一种基于氧化铝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氧化铝固体基材的新型剪切增稠溶液，包括：氧化铝粉末、聚乙二醇和N?(ρ?氨乙基)?γ?氨丙基三甲氧基硅烷。本发明提供的基于氧化铝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】
一种基于氧化铝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，具体涉及一种基于氧化铝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。
[0003] 因此，这种溶液又被称为"固液两相溶液"。
[0004] "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。
[0005] 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。
[0006] 本发明中，使用微米级氧化铝粉末即可实现剪切增稠的目的，相对于使用纳米级 二氧化硅粉末的配方，成本大大降低。
【发明内容】
[0007] 本发明针对现有技术的不足，提出一种基于氧化铝固体基材的新型剪切增稠溶 液。
[0008] 基于氧化铝固体基材的新型剪切增稠溶液包括:氧化铝粉末、聚乙二醇和N-(P_氨 乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷;其中所述氧化铝粉末的质量占新型剪切增稠溶液总质量 的42%-75%，所述聚乙二醇的质量占新型剪切增稠溶液总质量的19.4%-57.1 %，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〇.9%-5.6%。 [0009 ]优选地，所述氧化铝粉末包括微米细度氧化铝粉末。
[0010] 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）。
[0011] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0012] 1、本发明提供的基于氧化铝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。
[0013] 2、本发明提供的基于氧化铝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"。
[0014] 3、本发明提供的基于氧化铝固体基材的新型剪切增稠溶液，使用氧化铝粉末作为 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。
[0015] 4、本发明提供的基于氧化铝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。
[0016] 5、本发明使用的氧化铝固体基材，只需要达到微米级细度即可，相对于那些纳米 级细度固体基材的配方，成本大大降低。
【具体实施方式】
[0017]
[0018] 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。在此基础上，发现了只有添加分散剂才能真正达到剪切增稠效果，探索出了 "一种 基于二氧化硅固体基材的新型剪切增稠溶液"，并提交了专利申请。
[0019] 在获知分散剂的巨大作用后，考虑氧化铝是自然界仅次于氧化硅的坚硬固体，因 此采用此种基材进行尝试。
[0020] 但两种基材加入分散剂混合后，发生分层沉淀现象。
[0021 ]当发明人认为试验失败，准备清洗容器时，发现倒掉上层清液后，下层乳白色沉淀 具有一定的剪切增稠效果，经过进一步调整分散剂和氧化铝粉末用量，配制的溶液也可以 体现出较好的剪切增稠效果。
[0022] 本实施例即提供一种基于氧化铝固体基材的新型剪切增稠溶液，包括:质量分数 50%微米细度的氧化铝粉末、质量分数48.2%聚乙二醇和质量分数3.8% Ν-(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，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。
[0023] 使用简单的搅拌法、挤压法即可加工上述基于氧化铝固体基材的新型剪切增稠溶 液，并达到良好的加工效果。不必采用超声清洗法、双行星球磨法等较为复杂的加工方法。 在本发明配制过程中，易出现分层沉淀现象，此时倒掉上层清液，在下层沉淀物基础上继续 添加固体粉末和分散剂即可。
[0024] 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。
[0025]各种高度下冲击物受到典型的配比溶液(50%质量分数氧化铝，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：
[0026]典型配比聚乙二醇+氧化铝溶液冲击试验结果统计表
[0029] *l:g为重力加速度。
[0030] 保持氧化铝质量分数50%，调整N-(P-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷用量，当 用量0.9 %时，4m跌落冲击反向加速度-32.37g，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5.5%时，4m跌落冲击反向加速度-24.5g，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-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的用量宜在0.9-5.6%之间。
[0031] 保持Ν-(Ρ-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷用量为3.8%，调整氧化铝质量分数， 当取为35 %时，溶液过稀，几乎没有剪切增稠效果，烧杯被砸坏；当取为42 %时，溶液过稀， 4m跌落冲击反向加速度-19.33g;当取为75%时，溶液过稠，4m跌落冲击反向加速度-36.57g，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，氧化铝质量分数宜在42%-75%之间。
[0032] 与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：
[0033] 1、本实施例提供的基于氧化铝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。
[0034] 2、本实施例提供的基于氧化铝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"。
[0035] 3、本实施例提供的基于氧化铝固体基材的新型剪切增稠溶液，使用氧化铝粉末作 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。
[0036] 4、本实施例提供的基于氧化铝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;固体基材只需要微米级细 度接口，大大降低了原材料成本;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;总成本低廉。
【主权项】
1. 一种基于氧化铝固体基材的新型剪切增稠溶液，其特征在于，包括:氧化铝粉末、聚 乙二醇和N-(p-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷;其中所述氧化铝粉末的质量占新型剪切 增稠溶液总质量的42%-75%，所述聚乙二醇的质量占新型剪切增稠溶液总质量的19.4%_ 57.1 %，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 0.9%-5.6%〇2. 如权利要求1所述的基于氧化铝固体基材的新型剪切增稠溶液，其特征在于，所述氧 化铝粉末包括微米细度氧化铝粉末。3. 如权利要求1所述的基于氧化铝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】C09K3/00GK105969309SQ201610297057
【公开日】2016年9月28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, 曹舟, 袁芳
【申请人】上海核工程研究设计院