The role of glycerol derivative in a preparation of shear thickening fluids for liquid armour applications

• Autorzy: Idźkowska A. , Szafran M.

Warianty tytułu

PL

Rola pochodnej glicerolu w otrzymywaniu cieczy zagęszczanych ścinaniem do zastosowań specjalnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper, the influence of a glycerol derivative (glycerol monoacrylate) synthesized by the authors on the dilatants effect of shear thickening fluid was investigated. It was assumed that the monomer synthesized from acrylic acid and glycidol, owing to the presence of two hydroxyl groups, allows one to enhance the dilatant effect of the investigated slurries by creating a three-dimensional network between the powder particle and dispersing agent. The dilatant effect was examined with respect to the solid loading and molecular weight of the dispersing agent. As the ceramic powder, a nanosilica with an average particle size of 14 nm was used. Poly (propylene glycol) of a molecular weight of 400 and 725 g/mol played the role of dispersant. The solid loading was changed from 12 to 15 vol.%. The measurements showed that by applying even a small amount of glycerol monoacrylate (0.5 wt.%), it was possible to enhance the dilatant effect of the investigated slurries. It was also observed that by increasing the solid loading and/or using a poly (propylene glycol) of a higher molecular weight, it was possible to increase the critical viscosity even threefold. Furthermore, the rheological properties of the slurry return to the initial state when the external force ceases. The influence of temperature and quantity of impacts also were investigated. The measurements showed that by increasing the temperature of the shear thickening fluid from room temperature to human body temperature, resulted in a decreased dilatant effect of the slurry. However, the onset of shear thickening and critical shear rate shifted to higher values of shear rate. Moreover, widening of the dilatant jump was observed. Similar results were obtained as a result of the using the fluid several times. The studies have shown that with each successive impact, the dilitant effect decreases.

PL

W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących wpływu pochodnej glicerolu (monoakrylanu glicerolu) na właściwości zagęszczania ścinaniem cieczy opartych na nanokrzemionce S fumed silica o średniej wielkości ziarna 14 nm. Monoakrylan glicerolu został zsyntezowany przez autorów w jednoetapowej reakcji kwasu akrylowego z glicydolem. Jako produkty reakcji otrzymano dwa izomery: akrylan 2,3 dihydroksypropylu oraz akrylan 1,3 dihydroksypropylu w stosunku wagowym 70:30. Założono, że obecność dwóch grup hydroksylowych w cząsteczce monoakrylanu glicerolu, jak również możliwość tworzenia wiązań wodorowych pomiędzy grupami -OH polimeru może pozytywnie wpływać na skok dylatancyjny badanych zawiesin. Efekt dylatacji badano zarówno pod względem masy molowej cieczy dyspergującej, jak i stężenia fazy stałej. Jako ciecz dyspergującą zastosowano glikol polipropylenowy o masie molowej 400 i 725 g/mol. Stężenie fazy stałej zmieniało się w zakresie 12-15% obj. Wyniki badań pokazały, że dodatek nawet niewielkiej ilości monoakrylanu glicerolu (0,5% wag.) pozytywnie wpływa na wzrost efektu zagęszczania ścinaniem. Zaobserwowano również, iż wzrost stężenia fazy stałej i/lub zastosowanie glikolu polipropylenowego o wyższej masie molowej skutkuje nawet trzykrotnym wzrostem maksimum zagęszczania ścinaniem. Co więcej, proces ten jest odwracalny. Oznacza to, że badany monomer nie tworzy trwałych wiązań z proszkiem ceramicznym i cieczą dyspergującą. W pracy zbadano również wpływ temperatury i ilości pomiarów na efekt zagęszczania ścinaniem. Badania pokazały, że wzrost temperatury negatywnie wpływa na wysokość skoku dylatancyjnego. Podwyższenie temperatury zawiesiny (25,0°C) do temperatury ciała człowieka (36,6°C) znacznie obniżyło maksimum zagęszczania ścinaniem, jednakże skok był przesunięty w stronę wyższych szybkości ścinania. Zaobserwowano również znaczne wydłużenie skoku dylatancyjnego. Podobne rezultaty uzyskano w wyniku kilkukrotnego użycia cieczy. Badania pokazały, że wraz ze wzrostem ilości penetracji maleje efekt zagęszczania ścinaniem.

Słowa kluczowe

EN

shear thickening fluids; nanosilica; glycerol monoacrylate; dilatant effect; poly(propylene glycol)

PL

ciecze zagęszczane ścinaniem; nanokrzemionka; monoakrylan glicerolu; efekt dylatancji; glikol polipropylenowy

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 14, nr 1
• Strony: 13--17
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys.

Twórcy

autor

Idźkowska A.

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

autor

Szafran M.

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

Bibliografia

• [1] Barnes H.A., Bebington W., Shear thickening (“dilatancy”) in suspensions of nonaggregating solid particles dispersed in Newtonian liquids, J. Rheol. 1989, 33, 329-366.
• [2] Galindo-Rosales F.J., Rubio-Hernández F.J., Velázquez-Navarro J.F., Shearthickening behavior of Aerosil®R816 nanoparticles suspensions in polar organic liquids, Rheol. Acta 2009, 48, 699-708.
• [3] Hoffman R.L., Discontinuous and dilatant viscosity behavior in concentrated suspensions. II. Theory and experimental tests, J. Colloid Interface Sci. 1974, 46, 491-506.
• [4] Boersma W.H., Laven J., Stein H.N., Viscoelastic properties of concentrated shear-thickening dispersion, J. Colloid Interface Sci. 1992, 149, 10-22.
• [5] Bossis G, Brady J.F., The rheology of Brownian suspensions, J. Chem. Phys. 1989, 91, 1866-1874.
• [6] Foss D.R., Brady J.F., Structure, diffusion and rheology of Brownian suspensions by stokesian dynamics simulation, J. Fluid Mech. 2000, 407, 167-200.
• [7] Kamibayashi M., Ogura H., Otsubo Y., Shear thickening flow of nanoparticle suspensions flocculated by polymer bridging, J. Colloid Interface Sci.2008, 321, 294-301.
• [8] Zaman A.A., Effect of polyethylene oxide on the viscosity of dispersions of charged silica particles interplay between rheology, adsorption, and surface charge, Colloid Polym. Sci. 2000, 278, 1187-1197.
• [9] Hoffman R.L., Discontinuous and dilatant viscosity behavior in concentrated suspensions, observation of a flow instability, Trans. Soc. Rheol. 1972, 16, 155-173.
• [10] Farr R.S., Melrose J.R., Ball R.C., Kinetic theory of jamming in hardsphere startup flows, Phys. Rev. E 1997, 55, 7203-7211.
• [11] Horn R., Surface forces and their action in ceramic materials, J. Am Ceram. Soc. 1990, 73, 1117-1135.
• [12] Jenkins P., Snowden M., Depletion flocculation in colloidal dispersions, Adv. Colloid Interface Sci. 1996, 68, 57-96.