一种纳米二氧化硅剪切增稠液体的制备方法与流程

本发明涉及液体防护材料领域，更具体地，涉及一种纳米二氧化硅剪切增稠液体的制备方法。

背景技术：

剪切增稠液体是一种新型的智能抗撞击材料，在常态下呈液体状态，当受到高速剪切或外力冲击时，材料粘度及强度迅速提高，由液态转变为类固态，达到吸能防护的效果。美国delaware大学的n.j.wagner等人首先提出利用这种剪切增稠流体制备防护装甲的构想，他们的研究表明：利用单分散亚微米二氧化硅粒子分散悬浮在聚乙二醇中制得的剪切增稠流体与芳纶(kevlar)纤维布复合制备的复合材料，在不降低原料布灵活性的同时，其防弹性能有很大提高，防刀刺性能有少许的提高，而防锥刺性能则有很明显的提高。这种新型防护材料很好的调和了防护性能和舒适性二者很难兼顾的矛盾，使得两者间能够和谐共存，具有防护能力高、质量轻、柔软坚韧的特点，迎合了个人防护材料全面、舒适、轻量化的发展方向，是一种防护性能优异、应用广泛的新材料，在军民两用领域都具有巨大的应用前景、社会效益和经济价值。

自此，基于剪切增稠流体的吸能防护材料不断涌现。中国专利cn10219680a公开了一种基于sio2微纳米球的剪切增稠流体的制备方法，包括如下步骤：首先制备微纳米sio2悬浮液，然后喷雾干燥，得到微纳米sio2固体，最后将微纳米sio2超声分散在乙二醇、聚乙二醇、丙二醇、丁二醇、丙三醇等液体中得到剪切增稠流体。美国专利usp20060234572a1、usp20060234577a1、usp7226878b2、usp7498276b2公开了基于sio2的剪切增稠流体的制备方法及其应用。所有的这些技术中，剪切增稠流体的组分大多由微纳米二氧化硅分散在分散介质中；制备步骤中都包括“分散：将微纳米二氧化硅分散在分散介质中”这一特征步骤。但是由于固体颗粒与液体介质物理化学性质的不同，很难得到分散均匀的剪切增稠流体，进而影响剪切增稠流体的稳定性和流变性能。

剪切增稠液主要由分散相、分散介质和添加剂组成。现有的文献和资料报道二氧化硅剪切增稠液的制备方法是将洗涤干燥后的微球粉体利用研磨、高速剪切、球磨、超声等方法分散到剪切增稠液的分散介质中。这种制备技术主要问题是制备剪切增稠液时由于微球粉体需要研磨分散等工艺，增加了二氧化硅剪切增稠液的制备周期，而且多数情况下需要使用乙醇、异丙醇等溶剂，增加了生产成本。第四，由于制备过程繁琐，容易引入杂质，影响剪切增稠液体的性能。因此，如何找到一种制备简便、稳定性和流变性能好、而且分散均匀的剪切增稠流体及其制备方法是目前该领域探究的热点和方向。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有的纳米二氧化硅剪切增稠液体分散不均、稳定性不好。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米二氧化硅剪切增稠液体的制备方法，包括：

加热分散介质至80℃～140℃，向其中加入纳米二氧化硅微球，搅拌混合5min～1h，再向其中加入硅烷偶联剂搅拌混合，密封冷却至室温即得。

本发明先直接将分散介质加热至80℃～140℃，再向其中加入纳米二氧化硅微球搅拌混合特定时间，极大地降低了液体粘度，分散均匀。在整个制备过程中，将纳米二氧化硅直接加入到温度在80℃～140℃下的分散介质中，质量可控，得到的剪切增稠液体性能稳定。同时，整个制备方法中没有经过球磨等步骤，纳米二氧化硅不损失，且没有混入其他杂质，改善了因其它杂质存在而使得剪切增稠液体性能不稳定的情况。由本发明得到的纳米二氧化硅剪切增稠液体粘度适中，性能稳定。

本发明将温度控制在80～140℃，在搅拌下，纳米二氧化硅已经能够很好的分散在聚乙二醇中，温度太高如150℃以上能够增加体系流变性，这样将纳米二氧化硅分散在分散介质的过程中，不能有效的控制住体系的稠度，甚至因为流变性太大，剪切增稠的力度不明显，影响产物的性能，特别是粘度过大。

其中，优选将所述分散介质加热至100℃～120℃。

在本发明一个优选实施方式中，纳米二氧化硅微球的粒径为50nm～500nm，优选为100nm～200nm。

其中，为了使得到的纳米二氧化硅剪切增稠液体性能更加稳定，所述纳米二氧化硅微球的加入量为所述纳米二氧化硅剪切增稠液体总质量的20％～70％，优选为50％～60％。

另外，在保证性能稳定的前提下，加入纳米二氧化硅微球优选搅拌混合10min～20min。

在本发明的实施例中，为了提高纳米二氧化硅剪切增稠液体的性能，硅烷偶联剂的用量为所述纳米二氧化硅剪切增稠液体总质量的0.1％～3％，优选为0.4％～1％，更优选为0.5％～0.7％。

在本发明的实施例中，硅烷偶联剂可以为本领域中常用的硅烷偶联剂，在本发明的制备方法中，优选为kh-570、kh-560、sca-903、dl-602、dl-171中的一种或多种，更优选为kh-570或kh-560。

在本发明的实施例中，分散介质可以为本领域中常用的分散介质，优选为聚乙二醇、乙二醇、硅油、水、聚丙二醇、丙二醇、丁二醇、丙三醇、聚氧乙烯、聚氯乙烯中的一种或多种，优选为聚乙二醇。

为了更好地保证纳米二氧化硅剪切增稠液体的分散性和剪切增稠性能，分散介质的用量为所述纳米二氧化硅剪切增稠液体总质量的30％～77％，优选为40％～50％。

在本发明一个优选实施方式中，为了提高纳米二氧化硅剪切增稠液体的剪切增稠性能，加入上述硅烷偶联剂搅拌10min～60min，优选20min～30min。

其中，为了使纳米二氧化硅80℃～140℃下更好地分散在分散介质中且能有效地控制住体系的稠度，从而保证最终液体产物的性能，搅拌速度优选为600-1000r/min。

在本发明一个优选实施方式中，纳米二氧化硅剪切增稠液体的制备方法，包括：加热分散介质至80℃～140℃，向其中加入纳米二氧化硅微球，搅拌混合5min～1h，再向其中加入硅烷偶联剂搅拌混合10min～60min，密封冷却至室温即得；所述纳米二氧化硅微球的加入量为所述纳米二氧化硅剪切增稠液体总质量的20％～70％；所述硅烷偶联剂的用量为所述纳米二氧化硅剪切增稠液体总质量的0.1％～3％。

使用本发明的制备方法得到的纳米二氧化硅剪切增稠液体的粘度为10cps-15cps(25℃)，其中，上述剪切增稠液体中二氧化硅形态为球形，颗粒分布均匀，尺寸均一，具有良好的单分散性。同时，将本发明的纳米二氧化硅剪切增稠液体进行落锤实验，500g的落锺从1m高的地方垂直落下，鸡蛋不破裂，说明本发明制备方法制得的剪切增稠液体具有很好地抗冲击性能，能够有效地起到缓冲作用。

本发明提供的纳米二氧化硅剪切增稠液体的制备方法采用直接加热分散介质的方式，在高速搅拌下混合，可以降低纳米二氧化硅剪切增稠液体的粘度，提高液体的分散性和稳定性，提高了制备效率，而且不引入其他杂质。本发明的制备方法操作简单，便于大规模生产。

附图说明

图1为根据本发明一个优选实施例中纳米二氧化硅剪切增稠液体的制备流程示意图；

图2为根据本发明实施例1纳米二氧化硅剪切增稠液体中纳米二氧化硅的sem图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。

实施例1

本实施例提供了一种纳米二氧化硅剪切增稠液体的制备方法，其制备流程示意图如图1所示。该制备方法包括：(1)将100g聚乙二醇加热至100℃；(2)加入120g纳米二氧化硅，搅拌混合10分钟；(3)加入1.2g硅烷偶联剂kh560，高速搅拌混合30分钟，其中，搅拌速度为600-1000r/min；(4)密封，冷却至室温得到剪切增稠液体。图2为纳米二氧化硅的sem图，从形貌图可以看出二氧化硅形态为球形，颗粒分布均匀，尺寸均一，具有良好的单分散性。

本实施例制备的剪切增稠液体的粘度为10cps-15cps(25℃，由于剪切增稠液体的粘度受外力影响较大，这里的外界作用力为缓慢施加)。取所制取的200g样品，中间夹一鸡蛋，做落锺实验，500g的落锺从1m高的地方垂直落下，鸡蛋均不破裂，无裂纹。本实施例制备的剪切增稠液体具有很好地抗冲击性能，能够有效地起到缓冲作用。

实施例2

本实施例提供了一种纳米二氧化硅剪切增稠液体的制备方法，其制备流程示意图如图1所示。该制备方法包括：(1)将100g聚乙二醇加热至80℃；(2)加入120g纳米二氧化硅，搅拌混合20分钟；(3)加入6.8g硅烷偶联剂kh570，高速搅拌混合30分钟，其中，搅拌速度为600-1000r/min；(4)密封，冷却至室温得到剪切增稠液体。

本实施例制备的剪切增稠液体的粘度为10cps-15cps。使用本实施例制得的剪切增稠液体进行实施例1中的落锤实验，鸡蛋均不破裂，无裂纹。本实施例制备的剪切增稠液体具有很好地抗冲击性能，能够有效地起到缓冲作用。

实施例3

本实施例提供了一种纳米二氧化硅剪切增稠液体的制备方法，其制备流程示意图如图1所示。该制备方法包括：(1)将100g聚乙二醇加热至140℃；(2)加入120g纳米二氧化硅，搅拌混合10分钟；(3)加入0.22g硅烷偶联剂kh560，高速搅拌混合30分钟，其中，搅拌速度为600-1000r/min；(4)密封，冷却至室温得到剪切增稠液体。

本实施例制备的剪切增稠液体的粘度为10cps-15cps。使用本实施例制得的剪切增稠液体进行实施例1中的落锤实验，鸡蛋不破裂，无裂纹。本实施例制备的剪切增稠液体具有很好地抗冲击性能，能够有效地起到缓冲作用。

对比例1

本实施例提供了一种纳米二氧化硅剪切增稠液体的制备方法，该制备方法包括：(1)将100g聚乙二醇加热至70℃；(2)加入120g纳米二氧化硅，搅拌混合2h；(3)加入1.2g硅烷偶联剂kh560，高速搅拌混合30分钟；(4)密封，冷却至室温得到剪切增稠液体。

本对比例制备的剪切增稠液体的粘度小于10cps。使用本对比例得到的剪切增稠液体实施例1中的落锤实验中，鸡蛋破裂。

对比例2

本实施例提供了一种纳米二氧化硅剪切增稠液体的制备方法，其制备流程示意图如图1所示。该制备方法包括：(1)将100g聚乙二醇加热至150℃；(2)加入120g纳米二氧化硅，搅拌混合3分钟；(3)加入1.2g硅烷偶联剂kh560，高速搅拌混合30分钟；(4)密封，冷却至室温得到剪切增稠液体。本对比例得到的剪切增稠液体粘度过大，使用本对比例得到的剪切增稠液体实施例1中的落锤实验中，鸡蛋有裂纹。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。