Shear thickening ceramic-polymer composite

• Autorzy: Żurowski R. , Antosik A. , Głuszek M. , Szafran M.

Warianty tytułu

PL

Materiały kompozytowe ceramika-polimer zagęszczane ścinaniem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Shear thickening fluids (STF), which are included in non-Newtonian fluids, are a good example of innovative ceramic-polymer composites. Their characteristic feature is that the viscosity increases with an increase in shear rate. The energy is dissipated during the impact due to the increasing resistance of STF. This is the reason why STF are so promising for applications protecting the human body. Body armours based on STF, because of their elasticity in comparison to conventional counterparts, proved to be more comfortable. This work is devoted to the development of a new composition of STF with the highest dilatant effect. Based on our research on STF, it was shown that the higher the dilatant effect is, the more energy is absorbed during the impact. In this case, four different systems were prepared in which the main component of the solid phase was submicron silica powders KE-P10 (particle size 100÷200 nm) or KE-P50 (particle size 500÷600 nm). In all the prepared systems, the carrier fluid was poly(propylene glycol) with a molecular weight of 2000 g/mol (PPG 2000). The rheological properties of the systems were determined. The influence of the solid phase concentration, size of the particles and the temperature on the dilatant effect properties were examined. Rheological stability in time was also presented in this paper for certain compositions. The most satisfying results were achieved by the systems with KE-P10 in the amount of 60 volume percent. The dilatant effect at the temperature of 25°C reached 11 243 Pa·s, while the beginning of shear thickening was observed at the shear rate of 0.88 s-1. What is worth mentioning is that the obtained results are repeatable in different time intervals, meaning that the investigated fluid is rheologically stable in time. Despite the drop in the dilatant effect by 70% at higher temperatures, the dilatant effect remained on a high level of 3000 Pa·s. Regarding the obtained results, we can assume that body armour based on the ceramic-polymer composite would be suitable for protection even at higher temperatures.

PL

Ciecze zagęszczane ścinaniem (STF), będące przykładem innowacyjnego kompozytu ceramika-polimer, zaliczane są do grupy płynów nienewtonowskich. Charakterystyczną dla STF cechą jest skokowy wzrost wartości lepkości wraz ze wzrostem wartości naprężeń lub sił ścinających. W przypadku uderzenia usztywniają się, dzięki czemu energia uderzenia jest częściowo rozpraszana. Nagły opór stawiany w momencie przyłożenia siły przez tego rodzaju zawiesiny stwarza możliwość ich szerokiego zastosowania przy produkcji systemów przeznaczonych do ochrony ciała człowieka. Pancerze bazujące na STF, ze względu na większą elastyczność (w porównaniu do swych konwencjonalnych odpowiedników), zapewniałyby wyższy komfort użytkowania oraz możliwość ochrony większej powierzchni ciała. W artykule przedstawiono wyniki badań mających na celu opracowanie nowego składu cieczy zagęszczanej ścinaniem, która charakteryzowałaby się możliwie najwyższymi skokami lepkości. Wstępne badania w zakresie otrzymywania cieczy zagęszczanych ścinaniem wskazują, iż układy wykazujące duży efekt dylatancji odznaczają się również wysokim stopniem absorpcji energii towarzyszącej uderzeniu. W oparciu o syntetyczne krzemionki o submikronowej wielkości cząstek: KE-P10 (wielkość ziarna 100÷200 nm) oraz KE-P50 (wielkość ziarna 500÷600 nm), stanowiące główny składnik fazy stałej, przygotowano cztery różne układy wykazujące efekt zagęszczania ścinaniem. We wszystkich omawianych przypadkach jako ciecz dyspergującą zastosowano poli(glikol propylenowy) o masie molowej wynoszącej 2 000 g/mol. Otrzymane ciecze poddano badaniom reologicznym. Zbadano wpływ stężenia fazy stałej, wielkości ziarna krzemionki oraz podwyższonej temperatury na właściwości dylatancyjne przygotowanych zawiesin. W artykule przedstawiono również wyniki badań stabilności parametrów reologicznych w czasie dla wybranych składów. Najlepsze rezultaty uzyskano dla cieczy, której fazę stałą stanowiła krzemionka KE-P10 w ilości 60% objętościowych. W tym przypadku wartość skoku lepkości (mierzona w temperaturze 25°C) wyniosła 11 243 Pa·s, a początek zagęszczania ścinaniem zaobserwowano przy szybkości ścinania równej 0,88 s-1. Warto zaznaczyć, że wynik ten jest powtarzalny w różnych odstępach czasowych, co pozwala stwierdzić, iż opracowana ciecz jest reologicznie stabilna w czasie. W podwyższonej temperaturze - 36,6°C odnotowano spadek efektu zagęszczania ścinaniem o ponad 70%. Mimo to skok lepkości pozostał na bardzo wysokim poziomie - lepkość cieczy wzrosła niemal o 3 000 Pa·s. W związku z tak obiecującymi wynikami badań z dużym prawdopodobieństwem można stwierdzić, iż ochraniacze oparte na omawianym ceramiczno-polimerowym kompozycie należycie spełniałyby funkcje protekcyjne również w podwyższonej temperaturze.

Słowa kluczowe

EN

STF; shear thickening fluids; silica; dilatant effect; poly(propylene glycol); protective materials

PL

ciecze zagęszczane ścinaniem; krzemionka; skok lepkości; glikol polipropylenowy; materiały protekcyjne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 15, nr 4
• Strony: 255--258
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Żurowski R.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, Department of Chemical Technology, ul. Noakowskiego 3, 00-664 Warsaw, Poland

autor

Antosik A.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, Department of Chemical Technology, ul. Noakowskiego 3, 00-664 Warsaw, Poland

autor

Głuszek M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, Department of Chemical Technology, ul. Noakowskiego 3, 00-664 Warsaw, Poland

autor

Szafran M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, Department of Chemical Technology, ul. Noakowskiego 3, 00-664 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Dziubiński M., Kiljański T., Sęk J., Podstawy reologii i reometrii płynów, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2009
• [2] Decker M.J., Halbach C.J., Nama C.H., Wagner N.J., Wetzel E.D., Stab resistance of shear thickening fluid (STF)-treated fabrics, Composites Science and Technology 2007, 67, 565-578.
• [3] Wagner N.J., Brady J.F., Shear thickening in colloidal dispersions, Physics Today 2009, 62, 27-32.
• [4] Wierzbicki Ł., Danelska A., Olszewska K., Tryznowski M., Zielińska D., Kucińska I., Szafran M., Leonowicz M., Shear thickening fluids based on nanosized silica suspensions for advanced body armour, Composites Theory and Practice 2013, 4, 241-244.
• [5] Soutrenon M., Michaud V., Impact properties of shear thickening fluid impregnated foams, Smart Materials and Structures 2014, 23, 035022.
• [6] Hoffman R.L., Discontinuous and dilatant viscosity behavior in concentrated suspensions, observation of a flow instabilit, Journal of Rheology 1972, 16, 155-173
• [7] Bender J., Wagner N.J., Reversible shear thickening in monodisperse and bidisperse colloidal dispersions, Journal of Rheology 1996, 40, 899-916.
• [8] Kamibayashi M., Ogura H., Otsubo Y., Shear-thickening flow of nanoparticle suspensions flocculated by polymer bridging, Journal of Colloid and Interface Science 2008, 321, 294-30.
• [9] Patent No.: US 7,226,878 B2.
• [10] Lee Y.S., Wetzel E.D., Wagner N.J., The ballistic impact characteristics of Kevlar® woven fabrics impregnated with a colloidal shear thickening fluid, Journal of Materials Science 2003, 38, 2825-2833.
• [11] Liang-Liang S., Dang-Sheng X., Cai-Yun X., Application of shear thickening fluid in ultra high molecular weight, polyethylene fabric, Journal of Applied Polymer Science 2013, 129, 1922-1928
• [12] Idźkowska A., Szafran M., The role of glycerin derivative in a preparation of shear thickening fluids for liquid armours applications, Composites Theory and Practice 2014, 1, 13-17.
• [13] Raghavan S.R., Khan S.A., Shear-thickening response of fumed silica suspensions under steady and oscillatory shear, Journal of Colloid and Interface Science 1997, 185, 57-67.
• [14] Jiang W., Sun Y., Xu Y., Peng C., Gong X., Zhang Z., Shear-thickening behavior of polymethylmethacrylate particles suspensions in glycerine-water mixtures, Rheologica Acta 2010, 49, 1157-1163.
• [15] Tian T., Peng G., Li W., Ding J., Nakano M., Experimental and modelling study of the effect of temperature on shear thickening fluids, Korea-Australia Rheology Journal 2015, 27, 1, 17-24.