吳 磊,沈談笑,曾櫨賢,徐建軍,劉鵬清

(四川大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院 高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

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超聲法制備剪切增稠液及其穩(wěn)態(tài)流變行為的研究

吳 磊,沈談笑,曾櫨賢,徐建軍,劉鵬清*

(四川大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院 高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

利用原生粒徑20 nm的納米二氧化硅(SiO2)作為分散相，聚乙二醇200作為分散介質(zhì)，用超聲混合法制備剪切增稠液體(STF)。研究了納米SiO2的微觀形貌結(jié)構(gòu)及其粒徑大小和分布以及STF的流變行為，探討了超聲時(shí)間、SiO2含量和溫度對(duì)STF流變行為的影響。結(jié)果表明：SiO2粒子并不是完全等徑存在，而是通過(guò)團(tuán)聚形成團(tuán)聚體；超聲時(shí)間影響STF的流變行為，在超聲時(shí)間1～4 h時(shí)，隨著超聲時(shí)間增長(zhǎng)，初始黏度變小，臨界剪切速率變大，STF增稠效果較明顯，但隨著超聲時(shí)間的繼續(xù)增長(zhǎng)，STF的剪切增稠效果變差；隨著SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，STF體系的起始表觀黏度增大，臨界剪切速率減小，增稠現(xiàn)象更明顯；隨溫度升高，臨界剪切速率變大，STF剪切增稠現(xiàn)象則越不明顯；超聲時(shí)間、SiO2含量、溫度能有效調(diào)控臨界剪切速率。

剪切增稠液體 超聲法 聚乙二醇 二氧化硅 納米 流變行為

剪切增稠液體(STF)是表觀黏度(ηa)隨著剪切應(yīng)力的增加而增加的流體，并且具有可逆性[1]。自1938年Freundlich和Rode首次在硬球型分散液中發(fā)現(xiàn)了具有剪切增稠現(xiàn)象的流體開(kāi)始，STF一直被人們所研究[2]。因其剪切增稠的特性，STF在軍用防彈衣、裝甲、人體防護(hù)和減震等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

SiO2：原生粒徑20 nm，贏創(chuàng)德固賽公司產(chǎn)；PEG 200：分析純，成都科龍?jiān)噭┯邢薰咎峁?/p>

1.2 儀器與設(shè)備

KH2200超聲機(jī)：昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司制造；XW- 80A型漩渦混合儀：上海精科實(shí)業(yè)有限公司制造；FD-1A-SO冷凍干燥機(jī):北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司制造；Mastersizer 2000型激光粒度儀：英國(guó)Malvern公司制造；Quanta 250掃描電子顯微鏡(SEM)：美國(guó)FEI公司制造；Mars Ⅲ型哈克旋轉(zhuǎn)流變儀：美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司制造；BI-200SM型動(dòng)態(tài)光散射儀：美國(guó)Brookhaven儀器有限公司制造。

1.3 STF的制備

計(jì)算配制一定SiO2含量的STF體系所需要的納米SiO2和PEG 200的質(zhì)量并稱(chēng)重，將PEG 200加入漩渦混合儀中邊混合邊加入納米SiO2，然后在25 ℃恒溫的超聲機(jī)中超聲一定時(shí)間，制備出所需要的STF。將所制備的試樣放入冷凍干燥器中干燥24 h，除去其中的氣泡和水。

1.4 測(cè)試與表征

粒子粒徑：采用激光粒度儀對(duì)分散在無(wú)水乙醇中的納米SiO2的粒徑進(jìn)行測(cè)量。

表觀形貌：采用SEM觀察粒子形貌，試樣測(cè)試前進(jìn)行噴金處理，加速電壓為30 kV。

STF流變行為：采用哈克旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試PEG 200及STF的穩(wěn)態(tài)流變行為，使用的夾具是直徑為35 mm的錐板，錐角為1°。

粒子粒徑分析：采用動(dòng)態(tài)光散射儀對(duì)試樣中納米SiO2的粒徑進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米SiO2粒子的粒徑和表面形貌

從圖1可以看出，納米SiO2粒子并不是完全等徑存在的，SiO2粉體平均粒徑約為136 nm，粒徑分布較窄，納米SiO2原生粒徑為20 nm，說(shuō)明SiO2發(fā)生了團(tuán)聚。這是由于SiO2粒徑小，具有高的表面能并不會(huì)孤立地存在，而是通過(guò)團(tuán)聚形成團(tuán)聚體。由圖2可看出，納米SiO2基本呈球形，有較好的分布形態(tài)。

圖1 納米SiO2粒徑分布曲線(xiàn)

圖2 納米SiO2的SEM照片

2.2 超聲時(shí)間對(duì)PEG 200流變性能的影響

圖3 25 ℃下不同超聲時(shí)間的PEG 200穩(wěn)態(tài)流變曲線(xiàn)

為了更好地說(shuō)明分子鏈相互作用力，對(duì)試樣進(jìn)行了紅外光譜表征，見(jiàn)圖4。

圖4 不同超聲時(shí)間下PEG的紅外光譜

從圖4可見(jiàn)，不同超聲時(shí)間的PEG 200的特征峰幾乎沒(méi)有變化。反映氫鍵締合情況的—OH鍵，其位于3 200～3 650 cm-1處的特征峰沒(méi)有出現(xiàn)向低頻位移的現(xiàn)象。一般認(rèn)為化合物分子的O—H基團(tuán)形成的氫鍵作用力越強(qiáng)，O—H伸縮振動(dòng)向低頻位移越多，吸收譜帶越彌散。由此可以看出，超聲時(shí)間對(duì)PEG 200分子鏈和分子間氫鍵作用力沒(méi)有太大影響。

2.3 超聲時(shí)間對(duì)STF流變行為的影響

圖5 25 ℃下不同超聲時(shí)間的STF穩(wěn)態(tài)流變曲線(xiàn)

圖6 25 ℃下不同超聲時(shí)間對(duì)STF溶液中納米SiO2粒徑的影響

2.4 SiO2含量對(duì)STF流變行為的影響

由圖7可知，當(dāng)SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，STF體系表現(xiàn)出的剪切變稀和剪切增稠現(xiàn)象不太明顯。但隨著SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，剪切增稠現(xiàn)象越來(lái)越明顯。

圖7 25 ℃下不同SiO2含量的STF穩(wěn)態(tài)流變曲線(xiàn)

2.5 溫度對(duì)STF流變行為的影響

圖8 不同溫度下的STF穩(wěn)態(tài)流變曲線(xiàn)

3 結(jié)論

a. 以原生粒徑為20 nm的納米SiO2為分散相粒子，PEG 200為分散介質(zhì)，用超聲分散法能夠成功制備出具有增稠效果的STF。

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?國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)?

2015年歐洲非織造布生產(chǎn)量達(dá)2 329 kt

據(jù)日本化纖協(xié)會(huì)《行業(yè)新聞》報(bào)道，歐洲非織造布協(xié)會(huì)發(fā)布了2015年歐洲非織造布及相關(guān)產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2015年歐洲非織造布生產(chǎn)量為2 329 kt，比2014年增長(zhǎng)3.6%。歐盟的增長(zhǎng)較少，但土耳其等一些國(guó)家為強(qiáng)增長(zhǎng)。從各制造方法看，干法、濕法、氣流法增長(zhǎng)3.1%，融紡法增長(zhǎng)4.3%，drylaid水流交絡(luò)法增長(zhǎng)7.0%。從最終用途看，依然是衛(wèi)生材料占最大比例為31%，生產(chǎn)量為717.2 kt。另外，在2015年，最顯著的增長(zhǎng)領(lǐng)域是汽車(chē)(9%)、農(nóng)業(yè)(11%)、擦拭布(11%)、飲食相關(guān)(12%)、過(guò)濾器(17%)。另一方面，芯材和涂層基材、建筑領(lǐng)域?yàn)榇蠓葴p少。

(通訊員 王德誠(chéng))

Indorama公司與Dhunseri石化公司

進(jìn)行PET融合

印度Dhunseri石化公司和泰國(guó)Indorama公司風(fēng)險(xiǎn)投資公司已于2016年3月28日同意成立一個(gè)各持股50%的合資企業(yè)進(jìn)行聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)融合，在印度和出口市場(chǎng)生產(chǎn)和銷(xiāo)售PET樹(shù)脂。 Dhunseri將購(gòu)買(mǎi)Indorama公司Micro Polypet附屬公司50%的股份，Micro Polypet附屬公司在印度帕尼帕特?fù)碛?16 kt/a PET裝置。Indorama公司將購(gòu)買(mǎi)Dhunseri石化公司在印度霍爾迪亞的PET裝置，該裝置擁有PET生產(chǎn)能力480 kt/a。Dhunseri石化公司在埃及也擁有生產(chǎn)，不包含在該轉(zhuǎn)讓中。該交易預(yù)計(jì)將在2016年下半年受監(jiān)管部門(mén)批準(zhǔn)后生效。該合資公司有近700 kt/a的PET生產(chǎn)能力，占印度總量的約38%。印度人均PET樹(shù)脂的消費(fèi)量?jī)H0.6 kg，相比之下，中國(guó)2.6 kg，日本7.6 kg，歐盟6.7 kg和美國(guó)10.9 kg。該合資公司將成為PET在印度北部和東部的唯一生產(chǎn)商，它的兩個(gè)生產(chǎn)基地與原材料供應(yīng)集成在一起。信誠(chéng)工業(yè)公司目前擁有印度PET生產(chǎn)能力的51%，Dhunseri公司擁有 26%，Micro Polypet公司和JBF公司各擁有12%。

(通訊員 錢(qián)伯章)

北京賽歐蘭開(kāi)發(fā)阻燃纖維

北京賽歐蘭阻燃纖維有限公司目前已開(kāi)發(fā)出完全符合市場(chǎng)需求的綠色環(huán)保阻燃劑及新型多品種的阻燃粘膠纖維，且已成功生產(chǎn)出適合制造特殊行業(yè)防護(hù)服、高端家紡、交通工具內(nèi)裝飾等多領(lǐng)域的阻燃粘膠短纖維及長(zhǎng)絲，賽歐蘭的阻燃劑技術(shù)以及阻燃粘膠纖維生產(chǎn)工藝技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，所有產(chǎn)品指標(biāo)經(jīng)檢測(cè)和認(rèn)證均超出國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

全新一代環(huán)保型硅-氮系阻燃粘膠纖維是賽歐蘭的主要產(chǎn)品，其阻燃性能完全滿(mǎn)足并超過(guò)國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。該工藝生產(chǎn)的粘膠長(zhǎng)絲和短絲可用于制作軍隊(duì)防護(hù)服、消防服、家居及公共裝飾等使用的針、紡織品。

(通訊員 鄭寧來(lái))

Preparation and steady rheological behavior of shear thickening fluid via ultrasonic method

Wu Lei, Shen Tanxiao, Zeng Luxian, Xu Jianjun, Liu Pengqing

(StateKeyLaboratoryofPolymerMaterialsandEngineering,CollegeofPolymerScienceandEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065)

A shear thickening fluid (STF) was prepared by using nano-silicon dioxide (SiO2) with the particle size of 20 nm as the disperse phase and polyethylene glycol 200 as the disperse medium via ultrasonic method. The micro-structure and morphology, particle size and distribution of nano-SiO2were studied. The rheological behavior of STF was measured. The effects of ultrasonic time, SiO2content and temperature on the rheological behavior of STF were discussed. The results showed that nano-SiO2particles was not mono-dispersed because of the gathered aggregates; the rheological behavior of STF was affected by the ultrasonic time; the initial viscosity was decreased, the critical shearing rate was increased and the fairly good thickening effect of STF was acquired when the ultrasonic time was increased from 1 h to 4 h, but the thickening effect of STF became worse when the ultrasonic time was prolonged over 4 h; the initial apparent viscosity of STF system was increased, the critical shearing rate was decreased and the shear thickening effect became more obvious when the mass fraction of SiO2was increased; the critical shearing rate was increased and the shear thickening effect of STF became weak when the temperature rose; and the critical shearing rate could be efficiently controlled by adjusting the ultrasonic time, SiO2content and temperature.

shear thickening fluid; ultrasonic method; polyethylene glycol; silicon dioxide; nanometer; rheological behavior

2016- 01-25； 修改稿收到日期：2016- 03-14。

吳磊(1990—)，男，在讀碩士，從事纖維結(jié)構(gòu)與性能的研究。E-mail：597634127@qq.com。

中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(2013M531965)。

TQ314.269

A

1001- 0041(2016)03- 0016- 05

*通訊聯(lián)系人。E-mail：liupq@scu.edu.cn。