[发明专利]一种基于SiO2微纳米球的剪切增稠流体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米粉体应用技术领域，特别是涉及一种基于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。

背景技术

近年来研究发现，单分散SiO₂微纳米球分散在有机溶剂中制备的流体具有受到冲击的瞬间粘度迅速增加的剪切增稠特征，利用这一特性开发的复合材料具有抗冲击、抗锐器穿刺、减震、吸能等多种功能。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杜邦公司的芳纶(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。

由此，基于SiO₂微纳米球的剪切增稠流体的制备方法就成了应用剪切增稠流体的前提和物质基础。N.J.Wagner等人提出了两种制备剪切增稠流体的方法，一是以SiO₂干粉为原料，采用球磨24小时的方法将之直接分散在聚乙二醇溶剂中；二是以SiO₂颗粒的水相悬浮液为原料，先用高速离心机分离水相悬浮液，得到的固相分离物再分散在聚乙二醇溶剂中，随后再次离心分离，重复以上操作4次逐步用聚乙二醇取代水，最终制得剪切增稠流体。近年来，有关剪切增稠流体制备的报道大都很粗略，基本上都可归入到以上两种方法之中。

整体上，以上方法作为实验室研究之用是可行的，但要实现大批量的剪切增稠流体规模制备仍有一些不足。如由于微纳米SiO₂表面的硅羟基极性较强，干粉颗粒间的团聚现象严重，团聚程度较强，而聚合物溶剂的粘度又较高，单纯的球磨、搅拌等物理分散手段很难分散已团聚的颗粒聚集体，即使有超声波作为强化分散手段，仍然需要很长的制备时间。而以SiO₂颗粒的水相悬浮液为原料，采用多次离心再分散的手段，逐步用聚合物溶剂取代水溶剂的方法可以在一定程度上克服颗粒间的团聚，获得SiO₂颗粒在聚合物溶剂中分散性较好的剪切增稠流体，但该法仍然存在着制备周期长、能耗高、成本高、难量产的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于SiO₂微纳米球的剪切增稠流体的制备方法。

本发明的另一目的是提供一种通过上述方法制备的应用于软体防护复合材料中的剪切增稠流体及其在软体防护复合材料中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明公开了一种SiO₂微纳米球的剪切增稠流体的制备方法，包括如下步骤：

a.在SiO₂微纳米球悬浮液中加入聚合物液体，采用超声波搅拌设备混匀；本发明中优选的聚合物液体的用量为SiO₂微纳米球重量的5％-20％，超声波搅拌设备处理0.3-1小时；加入的过量聚合物液体能够实现对SiO₂微纳米球颗粒表面的全包覆，以及与颗粒表面的硅羟基形成键和，具有改性和防止颗粒团聚的双重作用；此外，超声波和搅拌的复合使用，能够进一步防止颗粒的团聚，以及缩短处理时间、获得良好的混合效果；

b.喷雾干燥经过步骤a处理的SiO₂微纳米球悬浮液，获得SiO₂微纳米球干粉；本发明中，优选的，喷雾干燥设备控制进口温度在220-280℃，出口温度在90-120℃，压缩空气压力在0.2-0.5MPa；悬浮液进料流量视喷雾设备蒸发能力调整，进行喷雾干燥，在收料筒中得到SiO₂微纳米球干粉；需要指出的是，由于喷雾干燥过程中，从喷嘴喷出的小液滴在热气流中的存在时间只有几秒，且聚合物液体的挥发温度远高于水，干燥得到的粉体含水率小于1％，而所加入的聚合物液体则绝大部分得以存留在干粉中，使得干粉颗粒间不至于形成硬团聚，保证了干粉颗粒的良好分散性；