Application of halloysite in fabrication of composite materials for energy absorption

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

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie haloizytu w otrzymywaniu materiałów kompozytowych do absorpcji energii

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This work is devoted to the development of the composition as well as analysis of the rheological properties of shear thickening fluids (STF) based on pure halloysite (mineral from aluminosilicates group; H) and silica (SF14) doped halloysite dispersed in various organic liquids. The objective of this study was to form an intelligent composite using aluminosilicate tubes to dissipate energy and verify the applicability of the final suspensions to produce liquid armor. Halloysite is considered cheaper and more environmental friendly than pure SiO2 for STF production. Herein, we present studies concerning the effects of the molecular weight of poly(propylene glycol) (PPG) and modified aluminosilicate by mixing in ethanol with a carrier fluid. We also report that the fabrication of STF with silica doped halloysite leads to novel organic/inorganic composite materials with unprecedented protection properties. By analyzing the results obtained from the study, it was concluded that the liquids with modified halloysite as a dopant of 1, 3, 5 and 10 vol.% solid phase had a higher viscosity than the reference liquid based only on nanosilica. The fluid with the most favorable rheological properties is the slurry based on nanosilica with 1 vol.% halloysite (previously mixed with EtOH and PPG 725) dispersed in a poly(propylene glycol) of 725 g/mol molecular weight. The maximum shear thickening value of this liquid equaled 557 Pa·s at a shear rate of 7.8 s‒1. In the final step of the research, a knife penetration resistance test was performed. It was observed that the protective properties of p-aramid fabrics interleaved with STF based on pure SF14 powder and doped with halloysite are comparable. Thus, synthetic nanosilica can be partially replaced.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań nad opracowaniem składu cieczy zagęszczanych ścinaniem na bazie haloizytu (minerału z grupy glinokrzemianów; H) i krzemionki (SF14) domieszkowanej haloizytem zdyspergowanych w wybranych cieczach organicznych oraz ich charakterystykę reologiczną. Głównym celem badań było otrzymanie inteligentnego kompozytu, który wykorzystywałby częściowo rurkowy kształt cząstki haloizytu do rozpraszania energii, oraz sprawdzenie możliwości wdrożenia uzyskanych zawiesin do produkcji materiałów absorbujących energię, np. ciekłych pancerzy. Powszechnie jako fazę stałą stosuje się syntetyczną i drogą krzemionkę. Z uwagi na aspekt ekonomiczny i ekologiczny autorzy dokonali próby zastąpienia SiO2 naturalnym glinokrzemianem, którego zasoby w Polsce oceniane są na około 10÷12 mln ton. W pracy przedstawiono wpływ masy molowej glikolu polipropylenowego (PPG) stosowanego jako dyspergent oraz modyfikacji powierzchni ziaren fazy stałej poprzez mieszanie z etanolem i PPG na właściwości reologiczne zawiesin. Artykuł zawiera również wyniki badań nad otrzymaniem cieczy zagęszczanych ścinaniem na bazie nanokrzemionki z udziałem haloizytu jako domieszki do opracowania materiału kompozytowego do ochrony ciała człowieka. Analizując otrzymane rezultaty, stwierdzono, iż ciecze z dodatkiem 1, 3, 5 i 10% obj. modyfikowanego haloizytu charakteryzowały się wyższymi lepkościami niż próbka referencyjna oparta tylko na SiO2. Najlepsze właściwości reologiczne wykazuje zawiesina z dodatkiem 1%obj. glinokrzemianu (wcześniej poddanego procesowi modyfikacji powierzchni) zdyspergowanego w glikolu polipropylenowym o masie molowej 725 g/mol (PPG 725). Maksimum zagęszczania ścinaniem tej zawiesiny wynosiło 557 Pa·s przy szybkości ścinania 7,8 s‒1. W ostatniej fazie badań przeprowadzono testy odporności na uderzenia ostrzem. Zaobserwowano, iż materiały kompozytowe na bazie mat z włókien p-aramidowych przekładanych cieczami zagęszczanymi ścinaniem zarówno z SF14, jak i krzemionką z dodatkiem glinokrzemianu zapewniają porównywalne funkcje protekcyjne. Wykazano zatem, że syntetyczna nanokrzemionka może być częściowo zastąpiona haloizytem.

Słowa kluczowe

EN

STF; shear thickening fluids; viscosity; halloysite; nanosilica; poly(propylene glycol); energy absorption; ceramic-polymer composites

PL

ciecze zagęszczane ścinaniem; lepkość; haloizyt; nanokrzemionka; glikol polipropylenowy; absorpcja energii; kompozyty ceramiczno-polimerowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 15, nr 2
• Strony: 61--65
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Głuszek M.

• 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

Żurowski R.

• 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] Kwolek S., Mera H., Takata T. High-Performance Fibers Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim 2002.
• [2] US 3819587 A., Wholly aromatic carbocyclic polycarbonamide fiber having orientation angle of less than about 45.
• [3] Tan V.B.C., Tay T.E., Teo W.K., Strengthening fabric armour with silica colloidal suspensions, International Journal of Solids and Structures 2005, 42, 1561-1576.
• [4] Hoffman R.L., Discontinuous and dilatant viscosity behavior in concentrated suspensions, Observation of a Flow Instability, Transactions of the Society of Rheology 1972, 16, 155-173.
• [5] Bender J., Wagner N.J., Reversible shear thickening in monodisperse and bidisperse colloidal dispersions, Journal of Rheology 1996, 40, 899-916.
• [6] Kamibayashi M., Ogura H., Otsubo Y., Shear-thickening flow of nanoparticle suspensions flocculated by polymer bridging, Journal of Colloid and Interface Science 2008, 321, 294-330.
• [7] 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.
• [8] Brown E., Jaeger H.M., Shear thickening in concentrated suspensions: phenomenology, mechanisms and relations to jamming, Reports on Progress in Physics 2014 Apr. 77(4), ID 046602.
• [9] Soutrenon M., Michaud V., Impact properties of STF impregnated foams, Smart Materials and Structures 2014, 23.