CN104047162B - 一种新型剪切增稠流体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型剪切增稠流体的制备方法。首先制备了四针状ZnO晶须和聚乙二醇的混合体系，通过超声、静置等手段保证了介质的均匀分散，然后向体系中添加SiO2微纳米球，通过机械搅拌和球磨分散等处理方式最终得到一种新型的剪切增稠流体，该方法一方面拓展了四针状ZnO晶须的应用，另一方面能够有效的实现两种介质的均匀分散，并且较单独SiO2作为分散介质的增稠体系在相同SiO2质量分数的前提下剪切增稠效果有明显提高，且提高量可以达到3倍以上，具有制备工艺简单，成本低，产品性质稳定，原料利用率高等诸多优势。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米粉体应用技术领域，特别是涉及一种新型剪切增稠流体的制备方法。
背景技术
近年来的研究发现，单分散SiO2微纳米球分散在聚乙二醇等有机溶剂中制备的流体在剪切速率变大或受到外力冲击时会发生表观粘度迅速增加的剪切增稠特性。从20世纪80年代开始，越来越多的研究者开始着重研究如何利用这一现象，美国Delaware大学的N.J.Wagner等人率先研究了纳米二氧化硅粒子分散在聚乙二醇中所制备的剪切增稠体系的流变行为，并且在后续的研究中进一步的拓展了这一现象的具体应用。
将剪切增稠液体与美国杜邦公司的凯夫拉纤维、尼龙纤维或是超高分子量聚乙烯纤维结合制备的新型防护材料，不但能够保留原有材料优良的防穿刺和防弹性能而且能使其更加的轻质和柔韧。最先由美国军方研制成功的液体防弹衣是利用剪切增稠流体兼顾着两个矛盾使其和谐共存最直观的应用实例。
近年来，不同种类的剪切增稠流体的制备方法逐渐被提出。CN102926211A公开了一种基于分子胶体的剪切增稠流体的制备方法，该发明提供了基于分子胶体的剪切增稠流体的制备。
目前剪切增稠流体的制备技术中，主要利用二氧化硅等微纳米粒子单分散介溶解在聚乙二醇等极性溶剂中制备剪切增稠流体，由这种方式配制的剪切增稠流体能够以十分稳定的状态存在，在特定的剪切过程中，二氧化硅纳米粒子表面的硅羟基与聚乙二醇之间由于氢键的相互作用会形成粒子簇，从而使体系的表观粘度瞬间增大表现出类似于固体的行为，达到剪切增稠效果。然而该制备方法目前还存在以下问题：剪切增稠效果的好坏与剪切过程中形成粒子簇的大小和数量有着直接的关系，如果要制备高效剪切增稠流体，就需要二氧化硅的含量保持在一个较高的水平线上形成更多更大的粒子簇；但高浓度的二氧化硅纳米粒子体系不但导致原料的浪费，原料利用率低，流体密度大，而且会使得配制过程难以控制，不利于大量制备等问题。
四针状ZnO晶须是氧化锌的单晶体，外观上为白色松软状物质，其微观结构为特殊的四针状三维空间结构，X射线衍射实验结果表明，晶体结构属于六方晶系纤锌框结构，与其他ZnO晶体相同。一般的晶须大多是针状或是棒状材料，这使得其在分散过程中很难达到三维分布的均匀化，从而会引起最终体系的各向异性，而四针状ZnO晶须这种规整的三维空间结构可以使得最终体系的各向异性得以忽略，并且价格十分低廉，易得，因此常作为橡胶、塑料制品的填料，其他领域的应用依然有待拓展。
发明内容
为解决高效剪切增稠流体配制过程中的原料浪费等问题及合理利用四针状ZnO晶须作为填料使用时可以形成各向同性体系这一特点，拓展其在剪切增稠流体配制方面的应用，在保证体系稳定的前提下，提高体系的剪切增稠效果，本发明提供了一种新型剪切增稠流体的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种新型剪切增稠流体的制备方法，包括以下步骤：
（1）四针状ZnO晶须的预处理：取一定量的四针状ZnO晶须溶于无水乙醇中，ZnO晶须与无水乙醇的质量比为1：40~50，在2000r/min条件下搅拌45~60min，抽滤成滤饼后烘干，得到预处理后的四针状ZnO晶须粉体，备用；
（2）四针状ZnO晶须-聚乙二醇分散体系的制备：称取0.05~0.20重量份的经过步骤1预处理后的四针状ZnO晶须粉体，加入到75~90重量份的分子量为200~400的聚乙二醇中，在2000r/min的条件下搅拌1h，然后用超声波清洗器在240W功率下超声分散4~5h后,密闭静置6~8h，得四针状ZnO晶须-聚乙二醇分散体系；
（3）新型剪切增稠流体的制备：取步骤（2）制备的分散体系，在不断搅拌的条件下，向体系中加入10~25重量份的SiO2纳米粉体，待加入完毕后继续机械搅拌2h后，将机械搅拌处理后的体系用球磨设备在100r/min条件下球磨分散2h，最终抽真空1h适当去除体系中的气泡，静置，得到新型剪切增稠流体。
所述步骤（1）中四针状ZnO晶须的平均晶须长度为20~50μm，烘干温度为110℃，烘干时间为2~3h。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
（1）有效的实现了两种分散介质在分散剂中的均匀分散，由于第二种分散介质的引入，改变了原有体系中分散介质和分散剂之间的作用方式，为剪切增稠流体的配制开辟了新的思路。
（2）四针状ZnO晶须作为分散介质能够促成各向同性体系的形成这一特点被保留下来，拓展了其在剪切增稠流体配制领域的应用。使得配制的新型剪切增稠流体性质稳定并且即便是在较低SiO2浓度下依然能够表现出优良的剪切增稠效果，避免的原料的浪费，增加了可加工性,且使制备的流体轻量化。
（3）本发明制备工艺简单、制备时间较短，能耗低，三废少，原料利用率高、成本低且产品性质稳定。
附图说明：
图1为四针状ZnO晶须的扫描电子显微镜（SEM）照片；
图2为实施例1得到的剪切增稠流体的稳态流变曲线图；
图3为实施例2得到的剪切增稠流体的稳态流变曲线图；
图4为实施例3得到的剪切增稠流体的稳态流变曲线图；
图5为实施例4得到的剪切增稠流体的稳态流变曲线图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明，实施过程中所需要的原料均为市售，以下实例仅仅对本发明作进一步的阐释说明，不应理解为对本发明的限制。
实施例1
（1）将5g四针状ZnO晶须以质量比1：40溶于无水乙醇中，在2000r/min条件下搅拌45min，然后将混合液抽滤成滤饼，再将滤饼置于110℃的烘箱中烘干2h备用；
（2）分别取0.05g、0.10g、0.15g、0.20g上述粉体加入90g分子量为200的聚乙二醇中，用磁力搅拌装置在2000r/min的条件下搅拌1h，然后在240W功率的超声波清洗装置中超声分散5h，最后静置6h。
（3）取10g二氧化硅微纳米粉体加入上述体系中，继续机械搅拌2h后，用PM100型球磨设备在100r/min下继续分散2h。抽真空1h除去体系中的气泡，静置1h，最终制得4种剪切增稠流体。
4种剪切增稠流体的稳态流变曲线如图2所示。可以看出，与未添加四针状ZnO晶须的体系相比，剪切过程中的最大剪切粘度提高3倍左右，发生剪切增稠现象的起始点并未发生明显移动。
实施例2
（1）将5g四针状ZnO晶须以质量比1：50溶于无水乙醇中，在2000r/min条件下搅拌60min，然后将混合液抽滤成滤饼，再将滤饼置于110℃的烘箱中烘干3h备用。
（2）取0.20g上述粉体加入85g分子量为400的聚乙二醇中，用磁力搅拌装置在2000r/min的条件下搅拌1h，然后在240W功率的超声波清洗装置中超声分散4h，最后静置7h。
（3）取15g二氧化硅微纳米粉体加入上述体系中，继续机械搅拌2h后，用PM100型球磨设备在100r/min下继续分散2h。抽真空1h除去体系中的气泡，静置1h，最终制得剪切增稠流体。
剪切增稠流体的稳态流变曲线如图3所示。图中可以看出，与未添加四针状ZnO晶须的体系相比，添加了0.20%四针状ZnO晶须的体系的剪切增稠效果得到了明显改善，剪切增稠过程中粘度的变化也对剪切速率更为敏感。
实施例3
（1）将5g四针状ZnO晶须以质量比1：40溶于无水乙醇中，在2000r/min条件下搅拌55min，然后将混合液抽滤成滤饼，再将滤饼置于110℃的烘箱中烘干2h备用；
（2）分别取0.05g、0.10g、0.15g、0.20g上述粉体加入80g聚乙二醇200中，用磁力搅拌装置在2000r/min的条件下搅拌1h，然后在240W功率的超声波清洗装置中超声分散5h，最后静置8h。
（3）取20g二氧化硅微纳米粉体加入上述体系中，继续机械搅拌2h后，用PM100型球磨设备在100r/min下继续分散2h。抽真空1h除去体系中的气泡，静置1h，最终制得4种剪切增稠流体。
4种剪切增稠流体的稳态流变曲线如图4所示。如图所示，与未添加四针状ZnO晶须的体系相比，该体系无论是最大剪切粘度还是发生剪切增稠现象的起始点均有了明显的改善，其中最大剪切粘度提高量约2倍。
实施例4
（1）将5g四针状ZnO晶须以质量比1：50溶于200ml无水乙醇中，在2000r/min条件下搅拌45min后抽滤，然后将混合液抽滤成滤饼，再将滤饼置于110℃的烘箱中烘干3h备用；
（2）分别取0.10g、0.15g上述粉体加入75g分子量为300的聚乙二醇中，用磁力搅拌装置在2000r/min的条件下搅拌1h，然后在240W功率的超声波清洗装置中超声分散4h，最后静置8h。
（3）取25g二氧化硅微纳米粉体加入上述体系中，快速机械搅拌2h后，用PM100型球磨设备在100r/min下继续分散2h。抽真空1h除去体系中的气泡，静置1h，最终制得2种剪切增稠流体。
2种剪切增稠流体的稳态流变曲线如图5所示。如图，与不添加四针状ZnO晶须的体系相比，该复配剪切增稠体系未发生剪切作用时的起始粘度有明显的增加，剪切过程中的最大剪切粘度提高1倍。并且，由于粘度的基数较大，增加量在数值上体现的十分明显。发生剪切增稠现象的起始点也随着四针状ZnO晶须加入量的不同产生相应改变。
Claims (2)
1.一种新型剪切增稠流体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）四针状ZnO晶须的预处理：取一定量的四针状ZnO晶须溶于无水乙醇中，ZnO晶须与无水乙醇的质量比为1：40~50，在2000r/min条件下搅拌45~60min，抽滤成滤饼后烘干，得到预处理后的四针状ZnO晶须粉体，备用；
（2）四针状ZnO晶须-聚乙二醇分散体系的制备：称取0.05~0.20重量份的经过步骤（1）预处理后的四针状ZnO晶须粉体，加入到75~90重量份的分子量为200~400的聚乙二醇中，在2000r/min的条件下搅拌1h，然后用超声波清洗器在240W功率下超声分散4~5h后,密闭静置6~8h，得四针状ZnO晶须-聚乙二醇分散体系；
（3）新型剪切增稠流体的制备：取步骤（2）制备的分散体系，在不断搅拌的条件下，向体系中加入10~25重量份的SiO2纳米粉体，待加入完毕后继续机械搅拌2h后，将机械搅拌处理后的体系用球磨设备在100r/min条件下球磨分散2h，最终抽真空1h适当去除体系中的气泡，静置，得到新型剪切增稠流体。
2.根据权利1要求所述的一种新型剪切增稠流体的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中四针状ZnO晶须的平均晶须长度为20~50μm，烘干温度为110℃，烘干时间为2~3h。
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