一種新型剪切增稠流體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型剪切增稠流體的制備方法。首先制備了四針狀ZnO晶須和聚乙二醇的混合體系，通過超聲、靜置等手段保證了介質(zhì)的均勻分散，然后向體系中添加SiO2微納米球，通過機(jī)械攪拌和球磨分散等處理方式最終得到一種新型的剪切增稠流體，該方法一方面拓展了四針狀ZnO晶須的應(yīng)用，另一方面能夠有效的實(shí)現(xiàn)兩種介質(zhì)的均勻分散，并且較單獨(dú)SiO2作為分散介質(zhì)的增稠體系在相同SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的前提下剪切增稠效果有明顯提高，且提高量可以達(dá)到3倍以上，具有制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定，原料利用率高等諸多優(yōu)勢(shì)。
【專利說明】一種新型剪切增稠流體的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微納米粉體應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種新型剪切增稠流體的制備 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來的研究發(fā)現(xiàn)，單分散Si02微納米球分散在聚乙二醇等有機(jī)溶劑中制備的流 體在剪切速率變大或受到外力沖擊時(shí)會(huì)發(fā)生表觀粘度迅速增加的剪切增稠特性。從20世 紀(jì)80年代開始，越來越多的研究者開始著重研究如何利用這一現(xiàn)象，美國(guó)Delaware大學(xué)的 N. J. Wagner等人率先研究了納米二氧化硅粒子分散在聚乙二醇中所制備的剪切增稠體系 的流變行為，并且在后續(xù)的研究中進(jìn)一步的拓展了這一現(xiàn)象的具體應(yīng)用。
[0003] 將剪切增稠液體與美國(guó)杜邦公司的凱夫拉纖維、尼龍纖維或是超高分子量聚乙烯 纖維結(jié)合制備的新型防護(hù)材料，不但能夠保留原有材料優(yōu)良的防穿刺和防彈性能而且能使 其更加的輕質(zhì)和柔韌。最先由美國(guó)軍方研制成功的液體防彈衣是利用剪切增稠流體兼顧著 兩個(gè)矛盾使其和諧共存最直觀的應(yīng)用實(shí)例。
[0004] 近年來，不同種類的剪切增稠流體的制備方法逐漸被提出。CN 102926211 A公開 了一種基于分子膠體的剪切增稠流體的制備方法，該發(fā)明提供了基于分子膠體的剪切增稠 流體的制備。
[0005] 目前剪切增稠流體的制備技術(shù)中，主要利用二氧化硅等微納米粒子單分散介溶解 在聚乙二醇等極性溶劑中制備剪切增稠流體，由這種方式配制的剪切增稠流體能夠以十分 穩(wěn)定的狀態(tài)存在，在特定的剪切過程中，二氧化硅納米粒子表面的硅羥基與聚乙二醇之間 由于氫鍵的相互作用會(huì)形成粒子簇，從而使體系的表觀粘度瞬間增大表現(xiàn)出類似于固體的 行為，達(dá)到剪切增稠效果。然而該制備方法目前還存在以下問題：剪切增稠效果的好壞與剪 切過程中形成粒子簇的大小和數(shù)量有著直接的關(guān)系，如果要制備高效剪切增稠流體，就需 要二氧化硅的含量保持在一個(gè)較高的水平線上形成更多更大的粒子簇；但高濃度的二氧化 硅納米粒子體系不但導(dǎo)致原料的浪費(fèi)，原料利用率低，流體密度大，而且會(huì)使得配制過程難 以控制，不利于大量制備等問題。
[0006] 四針狀ZnO晶須是氧化鋅的單晶體，外觀上為白色松軟狀物質(zhì)，其微觀結(jié)構(gòu)為特 殊的四針狀三維空間結(jié)構(gòu)，X射線衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，晶體結(jié)構(gòu)屬于六方晶系纖鋅框結(jié)構(gòu)， 與其他ZnO晶體相同。一般的晶須大多是針狀或是棒狀材料，這使得其在分散過程中很難 達(dá)到三維分布的均勻化，從而會(huì)引起最終體系的各向異性，而四針狀ZnO晶須這種規(guī)整的 三維空間結(jié)構(gòu)可以使得最終體系的各向異性得以忽略，并且價(jià)格十分低廉，易得，因此常作 為橡膠、塑料制品的填料，其他領(lǐng)域的應(yīng)用依然有待拓展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決高效剪切增稠流體配制過程中的原料浪費(fèi)等問題及合理利用四針狀ZnO 晶須作為填料使用時(shí)可以形成各向同性體系這一特點(diǎn)，拓展其在剪切增稠流體配制方面的 應(yīng)用，在保證體系穩(wěn)定的前提下，提高體系的剪切增稠效果，本發(fā)明提供了一種新型剪切增 稠流體的制備方法。
[0008] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種新型剪切增稠流體的制備方法，包括以 下步驟： (1) 四針狀ZnO晶須的預(yù)處理：取一定量的四針狀ZnO晶須溶于無水乙醇中，ZnO晶須 與無水乙醇的質(zhì)量比為1 :40?50,在2000r/min條件下攪拌45?60min,抽濾成濾餅后烘干， 得到預(yù)處理后的四針狀ZnO晶須粉體，備用； (2) 四針狀ZnO晶須-聚乙二醇分散體系的制備：稱取0. 05、. 20重量份的經(jīng)過步驟1 預(yù)處理后的四針狀ZnO晶須粉體，加入到75?90重量份的分子量為20(Γ400的聚乙二醇中， 在2000r/min的條件下攪拌lh，然后用超聲波清洗器在240W功率下超聲分散4~5h后，密 閉靜置6~8h，得四針狀ZnO晶須-聚乙二醇分散體系； (3) 新型剪切增稠流體的制備：取步驟（2)制備的分散體系，在不斷攪拌的條件下，向 體系中加入ΚΓ25重量份的Si02納米粉體，待加入完畢后繼續(xù)機(jī)械攪拌2h后，將機(jī)械攪拌 處理后的體系用球磨設(shè)備在l〇〇r/min條件下球磨分散2h，最終抽真空lh適當(dāng)去除體系中 的氣泡，靜置，得到新型剪切增稠流體。
[0009] 所述步驟（1)中四針狀ZnO晶須的平均晶須長(zhǎng)度為2(Γ50μπι，烘干溫度為110°C， 烘干時(shí)間為2?3h。
[0010] 與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是： (1)有效的實(shí)現(xiàn)了兩種分散介質(zhì)在分散劑中的均勻分散，由于第二種分散介質(zhì)的引入， 改變了原有體系中分散介質(zhì)和分散劑之間的作用方式，為剪切增稠流體的配制開辟了新的 思路。
[0011] (2)四針狀ZnO晶須作為分散介質(zhì)能夠促成各向同性體系的形成這一特點(diǎn)被保留 下來，拓展了其在剪切增稠流體配制領(lǐng)域的應(yīng)用。使得配制的新型剪切增稠流體性質(zhì)穩(wěn)定 并且即便是在較低Si0 2&度下依然能夠表現(xiàn)出優(yōu)良的剪切增稠效果，避免的原料的浪費(fèi)， 增加了可加工性，且使制備的流體輕量化。
[0012] (3)本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、制備時(shí)間較短，能耗低，三廢少，原料利用率高、成本低 且產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定。
[0013]

【專利附圖】

【附圖說明】： 圖1為四針狀ZnO晶須的掃描電子顯微鏡（SEM)照片； 圖2為實(shí)施例1得到的剪切增稠流體的穩(wěn)態(tài)流變曲線圖； 圖3為實(shí)施例2得到的剪切增稠流體的穩(wěn)態(tài)流變曲線圖； 圖4為實(shí)施例3得到的剪切增稠流體的穩(wěn)態(tài)流變曲線圖； 圖5為實(shí)施例4得到的剪切增稠流體的穩(wěn)態(tài)流變曲線圖。
[0014]

【具體實(shí)施方式】： 下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，實(shí)施過程中所需要的原料均為市 售，以下實(shí)例僅僅對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡釋說明，不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0015] 實(shí)施例1 (1)將5g四針狀ZnO晶須以質(zhì)量比1 :40溶于無水乙醇中，在2000r/min條件下攪拌 45min，然后將混合液抽濾成濾餅，再將濾餅置于110°C的烘箱中烘干2h備用； (2)分別取0. 05g、0. 10g、0. 15g、0. 20g上述粉體加入90g分子量為200的聚乙二醇中， 用磁力攪拌裝置在2000r/min的條件下攪拌lh，然后在240W功率的超聲波清洗裝置中超聲 分散5h，最后靜置6h。
[0016] (3)取10g二氧化硅微納米粉體加入上述體系中，繼續(xù)機(jī)械攪拌2h后，用PM100型 球磨設(shè)備在l〇〇r/min下繼續(xù)分散2h。抽真空lh除去體系中的氣泡，靜置lh，最終制得4 種剪切增稠流體。
[0017] 4種剪切增稠流體的穩(wěn)態(tài)流變曲線如圖2所示?？梢钥闯觯c未添加四針狀ZnO晶 須的體系相比，剪切過程中的最大剪切粘度提高3倍左右，發(fā)生剪切增稠現(xiàn)象的起始點(diǎn)并 未發(fā)生明顯移動(dòng)。
[0018] 實(shí)施例2 (1)將5g四針狀ZnO晶須以質(zhì)量比1 :50溶于無水乙醇中，在2000r/min條件下攪拌 60min，然后將混合液抽濾成濾餅，再將濾餅置于110°C的烘箱中烘干3h備用。
[0019] (2)取0· 20g上述粉體加入85g分子量為400的聚乙二醇中，用磁力攪拌裝置在 2000r/min的條件下攪拌lh，然后在240W功率的超聲波清洗裝置中超聲分散4h，最后靜置 7h 〇
[0020] (3)取15g二氧化硅微納米粉體加入上述體系中，繼續(xù)機(jī)械攪拌2h后，用PM100型 球磨設(shè)備在l〇〇r/min下繼續(xù)分散2h。抽真空lh除去體系中的氣泡，靜置lh，最終制得剪 切增稠流體。
[0021] 剪切增稠流體的穩(wěn)態(tài)流變曲線如圖3所示。圖中可以看出，與未添加四針狀ZnO 晶須的體系相比，添加了 〇. 20%四針狀ZnO晶須的體系的剪切增稠效果得到了明顯改善，剪 切增稠過程中粘度的變化也對(duì)剪切速率更為敏感。
[0022] 實(shí)施例3 (1) 將5g四針狀ZnO晶須以質(zhì)量比1 :40溶于無水乙醇中，在2000r/min條件下攪拌 55min，然后將混合液抽濾成濾餅，再將濾餅置于110°C的烘箱中烘干2h備用； (2) 分別取0· 05g、0. 10g、0. 15g、0. 20g上述粉體加入80g聚乙二醇200中，用磁力攪拌 裝置在2000r/min的條件下攪拌lh，然后在240W功率的超聲波清洗裝置中超聲分散5h，最 后靜置8h。
[0023] (3)取20g二氧化硅微納米粉體加入上述體系中，繼續(xù)機(jī)械攪拌2h后，用PM100型 球磨設(shè)備在l〇〇r/min下繼續(xù)分散2h。抽真空lh除去體系中的氣泡，靜置lh，最終制得4 種剪切增稠流體。
[0024] 4種剪切增稠流體的穩(wěn)態(tài)流變曲線如圖4所示。如圖所示，與未添加四針狀ZnO晶 須的體系相比，該體系無論是最大剪切粘度還是發(fā)生剪切增稠現(xiàn)象的起始點(diǎn)均有了明顯的 改善，其中最大剪切粘度提高量約2倍。
[0025] 實(shí)施例4 (1) 將5g四針狀ZnO晶須以質(zhì)量比1 :50溶于200ml無水乙醇中，在2000r/min條件下 攪拌45min后抽濾，然后將混合液抽濾成濾餅，再將濾餅置于110°C的烘箱中烘干3h備用； (2) 分別取0. 10g、0. 15g上述粉體加入75g分子量為300的聚乙二醇中，用磁力攪拌裝 置在2000r/min的條件下攪拌lh，然后在240W功率的超聲波清洗裝置中超聲分散4h，最后 靜置8h。
[0026] (3 )取25g二氧化硅微納米粉體加入上述體系中，快速機(jī)械攪拌2h后，用PM100型 球磨設(shè)備在l〇〇r/min下繼續(xù)分散2h。抽真空lh除去體系中的氣泡，靜置lh，最終制得2 種剪切增稠流體。
[0027] 2種剪切增稠流體的穩(wěn)態(tài)流變曲線如圖5所示。如圖，與不添加四針狀ZnO晶須的 體系相比，該復(fù)配剪切增稠體系未發(fā)生剪切作用時(shí)的起始粘度有明顯的增加，剪切過程中 的最大剪切粘度提高1倍。并且，由于粘度的基數(shù)較大，增加量在數(shù)值上體現(xiàn)的十分明顯。 發(fā)生剪切增稠現(xiàn)象的起始點(diǎn)也隨著四針狀ZnO晶須加入量的不同產(chǎn)生相應(yīng)改變。
【權(quán)利要求】
1. 一種新型剪切增稠流體的制備方法，其特征在于：包括以下步驟： (1) 四針狀ZnO晶須的預(yù)處理：取一定量的四針狀ZnO晶須溶于無水乙醇中，ZnO晶須 與無水乙醇的質(zhì)量比為1 :40?50,在2000r/min條件下攪拌45?60min,抽濾成濾餅后烘干， 得到預(yù)處理后的四針狀ZnO晶須粉體，備用； (2) 四針狀ZnO晶須-聚乙二醇分散體系的制備：稱取0. 05、. 20重量份的經(jīng)過步驟1 預(yù)處理后的四針狀ZnO晶須粉體，加入到75?90重量份的分子量為20(Γ400的聚乙二醇中， 在2000r/min的條件下攪拌lh，然后用超聲波清洗器在240W功率下超聲分散4~5h后，密 閉靜置6~8h，得四針狀ZnO晶須-聚乙二醇分散體系； (3) 新型剪切增稠流體的制備：取步驟2制備的分散體系，在不斷攪拌的條件下，向體 系中加入1(Γ25重量份的Si02納米粉體，待加入完畢后繼續(xù)機(jī)械攪拌2h后，將機(jī)械攪拌處 理后的體系用球磨設(shè)備在l〇〇r/min條件下球磨分散2h，最終抽真空lh適當(dāng)去除體系中的 氣泡，靜置，得到新型剪切增稠流體。
2. 根據(jù)權(quán)利1要求所述的一種新型剪切增稠流體的制備方法，其特征在于，所述步驟 (1)中四針狀ZnO晶須的平均晶須長(zhǎng)度約為2(Γ50 μ m，烘干溫度為110°C，烘干時(shí)間為2~3h。
【文檔編號(hào)】D06M15/53GK104047162SQ201410289709
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】傅雅琴, 王硯, 朱曜峰, 張其峰 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué), 杭州青藍(lán)機(jī)電配件有限公司