一種基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于二氧化硅固體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。本發(fā)明提供的基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，材料易獲得，加工方便，成本相對(duì)低廉。
【專利說明】
一種基于二氧化硅固體基材的新型剪切増稠溶液
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及材料工程領(lǐng)域，具體涉及一種基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠 溶液。
【背景技術(shù)】
[0002] "剪切增稠液體"（Shear Thickening Fluid，簡(jiǎn)稱STF)是種新型的功能材料，其在 正常的狀態(tài)下是以液體的形式存在的，但是當(dāng)其受到?jīng)_擊力的作用時(shí)，其表觀粘度就會(huì)急 劇的增加，會(huì)呈現(xiàn)出像固體那樣的有很好的抗沖擊性，當(dāng)沖擊力很快消失后，又會(huì)比較迅速 地恢復(fù)到原先的狀態(tài)。因此，這種溶液又被稱為"固液兩相溶液"。
[0003] "剪切增稠液體"最初是美國(guó)軍方用于防彈衣設(shè)計(jì)的，其最著名配方是納米級(jí)二氧 化硅基材+聚乙二醇溶液，但是否還有其它外加劑或特殊加工工藝則不得而知。經(jīng)過本專利
【申請(qǐng)人】的實(shí)際操作，證明只使用美國(guó)軍方提出的這兩種基本材料進(jìn)行簡(jiǎn)單物理混合的情況 下，溶液并不能達(dá)到預(yù)期的剪切增稠效果。
[0004] 我國(guó)國(guó)內(nèi)也有一些新型剪切增稠液配方或加工工藝專利，例如申請(qǐng)?zhí)枮?201410009134. X的加工工藝專利。但這些專利通常要經(jīng)過非常復(fù)雜的加工工藝(例如超聲 加工、真空條件下脫空氣或其它揮發(fā)性物質(zhì)），成本非常高昂，一旦生產(chǎn)工藝略有偏差，就有 可能造成加工失敗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶 液。
[0006] 基于二氧化硅固體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-(P-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷;其中所述二氧化硅粉末的質(zhì)量占新型剪切增稠溶液 總質(zhì)量的13 % - 4 6 %，所述聚乙二醇的質(zhì)量占新型剪切增稠溶液總質(zhì)量的4 8 % - 8 5.8 %，所 述Ν - (Ρ -氨乙基）-γ -氨丙基三甲氧基硅烷的質(zhì)量占新型剪切增稠溶液總質(zhì)量的1.2 % -6.0%〇
[0007] 所述二氧化硅粉末通常為納米細(xì)度二氧化硅粉末。
[0008] 優(yōu)選地，所述二氧化硅粉末包括200nm細(xì)度二氧化硅粉末。
[0009] 優(yōu)選地，所述聚乙二醇包括聚乙二醇200 (即分子量為200的聚乙二醇）。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0011] 1、本發(fā)明提供的基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，可用于軍工或民用 領(lǐng)域，用于防止高速飛射物對(duì)人體、器材、建筑的破壞。
[0012] 2、本發(fā)明提供的基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，由固體顆粒和基液 組成，固液兩相溶液在承受高速撞擊時(shí)由于固體顆粒間力來不及傳播，造成固體顆粒間巨 大的咬合摩擦力，瞬時(shí)呈現(xiàn)出固體的特性，使撞擊物的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為這種溶液的內(nèi)能，從而吸 收高速撞擊的能量。該溶液瞬間固化后，具有極強(qiáng)的抗穿透性。由于其瞬間呈現(xiàn)固體特性的 性能，又可被稱為"固液兩相溶液"。
[0013] 3、本發(fā)明提供的基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，使用二氧化硅粉末 作為固體基材，使用聚乙二醇作為液體基材，使用N-(P-氨乙基)-γ -氨丙基三甲氧基硅烷 作為分散劑。所用物質(zhì)容易獲得，對(duì)人體毒副作用很小，通過普通物理加工即可生成，便于 工業(yè)推廣。
[0014] 4、本發(fā)明提供的基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，材料易獲得，加工 方便，成本相對(duì)低廉。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 發(fā)明人根據(jù)對(duì)美國(guó)剪切增稠液體的調(diào)研，得知其使用二氧化硅粉末和聚乙二醇兩 種材料。經(jīng)過試驗(yàn)，證明只使用這兩種材料，在二氧化硅粉末質(zhì)量濃度未達(dá)到15%時(shí)溶液便 進(jìn)入了不再溶解的狀態(tài)，無法繼續(xù)加工，也無法體現(xiàn)出剪切增稠效果。改善加工方法，進(jìn)一 步使用雙行星球磨、超聲清洗法將質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到20%以上，仍無法體現(xiàn)出剪切增稠效果。
[0016]
[0017] 為解決這一問題，發(fā)明人嘗試了加入各種外加劑，其中包括定型劑(溴酸鈉）、穩(wěn)定 劑（二月桂酸二丁基錫）、阻燃劑(硅酸鈉）、分散劑(Ν-(ρ-氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅 烷），其中定型劑、穩(wěn)定劑、阻燃劑均未起到改善作用，阻燃劑甚至引起了溶液的凝固，只有 分散劑Ν-(Ρ-氨乙基)-γ -氨丙基三甲氧基硅烷起到了較好作用。
[0018] 本實(shí)施例提供一種基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，包括:質(zhì)量分?jǐn)?shù) 2〇%2〇11111細(xì)度的二氧化硅粉末、質(zhì)量分?jǐn)?shù)76.2%聚乙二醇和質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.8^^-(0-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，Ν-(ρ-氨乙基)-γ-氨 丙基三甲氧基硅烷在溶液中起到分散劑作用。
[0019] 可采用攪拌法、擠壓(揉壓)法、超聲清洗法、雙行星球磨法等加工方法加工上述基 于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液。僅使用攪拌法、擠壓(揉壓)法這種簡(jiǎn)單的人工 物理加工方法也可以達(dá)到很好的加工效果，但效率較低，為了攪拌均勻，需要較長(zhǎng)的加工時(shí) 間。超聲清洗法、雙行星球磨法是已嘗試過的兩種機(jī)械加工方法，效率較高。若溶液中固體 粉末用量較大、難以攪拌或機(jī)械加工時(shí)，可先采用擠壓(揉壓)法，通過反復(fù)的搓揉擠壓，使 溶液中各種物質(zhì)充分混合，達(dá)到一定的溶解度后再換其它加工方法，可達(dá)到較好的加工效 果。
[0020] 為評(píng)價(jià)溶液的抗沖擊效果，設(shè)計(jì)了沖擊試驗(yàn)臺(tái)架，通過從不同高度跌落的標(biāo)準(zhǔn)撞 擊物，沖擊在燒杯中的溶液上，通過溶液對(duì)沖擊物的反向加速度，可評(píng)判溶液的抗沖擊效 果。
[0021] 各種高度下沖擊物受到典型的配比溶液(20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)二氧化硅，3.8%Ν-(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：
[0022]典型配比聚乙二醇+二氧化硅溶液沖擊試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表
[0025] *l:g為重力加速度。
[0026] 保持二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，調(diào)整N-(p-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷用量， 當(dāng)用量1.3 %時(shí)，4m跌落沖擊反向加速度-33.36g，溶液過于黏稠，繼續(xù)減少用量則難以攪拌 加工，出現(xiàn)無法溶解的干粉；當(dāng)用量達(dá)到5.9 %時(shí)，4m跌落沖擊反向加速度-22.55g，溶液有 些過??；當(dāng)用量達(dá)到8 %時(shí)，溶液過稀，燒杯被砸壞?？紤]以4m沖擊達(dá)到-20g的加速度作為驗(yàn) 收指標(biāo)，并考慮可加工性，N_(p_氛乙基)-γ -氛丙基二甲氧基硅烷的用量宜在1.2-6.0%之 間。
[0027]保持Ν-(ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷用量為3.8%，調(diào)整二氧化硅質(zhì)量分 數(shù)，當(dāng)取為8%時(shí)，溶液過稀，幾乎沒有剪切增稠效果，燒杯被砸壞；當(dāng)取為14%時(shí)，溶液過 稀，4m跌落沖擊反向加速度-23.76g;當(dāng)取為45 %時(shí)，溶液過稠，4m跌落沖擊反向加速度-37.43g，但繼續(xù)增加濃度難以攪拌加工，出現(xiàn)無法溶解的干粉。考慮以4m沖擊達(dá)到-20g的加 速度作為驗(yàn)收指標(biāo)，并考慮可加工性，二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)宜在13%_46%之間。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)施例具有以下有益效果：
[0029] 1、本實(shí)施例提供的基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，可用于軍工或民 用領(lǐng)域，用于防止高速飛射物對(duì)人體、器材、建筑的破壞。
[0030] 2、本實(shí)施例提供的基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，由固體顆粒和基 液組成，固液兩相溶液在承受高速撞擊時(shí)由于固體顆粒間力來不及傳播，造成固體顆粒間 巨大的咬合摩擦力，瞬時(shí)呈現(xiàn)出固體的特性，使撞擊物的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為這種溶液的內(nèi)能，從而 吸收高速撞擊的能量。該溶液瞬間固化后，具有極強(qiáng)的抗穿透性。由于其瞬間呈現(xiàn)固體特性 的性能，又可被稱為"固液兩相溶液"。
[0031] 3、本實(shí)施例提供的基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，使用二氧化硅粉 末作為固體基材，使用聚乙二醇作為液體基材，使用N-(p-氨乙基)-γ -氨丙基三甲氧基硅 烷作為分散劑。所用物質(zhì)容易獲得，對(duì)人體毒副作用很小，通過普通物理加工即可生成，便 于工業(yè)推廣。
[0032 ] 4、本實(shí)施例提供的基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，相比國(guó)內(nèi)一些加 工工藝復(fù)雜、成本高昂的新型剪切增稠液配方，該溶液材料易獲得，加工方便(簡(jiǎn)單的物理 攪拌即可），不需要真空室等特殊的設(shè)施或裝備，成本相對(duì)低廉。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于二氧化硅固體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-(p-氨乙基)-γ -氨丙基二甲氧基硅烷;其中所述二氧化娃粉末的質(zhì)量占 新型剪切增稠溶液總質(zhì)量的13 % - 4 6 %，所述聚乙二醇的質(zhì)量占新型剪切增稠溶液總質(zhì)量 的48%-85.8%，所述Ν-(ρ-氨乙基)-γ -氨丙基三甲氧基硅烷的質(zhì)量占新型剪切增稠溶液 總質(zhì)量的1.2%-6.0%。2. 如權(quán)利要求1所述的基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，其特征在于，所述 二氧化硅粉末包括納米細(xì)度二氧化硅粉末。3. 如權(quán)利要求2所述的基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，其特征在于，所述 二氧化硅粉末包括200nm細(xì)度二氧化硅粉末。4. 如權(quán)利要求1所述的基于二氧化硅固體基材的新型剪切增稠溶液，其特征在于，所述 聚乙二醇包括聚乙二醇200。
【文檔編號(hào)】C09K3/00GK105950110SQ201610297451
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月6日
【發(fā)明人】程書劍, 宋曉冰, 葛鴻輝, 王曉雯, 滕培斌, 田華, 李帥希
【申請(qǐng)人】上海核工程研究設(shè)計(jì)院