一种基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液的制作方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
一种基于二氧化硅固体基材的新型剪切増稠溶液
技术领域
[0001] 本发明涉及材料工程领域，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。
【背景技术】
[0002] "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"。
[0003] "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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 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-(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质量占新型剪切增稠溶液 总质量的13 % - 4 6 %，所述聚乙二醇的质量占新型剪切增稠溶液总质量的4 8 % - 8 5.8 %，所 述Ν - (Ρ -氨乙基）-γ -氨丙基三甲氧基硅烷的质量占新型剪切增稠溶液总质量的1.2 % -6.0%〇
[0007] 所述二氧化硅粉末通常为纳米细度二氧化硅粉末。
[0008] 优选地，所述二氧化硅粉末包括200nm细度二氧化硅粉末。
[0009] 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）。
[0010] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0011] 1、本发明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。
[0012] 2、本发明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"。
[0013] 3、本发明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-(P-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。
[0014] 4、本发明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】
[0015] 发明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。
[0016]
[0017] 为解决这一问题，发明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(Ν-(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Ν-(Ρ-氨乙基)-γ -氨丙基三甲氧基硅烷起到了较好作用。
[0018] 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 2〇%2〇11111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^^-(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剂作用。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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%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+二氧化硅溶液冲击试验结果统计表
[0025] *l:g为重力加速度。
[0026] 保持二氧化硅质量分数20%，调整N-(p-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_(p_氛乙基)-γ -氛丙基二甲氧基硅烷的用量宜在1.2-6.0%之 间。
[0027]保持Ν-(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。
[0028] 与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：
[0029] 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。
[0030] 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"。
[0031] 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-(p-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。
[0032 ] 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。
【主权项】
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-(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质量占 新型剪切增稠溶液总质量的13 % - 4 6 %，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Ν-(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%。2. 如权利要求1所述的基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液，其特征在于，所述 二氧化硅粉末包括纳米细度二氧化硅粉末。3. 如权利要求2所述的基于二氧化硅固体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细度二氧化硅粉末。4. 如权利要求1所述的基于二氧化硅固体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。
【文档编号】C09K3/00GK105950110SQ201610297451
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】程书剑, 宋晓冰, 葛鸿辉, 王晓雯, 滕培斌, 田华, 李帅希
【申请人】上海核工程研究设计院