剪切增稠流体对聚乙二醇和水中淀粉中的二氧化硅纳米粒子组成的比较分析

抽象的

剪切增稠液（STF）发生在高浓缩胶体颗粒的分散体中，并且被分类为非牛顿液体，其粘度在剪切负载下增加，这使得它们有利于保护性和抗冲击应用。本研究的目的是合成两种不同的STF并表征其微观结构性质，以提供用于比较机械测试下的两个流体的最终Macrobehavior的数据群。因此，制备了烟雾二氧化硅和聚乙二醇STF和淀粉与水STF基分散体。对每种STF进行粒度，ζ电位，SEM显微照片和流变分析。通过使用10-30重量％的填充材料观察填料浓度的影响。STF的流变性能显示与淀粉/水STF的剪切速率相同的粘度测量比二氧化硅/悬浮液分别达到523.6Pa S和178.9Pa S的最大粘度。较大的淀粉粒径分别记录为303.7nm和16.49nm，分别记录为22.6mV和12.8mV的Zeta电位分析，导致更高颗粒浓度的分散稳定性和明显的增厚效果导致更大的跳跃在突然剪切速率下的粘度。结果表明，当STF被实施时，尝试具有更大的灵活性和更少的厚度的能力，并且根据其行为选择流体的良好数据库。

1.介绍

剪切增稠液（STF）代表某些流体的子集，其表现出非牛顿流体行为，其粘度在特定剪切强度下的粘度变化。剪切增厚发生在紧密密集的胶体和悬浮液中。如果它们以低剪切速率搅拌，则这种悬浮液则表现得像薄液体，但如果它们以高剪切速度搅拌非常密集。但是，粘度增加了STF行业的其他缺点。然而，该功能使它们适用于阻尼和减震应用。通过这种多功能性，STF用于促进抗冲击织物，如运动设备或液体铠装[1］.

流变学是美国流变学会在1929年建立的学科，因为物质的变形和流动研究。流变是一种来自Rheos（工作）和徽标（科学）的希腊词语[2］.所有材料的各种行为依赖于它们潜在的微观和化学结构。因此，对于商业制度来说，行为规范起着重要的作用。守恒定律和本构关系是控制流变运动学的主要理论概念。运动学讨论变形和运动的几何方面，而守恒定律包括力，能量的分享，应力，以及体群之间的不同关系。流变学是应用这些科学原理和测试来解决聚合物工艺、食品生产、印刷、润滑和许多其他技术中的工程相关问题的产物[2，3.］.

根据定义，流体材料是在施加应力时移动的系统。它是流变研究的核心，以及如何对压力作出反应的复杂问题。有几种液体可用：纯，混合物，分散体和溶液配合成简单或结构化的流体。如果暴露于压力，每个系统都有自己独特的行动。通常，当含量具有均匀的相时，它被称为简单的流体，例如溶液或纯物质。具有多相的材料，例如分散体，不混溶的液体的乳液是结构的流体，因为流变行为受组分的相互作用。结构化流体行为受许多因素的影响。分散体的流体相的粘度通常在材料的助焊剂性质中起着重要作用。分散体提供了在持续相中的输出中的大变化，其中颗粒基于粒度，形状，浓度和任何吸引力悬浮。如果颗粒之间的静电力是排斥的，则它们看起来不容易沉降而​​不是创建网络系统，如果不受干扰，那么将稳定悬浮液。 The flowing behavior of fluids due to these factors is normally identified either as a Newtonian or a non-Newtonian fluid [4，5］.

在某些悬浮液中由剪切通量产生的剪切应力与线性剪切强度不匹配。在剪切应力与剪切速率不正常成比例的情况下，粘度的幅度不再是固定值，并且是剪切速率的函数，称为表观粘度，并且流体是非牛顿流体。非牛顿流体行为可以取决于时间。非牛顿流体时间依赖性被定义为（触变性）。另一方面，独立于多余的助熔剂被分类为稀释流体（假置成形术）和增稠液（膨胀液）。［5，6］.

剪切增稠流体(STFs)是一种非牛顿流体，根据英国标准流变学术语，它的定义是通过增加剪切速率来提高粘度[7］.STF是一种黏度上升的胶体流体悬浮液，其剪切速率大于某一临界点。胶体通常表明一种双组分结构的分散相，它是分散相中很小的一部分，光学显微镜很难轻易检测到，并且有其他的力量影响它的运动。剪切增稠流体通常在低剪切或剪切应力下具有剪切减薄的作用。当剪切应力升高时，STFs的黏度增加，并从剪切减薄区向剪切增厚区逐渐或直接转移。STFs粘度的突然上升称为STFs的不连续增稠。粘度的变化是可逆的，也就是说，如果材料的切应力减小，粘度会自动继续减小[8，9］.

对于主要研究其化学和结构基础的科学家来说，剪切增厚现象的原因是重要的研究领域。1885年，奥斯本·雷诺兹首次讨论了含有固体悬浮物的膨胀特性。他说，当静止时，凝结的悬浮液中的空隙体积很小，溶液只足以填补这些空隙。当施加较低的剪切水平时，液体可以使一个分子通过另一个分子。剪切增稠在早期研究中被确定为黏度随剪切增加而增加，在Hoffman报告之前，稠密的胶体颗粒悬浮液在临界剪切速率下实际上显示出黏度的不连续跳跃[10］.

“有序-无序转变”(ODT)是有序粒子向破碎粒子的转变[11］.水动力团簇理论提出了剪切致密化的另一种理论，它导致了颗粒团簇的形成。如果由于突然碰撞的能量超过了粒子之间的斥力而导致突然临界剪切速率，STF中的粒子结合在一起形成水簇[12］.

在最近的研究中，提出了一种新的假设，即接触流变学假设，以及液化群理论。对于胶体颗粒在升高的剪切频率下彼此接触的增厚阶段，接触力变得更强。联系网络具有抵抗施加的剪切力的能力，借助于这一点，悬浮液引入粘度生长和产量应力的发育。此时，应该注意的是，粘度升高的关键贡献源于颗粒触点而不是流体动力学相互作用，并且以粒子吸引仅引起接触网络形成的方式源于流体动力学相互作用;这些膨胀的分支样结构免于剪切。［13］.

STF由液体载体和刚性胶体粒子组成。通常观察到的玉米淀粉(一种亲水颗粒)在水中形成的剪切就是一个常见的例子。然而，研究工作集中在其他可行的工业颗粒，如胶体二氧化硅，而聚乙二醇是最常用的载体材料。为了增稠，颗粒在液体中保持高浓度(最大值。55 - 65%体积)。剪切增厚的真实特征取决于悬浮相的物理参数:颗粒的比例、粒径和分布、颗粒结构和悬浮相。大多数载体液如水、乙二醇(EG)和聚乙二醇(PEG)通常被使用。然而，由于其高稳定性、低沸点和可燃性，PEG是STF中最常用的流体载体。［14，15］.

科学家们一直专注于胶体分散体，他们已经研究了几十年来在各种行业，陶瓷，食品，雕塑，纸浆和纸矿物海流，绝缘，硬化塑料和包装弹性体中进行了几十年来进行异常的助焊剂活动。实际上，需要开发使用胶体悬浮液的新应用源于纳米技术发育和纳米复合材料的生长。

本研究的一般目的是研究两种制备的STFs的胶体粒子浓度对流变学的影响，以了解在微观尺度上的差异增厚现象。该研究将开发不同的STF多体系:一种是由二氧化硅和聚乙二醇组成，另一种是淀粉和水。本研究将对制备的STFs的性能进行初步比较，同时比较其流变性、粒径、zeta电位和粒子的SEM图像。所获得的结果将使STF应用程序的设计者根据流体的最终特性选择合适的流体系统。

2.材料和实验方法

２.１.材料

从EVONIK Industries Corporation购买的纳米级亲水(Aerosil 200)气相二氧化硅颗粒是用于制备STF 1号的固体颗粒。所用二氧化硅的比表面积为200 m²/g，硅含量> 99.8% [16］.聚乙二醇（Bioultra 400）购自Sigma-Aldrich公司。它是用于制备第一个用二氧化硅的第一个STF的载体液体。由于其低挥发性，热稳定性，无毒性和H键效率，选择PEG作为溶剂。使用的聚乙二醇（PEG）的平均分子量为380-420克/摩尔和20μC的粘度为120mPa [17］.商用食品级玉米淀粉用于制备由蒸馏水和淀粉组成的第二STF。一般来说，淀粉是一种大分子，其分子式为C₂₇H₄₈O_20.分子量为692.65802克/摩尔[18］.

２.２.实验工作

试验涉及多体系STF的制备，由二氧化硅与聚乙二醇和淀粉与水组成，每种填料浓度为10、20和30%。制备的STF样品将在相似的条件下制备，以便进行公平比较。准备的描述算法进行使用SEM、粒度检测和使用Zetasizer纳米z电动电势测试设备从莫尔文Panalytical公司调查使用硅纳米粒子的平均粒径和淀粉和分散粒子的稳定的媒介载体,分别。由于粒子之间的排斥力，高zeta电位的胶体被电稳定，低zeta电位的胶体似乎凝结。为了了解样品在剪切速率下的整体性能，我们使用范恩仪器公司购买的同心圆筒35A型粘度计进行流变性表征。气相二氧化硅在聚乙二醇中和淀粉在水中的混合使用Konmixchina公司的实验室均质器(KRH-II)，在高转速下调整3小时，使颗粒均匀分散到其载体流体中。用不同重量的填料组成的制备样品在10、20和30%重量比的浓度下固定，用于流变试验。流变试验的最终结果用对数图说明了粘度范围与应用的剪切速率的变化。

3。结果与讨论

结果涵盖了输出的微观结构和流变学表征，制备的STF尽可能全面。

3.1。粒度测定

使用动态光散射(DLS)技术操作的Zetasizer Nano ZS来测定所使用的气相沉积二氧化硅纳米颗粒和淀粉的平均粒径。在DLS实验中使用的粒子浓度足够低，以排除浓度对测量的任何可能的影响。气相氧化硅纳米颗粒和淀粉粉的尺寸分布如图所示1和2， 分别。使用（Hihelscher UP400S超声技术，24kHz）的每种形式的超声波散射颗粒最多70％在水介质中分散在分析研究之前3小时，以提高粒子分散和均匀性。

纳米型气相二氧化硅样品的输出数据在特定尺寸内的颗粒的强度或百分比中获得。因为它在图中看到1，烟雾二氧化硅颗粒的84.5％的尺寸具有16.49nm的平均尺寸。89％淀粉颗粒的平均尺寸确定为303.7nm，如图所示2．两种填充材料(气相硅胶和淀粉)显示不同的颗粒大小，这是STF整体性能的主要因素。淀粉颗粒比二氧化硅大，颗粒间更易发生碰撞，大颗粒阻碍颗粒的运动，在高剪切速率下迅速形成更大的团聚，粘度比小颗粒更容易增加，小颗粒需要更多的时间聚集并形成大团簇。

３．２．ζ电位分析

ζ电位是测定胶体分散体稳定性的一个重要值。因此，用Zetasizer Nano ZS对二氧化硅和淀粉进行了zeta电位分析。结果表明，淀粉的zeta电位(22.6 mV)高于硅(−12.8 mV)，如图所示3.和4， 分别。这表明淀粉胶体系统静电更稳定，而具有低Zeta电位的二氧化硅胶体显示出较少稳定的胶体系统。这是由于颗粒之间的排斥静电力，使得胶体长时间保持稳定。

3.3。扫描电子显微镜（SEM）

用扫描电子显微镜（SEM）研究了二氧化硅和淀粉微观结构和表面形态。粉末形式中的粒度和形状可以不同于液体悬浮液中的尺寸和形状，因为由于静态附聚物，它们倾向于粉末形式较大，而在液体悬浮液中，颗粒非常超声处理以分解任何聚集并因此显示精确的尺寸测量。数字5分别在500倍和1000倍显微镜下显示了二氧化硅和淀粉作为粉末颗粒的SEM显微照片。虽然粒度分析仪说淀粉颗粒比硅颗粒大，但从图上看可能是错误的5硅颗粒更大，这是假的。这只是由于测试前二氧化硅颗粒的一些结块。图像显示，二氧化硅和淀粉的形状因子没有显著差异，几乎都是球形。因此，在这种情况下，两个系统的最终行为将不依赖于形状效应，因为两个粒子的形状几乎相似。

3．4．流变特性

研究了在PEG 400克/摩尔和水中的商业淀粉中具有不同浓度二氧化硅的STFS的流变性质。二氧化硅和淀粉浓度在10-30％的重量之间为载流体的重量。使用由模型35A-R1B2操作的旋转流变仪进行测量。通过RPM刻度的各个变化记录风扇读数，然后绘制粘度以防止剪切速率。

流变测量试验有助于确定二氧化硅和淀粉浓度在其载体流体中的影响。STF的粘度表示具有提高填料浓度的上升模式。根据制备的STF中使用的填充浓度，绘制填料浓度为10％至30重量％的所有STF的粘度变化。施加到纯PEG和液态水的剪切速率不会改变其粘度，因为它们是纯形式的牛顿液。另一方面，STF的粘度曲线通过将气相二氧化硅和淀粉作为填料的纳米颗粒掺入纳米颗粒来证明特征剪切增稠的行为。临界剪切速率（CRS）表征该剪切增厚区域的开始。该值在抗冲击应用中是必不可少的，以确定操作范围。

图6和7用对数图显示了黏度随剪切速率变化的变化，并表明当颗粒质量分数从10 wt%增加到30 wt%时，所有STFs都发生了剪切增厚。在低剪切速率时，STFs首先表现为剪切变薄，在达到临界剪切速率后出现剪切增厚区。这个剪切速率值称为临界剪切速率。随着颗粒浓度的增加，增厚效果开始显著增强，使剪切增厚现象更容易观察到。从粘度急剧增加的曲线可以明显看出这一点。表列出了用聚乙二醇400制备的所有STFs的临界剪切速率、临界剪切速率下的粘度和最大粘度1，而那些在桌子里淀粉的淀粉2．达到达到的最高粘度值，用于二氧化硅30％至178.9Pa S和临界剪切速率值为10.5S-1。该STF通过剪切增稠区域的粘度的上升为17.87至178.9 pa。

桌子2结果表明，淀粉和水制备的STFs均具有剪切增稠行为。30%淀粉粘度最高达到523.6 Pa s，临界剪切速率为10.5 s−1。在剪切增厚区域内，该STF的粘度从23.5 Pa跳到523.6 Pa s。临界粘度受淀粉颗粒质量分数的影响不大，但随着淀粉颗粒质量分数的增加，最大粘度增大，在淀粉颗粒质量分数为30%时最大。

随着填料颗粒的浓度增加，颗粒之间的距离降低，颗粒摩擦增加，产生了生长的液体插击器，导致剪切增厚效果升高。因此，在这种高剪切速率下，直接形成小且紧凑的聚集体，并且根本不会发生分解或重组。可能的解释是，在非常高的剪切速率下，流速的分布更均匀（混合体积不同部分的剪切速率较小）比在低剪切速率下，并且不允许聚集体足够大受到分手[19］.粘度的突然上升伴随着第二次剪切变薄，这显示了STF的可逆行为。系统进入一个粘度平台，直到发生壁面滑移并注意到较低的粘度值。由于剪切和诱导蠕变的升高，一些破碎的团聚体分离，使粘度水平降至较低的水平，从而使流体的性能再次受到控制，从而导致了壁面滑移。正如引言中提到的，在低剪切速率的情况下，粒子在有组织的晶格中组织自己，这首先转换了STF的细化行为。剪切速率的突然增加克服了稳定分散粒子的静电电荷，导致粒子在非常有限的区域堆积，形成团簇，使流体粘度急剧增加到更高的值。

4。结论

本研究旨在开发剪切增稠流体(STF)的行为，以提高能量吸收应用的性能。STF的优越性能回到了它的定义它是一种非牛顿流体由胶体分散的颗粒在载体流体中有最终的粘度增加在高意外剪切水平的情况下作为固体基质，当达到满载并在消除负载后返回液体状态时。在本研究中，气相二氧化硅纳米颗粒分散在400 g/mol的聚乙二醇和水中的商业淀粉中，以识别随着填料含量浓度按重量增加10%至30%，STF行为的改善。

表征实验结果表明，本研究中使用的淀粉颗粒粒径比16.49 nm的二氧化硅大303.7 nm，在高剪切速率下容易发生颗粒间的碰撞，快速形成更大的团聚，阻碍颗粒的运动。通过对二氧化硅和淀粉颗粒的Zeta电位分析，发现淀粉颗粒表面的Zeta电位(22.6 mV)高于二氧化硅(−12.8 mV)，从而使分散颗粒在载体介质中更加稳定。因此，颗粒在流体中的分布更加均匀，在整个流体中具有更好的性能。SEM图像显示了更清晰的微观结构，颗粒呈类似球形，但没有很大的意义，可能会影响流体系统的最终行为。为了记录其粘度在高剪切速率下的最终上升，以及填充含量浓度为10 - 30%时对这一变化的影响，已经用应力调节旋转流变仪研究了STFs的流变特性。所有stf都具有剪切增稠功能，即随剪切应力和剪切速率的增加而增加粘度。随着填充颗粒质量的增加，剪切增厚的规模增大。结果表明，在淀粉浓度较高的STFs中，剪切增稠区粘度上升幅度较大。流变学测试表明，在剪切速率相近的情况下，淀粉/水体系的最大粘度几乎是二氧化硅/聚乙二醇的2.5倍。当淀粉含量为30%时，淀粉和水的最大有效粘度为523.6 Pa s，而当二氧化硅和聚乙二醇含量为30%时，最大有效粘度为178.9 Pa s。 The results showed the superior performance for STFs, especially starch/water STF, in showing a viscosity rise when sudden shear rate is applied opening the door for wide range of applications concerned with energy absorption, damping, and flexible personal protection.

数据可用性

用于支持本研究结果的数据包括在文章中。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者非常感谢英国埃及大学(BUE)先进材料中心(CAM)的支持。

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