一种基于分子胶体的剪切增稠流体及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种基于分子胶体的剪切增稠流体及其制备方法和用途。剪切增稠流体由无机纳米颗粒、硼酸、羟基硅油和增塑剂形成的分子胶体体系与有机溶剂组成，用于浸渍处理性能纤维织物，制备防护材料，以提高材料的防刺性能，并使制备工艺简单，制备周期短，操作控制性强，提高产品性能的稳定性，降低能耗，进而有利于实现大规模的生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于分子胶体的剪切增稠流体及其制备方法和用途。
技术介绍
从20世纪80年代末开始，人们开始研究如何利用剪切增稠现象，美国特拉华大学的N. J. Wagner等人研究了不同粒径的纳米二氧化硅分散在聚乙二醇体系中的剪切流变行，剪切增稠流体开始出现了很多新应用，人们专利技术了不同种类的剪切增稠流体组合物并且应用于体育产品和人体防护产品。英国D30公司开发出一种“剪切增稠液体”泡沫，应用于足球球场上守门员的手套、滑雪运动员的滑雪鞋、滑雪服等，可大大提高材料的抗冲击强度，从而为各种体育运动提供安全保障。芳纶纤维(也称凯夫拉)和超高分子量聚乙烯纤维作为防护基材，应用起步早，范围广，这些高性能纤维具有低质量，高强度和高吸能的特点，然而要满足防刺和防弹要求， 大约需要20层至50层的纤维，因此，美国陆军研究实验室和特拉华大学合作专利技术了 “液体盔甲”，其主要组分是剪切增稠流体与芳纶纤维，剪切增稠流体渗入到凯夫拉背心的每一层，这使得达到防刺防弹要求的纤维织物层数大大减少。CN 102191680A公开了一种基于二氧化硅(SiO2)微纳米球的剪切增稠流体的制备方法，及采用该制备方法制备的剪切增稠流体在软体防护复合材料中的应用。该专利技术提供的基于二氧化硅微纳米球的剪切增稠流体的制备方法，属于粒子胶体剪切增稠体系的技术范畴。目前的现有技术中，剪切增稠液体的组分基本上是由纳米二氧化硅分散在聚乙二醇的体系中，在高的剪切速率下，二氧化硅纳米粒子与聚乙二醇之间由于氢键的相互作用， 会形成粒子簇，导致体系的黏度在高的剪切速率下有类似于固体的行为，从而达到良好的防刺和防弹的性能。但是现有技术还存在下列问题由于二氧化硅表面的有机基团的含量较少，其与高性能纤维织物之间的亲和性较差；在配置纳米剪切增稠流体的过程中，只有粒径较大的纳米粒子和高浓度的纳米粒子体系才在较低的剪切速率下表现出剪切增稠特性； 制备较大粒径的纳米SiO2颗粒所要求的制备工艺较复杂，且纳米二氧化硅在制备的过程中团聚的现象较严重，基于这些制备工艺上的问题，使其仍然存在较大的改善空间。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于分子胶体的剪切增稠流体及其制备方法和用途，剪切增稠流体由无机纳米颗粒、硼酸、羟基硅油和增塑剂形成的分子胶体体系与有机溶剂组成，用于浸溃处理高性能纤维织物，以提高复合材料的防刺性能，并使制备工艺简单，制备周期短，操作控制性强，提高产品性能的稳定性，降低能耗，进而有利于实现大规模的生产。本专利技术一种基于分子胶体的剪切增稠流体，由无机纳米颗粒、硼酸、羟基硅油和增塑剂形成的分子胶体体系与有机溶剂组成，剪切增稠流体中，分子胶体的质量浓度为340 70%，优选45 65%，其特征是分子胶体的基本组成和质量份数为无机纳米颗粒O. 5^1. 5份、硼酸O. 5^1. 5份、羟基硅油9. 5^10. 5份、增塑剂O.05 O. 5 份。优选为无机纳米颗粒O. 8^1. 2份、硼酸O. 8^1. 2份、羟基硅油9. 8^10. 2份、增塑剂O. 08 O. 48份。进一步优选为无机纳米颗粒I份、硼酸I份、羟基硅油10份、增塑剂O. I份。本专利技术还提供了一种基于分子胶体的剪切增稠流体的制备方法，具体步骤和方法如下(I)将无机纳米颗粒和硼酸均匀地分散在羟基硅油中，经充分搅拌，得到无机纳米颗粒、硼酸和羟基硅油的均匀悬浮分散体系；(2)将步骤(I)的分散体系在265 350 V反应2. 5 3. 5h，优选 280^320 V反应2. 8^3. 2h。冷却，研磨后，加入增塑剂，得到硼化聚二甲基硅氧烷 (polyborodimethylsiloxane, PBDMS)分子胶体；(3)将步骤(2)的分子胶体溶解在易挥发的含羟基的极性有机溶剂中，得到基于分子胶体的剪切增稠流体。上述制备方法中优选先将无机纳米颗粒与羟基硅油混合，经充分搅拌，均匀分散， 再加入硼酸充分搅拌后得到均匀分散的无机纳米颗粒、硼酸和羟基硅油分散体系。搅拌可以通过采用高速搅拌器、低速搅拌器或中速搅拌器中的任意一种实现，优选高速搅拌器。所述高速搅拌器的转速为80(Tl200rpm/min,优选90(Tll00rpm/min。高速搅拌的方法更有利于使无机纳米颗粒和硼酸均匀地分散在羟基硅油中。所述无机纳米颗粒选自下列物质中的任何一种或者它们的混合物纳米二氧化硅、纳米蒙脱土、纳米碳酸钙、纳米钛白粉或纳米云母粉。无机纳米颗粒混合物可以是纳米云母粉和纳米钛白粉的混合物,纳米碳酸钙和纳米蒙脱土的混合物,纳米二氧化硅和纳米云母粉的混合物，纳米钛白粉和纳米蒙脱土的混合物，纳米云母粉、纳米钛白粉和纳米碳酸钙的混合物，纳米蒙脱土、纳米二氧化硅和纳米碳酸钙的混合物，纳米蒙脱土、纳米二氧化硅、纳米云母粉、纳米钛白粉和纳米碳酸钙的混合物。所述无机纳米颗粒在混合使用时可以取得更好的协同效果。所述无机纳米颗粒的粒径为flOOnm，优选f50nm。由于纳米颗粒的尺寸效应、表面与界面效应、体积效应等，使其在应用中表现出一系列优异的物理、化学特征。但纳米颗粒表面能大，极易团聚，与聚合物的相容性较差。为了防止纳米颗粒发生团聚，以便更好地分散在羟基硅油中，本专利技术优选采用经硅烷偶联剂表面处理后的纳米颗粒， 表面改性处理的方法为本领域技术人员熟知的现有技术。例如可以采用偶联剂对纳米颗粒进行有机单体原位聚合包覆表面处理。所述羟基硅油优选聚合度为f 10的羟基硅油，进一步优选聚合度为21的羟基硅油。羟基硅油的选择，可以根据合成产物所需的性能选择不同聚合度的羟基硅油。所述增塑剂为油酸、柠檬酸三丁酯或环氧大豆油中的一种或者至少两种的混合物。所述的有机溶剂优选易挥发的含羟基的极性有机溶剂；更优选为异丙醇或乙醇。将无机纳米颗粒、硼酸和羟基硅油分散体系在265 350°C反应2. 5^3. 5h，在反应后期可以观察到有泡沫状的物质生成，且混合液体不再流动。当反应完成后，将反应生成的物质冷却，研磨后，加入增塑剂进行塑化，即可得到阻尼性能优异的PBDMS分子胶体。将PBDMS分子胶体溶解在易挥发的含羟基的极性有机溶剂中，即可得到剪切增稠流体。通过对所述剪切增稠流体进行流变性能测试，可以观察到该剪切增稠流体在临界剪切应力下出现剪切增稠的现象。羟基硅油为无色透明、无味、无毒的油状液体，具有闪点高、凝固点低、热稳定性好，且羟基封端能够提供活泼的反应性能。本专利技术还提供了一种基于分子胶体的剪切增稠流体用于浸溃高性能纤维织物制备软体防护材料的用途，将本专利技术基于分子胶体的剪切增稠流体用于浸溃高性能纤维织物，待浸溃完全后，烘干至恒重，得到所述软体防护材料。所述高性能纤维是指拉伸强度大于2. 5GPa，弹性模量高于55GPa的纤维优选芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维。本专利技术利用基于分子胶体的剪切增稠流体在高剪切速率下体系的黏度发生突变的性质，与高性能纤维织物例如芳纶纤维复合制备软体防护材料。高性能纤维织物的浸溃可以采用人工浸溃、压延浸溃或喷涂浸溃的方式进行，压延浸溃可以通过轧车进行浸溃。为了防止纤维之间粘连，并提高防护材料的防刺性能，所述芳纶纤维浸溃完全后采用聚氯乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜或铝箔中的任意一种进行包覆后再进行烘干， 所述烘干的温度为7(T90°C，优选75 85°C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分子胶体的剪切增稠流体，由无机纳米颗粒、硼酸、羟基硅油和增塑剂形成的分子胶体体系与有机溶剂组成，剪切增稠流体中，分子胶体的质量分数为40~70%，分子胶体的基本组成和质量份数为：无机纳米颗粒0.5~1.5份、硼酸0.5~1.5份、羟基硅油9.5~10.5份、增塑剂0.05~0.5份；所述有机溶剂为易挥发的含羟基的极性有机溶剂。

【技术特征摘要】
1.一种基于分子胶体的剪切增稠流体，由无机纳米颗粒、硼酸、羟基硅油和增塑剂形成的分子胶体体系与有机溶剂组成，剪切增稠流体中，分子胶体的质量分数为4(Γ70%，分子胶体的基本组成和质量份数为无机纳米颗粒O. 5^1. 5份、硼酸O. 5^1. 5份、羟基硅油9.5^10. 5份、增塑剂O. 05、. 5份；所述有机溶剂为易挥发的含羟基的极性有机溶剂。2.根据权利要求I的基于分子胶体的剪切增稠流体，其特征是分子胶体的质量分数为45-65%，分子胶体的基本组成和质量份数为无机纳米颗粒O. 8^1. 2份、硼酸O. 8^1. 2份、羟基硅油9. 8 10. 2份、增塑剂O. 08 O. 48份。3.根据权利要求I的基于分子胶体的剪切增稠流体，其特征是所述无机纳米颗粒经硅烷偶联剂表面改性，选自下列物质中的任何一种或者它们的混合物纳米二氧化硅、纳米蒙脱土、纳米碳酸钙、纳米钛白粉或纳米云母粉。4.一种权利要求I或2或3所述基于分子胶体的剪切增稠流体的制备方法，具体步骤和方法如下 (1)按比例将无机纳米颗粒和硼酸均匀地分散在羟基硅油中，经充分...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴丝竹，杨威，赵秀英，宋梦，张立群，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：