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剪切增稠(shearthickening)是指体系受到外力作用时其粘度发生快速、剧烈、非线性增加的现象。这种粘度的增加通常会达到几个数量级,响应时间非常短(毫秒量级)。并且这种行为是完全可逆的,当应力撤除时粘度会立即恢复到初始状态。剪切增稠现象普遍存在于浓的胶体悬浮体系中,剪切增稠液(shearthickeningfluid,STF)即是指具有剪切增稠行为的悬浮体系。常见的剪切增稠液一般是由单分散、稳定的球形纳米粒子分散在乙二醇、聚乙二醇等极性介质中形成的悬浮体系。纳米粒子的种类可以是无机粒子(如二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙等)或者有机高分子聚合物粒子(如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酰胺等)。剪切增稠液中的分散相浓度一般要达到50%以上才会观察到宏观的剪切增稠现象。由于剪切增稠液的非线性粘度特性,它被广泛应用在防震减震、能量吸收、速度控制和人体防护等领域。为了更好的应用剪切增稠液,需要制备综合性能更好、效应更高的剪切增稠液,并对其影响和控制因素进行研究。
本论文的目的是获得可实用的高分子聚合物剪切增稠体系,明晰影响剪切增稠液性能的主要因素。本文的主要工作为单分散球形纳米聚合物粒子的制备及表征、高剪切增稠效应且性质稳定可控的剪切增稠液的制备以及其影响因素的研究。具体内容如下:
1.对剪切增稠液的研究进展进行了较全面的综述。介绍了剪切增稠现象和剪切增稠液的制备,概述了前人的研究工作,总结了影响剪切增稠效应的各种因素。包括分散相的种类、分散相的体积分数、分散相的尺寸和粒度分布、分散相粒子间的相互作用、分散介质的粘度、添加剂和外加场对剪切增稠效应的影响。并且还介绍了关于剪切增稠机理的几种解释以及剪切增稠液在实际中应用的例子等。
2.用无皂乳液聚合的方法合成了单分散性好、粒径分布窄的纳米聚苯乙烯-丙烯酸乙酯共聚物微球,并将其分散在己二醇、聚乙二醇等极性溶剂中制备了剪切增稠液。对所制备的剪切增稠液进行流变性能的测试,发现其拥有很高的剪切增稠效应。通过改变制备时的实验参数,可以得到具有不同剪切增稠效应的浓悬浮体系。并且还研究了体积分数、温度、放置时间等因素对剪切增稠效应的影响,为剪切增稠液的实际应用提供参考。
3.研究了各种表面活性剂对聚苯乙烯-烯酸乙酯共聚物剪切增稠液流变性质的影响。所研究的表面活性剂包括:阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵,两性离子表面活性剂十四烷基磺基甜菜碱,阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠,十二烷基苯磺酸钠,2-乙基己基琥珀酸酯磺酸盐和非离子表面活性剂曲拉通X-100。实验结果表明阳离子表面活性剂使得分散相粒子发生絮凝,初始粘度变得很大,剪切增稠效应消失;几种不同的阴离子表面活性剂具有相近的临界剪切速率,十二烷基硫酸钠对剪切增稠效应的增强有一最佳值,添加的质量分数为3%时对剪切增稠效应的增强效果最好;而两性离子表面活性剂和非离子表面活性剂对剪切增稠效应都有增强作用,其中非离子表面活性剂曲拉通X-100对剪切增稠效应的增强作用最明显,加入2%的曲拉通X-100可以使剪切增稠液的最大粘度增大达5倍。
4.研究了酸、碱性物质对聚苯乙烯.丙烯酸乙酯共聚物剪切增稠液流变性质的影响。向剪切增稠体系加入酸性或碱性物质,改变分散相粒子的表面电荷,进而改变粒子间的相互作用力,影响其剪切增稠效应。体系的pH值越接近等电点,临界剪切速率越低,且剪切增稠效应与pH值和酸、碱性物质的种类有关。同时,随着体系pH值接近等电点,体系有更大的絮凝倾向,剪切增稠体系的初始粘度增加。
5.用超声辐射的方法合成了钼酸锶微米材料,并将其分散在硅油中制各了电流变液。对钼酸锶的晶体结构进行了表征,研究了实验因素对铝酸锶形貌和晶体结构的影响。通过改变实验条件,合成了菊花状,纺锤状,骨头状和球形以及棒状和线状的钼酸锶产物,同时还讨论了钼酸锶晶体形貌的形成机理。用所制备的菊花状钼酸锶为分散相粒子,制备了电流变液并测试了其流变性能。结果显示电流变液的剪切应力依赖于电场强度,当电场强度为3kV/mm时,剪切速率为100s-1时,剪切应力达到了600Pa。