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聚苯乙烯—丙烯酸纳米粒子基剪切增稠液的制备与性能研究

叶芳  
【摘要】:剪切增稠(Shear Thickening, ST)行为是一种非牛顿流体行为,当外加剪切速率达到一临界值时,体系的粘度会发生几个数量级的增长。一般在浓悬浮分散系中经常会发生这种ST现象,我们把具有这种ST行为的浓悬浮分散体系称为剪切增稠液(Shear Thickening Fluid, STF)。STF的制备是将单分散的微纳米粒子均匀地分散于乙二醇,聚乙二醇等分散剂中形成的分散体系。早期对ST行为的研究是为了消除其在工业生产中带来的负面作用,但随着研究的深入,人们发现STF的这种显著的速度响应特性,使其可以增加能量耗散和弹性模量,这在阻尼和减震等方面的应用特别理想。另外,人们将STF浸入防弹纤维中,制备出了STF增强型的防弹衣,这种防弹衣不仅柔软舒适,而且明显提高了防弹功能。在恐怖主义猖獗的今天,人们对安全防护的需求也日益见长,STF的研究更加引起了人们的重视。虽然STF的潜在应用广泛,但实用的ST体系有限,此外对于ST性能影响因素的研究,大部分是一些外在的宏观因素,很少有对粒子内在结构的研究。最后在阻尼、减震以及身体防护等应用中,需要具备一定ST强度的STF以耗散比较高的能量,所以增强型STF的制备具有重要的意义。因此,本论文的目的是拓展实用的ST体系,探究ST性能对于粒子内在结构的依赖性,以及优化STF的ST性能,制备和研究非离子表面活性剂增强型的STF。具体研究内容如下: 1、研制了一种新型的STF—聚苯乙烯-丙烯酸-乙二醇悬浮体系,并研究了其ST性能。运用无皂乳液聚合方法制备了球形的、单分散的粒径在300nm左右的聚苯乙烯-丙烯酸粒子(PS-AA),将制备的粒子均匀地分散于乙二醇中,制备成了一种新型的STF。探究了其ST性能的可逆以及稳定性,对分散相浓度、粒子分散性以及环境温度的依赖性,另外对其在动态振荡剪切下的扫描做了进一步的研究。实验结果表明新研制的STF能够运用于一些中等能量吸收的应用中,其ST性能具有很好的稳定性,并且强烈的依赖于分散相浓度、粒子分散性以及环境温度。动态测试下的流变性能既与应变也与角频率相关。 2、利用新研制的PS-AA-乙二醇STF,系统地研究了ST性能对于分散相粒子内在结构的依赖性。通过改变粒子合成实验中的单体比值(苯乙烯/丙烯酸)以及交联剂二乙烯基苯的用量制备了具有不同内部结构的PS-AA粒子,将这些PS-AA粒子分别分散于乙二醇中制备出一系列的STF。通过测试其流变特性,发现高的苯乙烯/丙烯酸比值具有更好的ST效应,在最佳比值时最大粘度达到了152Pa·s,然而进一步增加比值,ST效应降低。加有交联剂的粒子的STF具有更好的ST性能,当加入0.3%的交联剂时,体系的最大粘度达到了385Pa·s。结合流变测试结果和粒子的结构特征提出了ST性能对于粒子结构依赖性的可能机理。 3、以ST性能的优化为目的,研究了各种类型的非离子表面活性剂对于ST性能的影响,研究的非离子表面活性剂包括司潘20(Span20)、吐温20(Tween20)、曲拉通X-100(TX100)、辛基苯酚聚氧乙烯(10)醚(OP-10)、PEG系列。首先制备了基于PS-AA粒子的STF,分别向其中添加了各种不同类型的非离子表面活性剂,测试了加入各种非离子表面活性剂的STF前后流变性能。实验结果表明Span20, Tween20, TX100以及高分子量的PEG能显著地增强体系的ST性能,而其他几种削弱了体系的ST效应。尽管有些非离子表面活性剂的分子结构很相近,而作用却完全相反。


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