇的质量占新型剪切增稠溶液总质量的48％-85.8％，所述N-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的质量占新型剪切增稠溶液总质量的1.2％-...

【专利技术属性】
技术研发人员：程书剑，宋晓冰，葛鸿辉，王晓雯，滕培斌，田华，李帅希，
申请(专利权)人：上海核工程研究设计院，
类型：发明
国别省市：上海;31