The influence of nano-SiO2 particle size on dilatant effect of shear thickening fluids

• Autorzy: Idźkowska A. , Szafran M.

Warianty tytułu

PL

Wpływ wielkości cząstek nano-SiO2 na właściwości reologiczne cieczy zagęszczanych ścinaniem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Recently, the shear thickening phenomenon has drawn the attention of many researchers. The ability of shear thickening fluid to resist operative force creates a possibility of applying this kind of material wherever there is a necessity to dampen and disperse energy. Therefore, dilatant slurries have found their application in dampers, devices that protect buildings against seismic shocks or military applications in so called “liquid armor”. A great deal of research has focused on investigation of the mechanism and influence of parameters such as volume fraction, polydispersity and medium viscosity of the dilatant effect, however, some fields are still unexplored. In this work, the influence of nanosilica particle size on the dilatant effect of shear thickening fluids was investigated. For the tests, nanosilica with diameters of 7 and 200 nm was chosen. The suspension was prepared by dispersing the nanosilica into poly (propylene glycol) of a molecular weight of 400 g/mol. The concentration of the ceramic powder varied from 12 to 30 vol.%. The influence of the particle size on the dilatant effect was observed by a rotational rheometer Kinexus Pro with a plate plate system. In this case, viscosity as a function of shear rate was measured. The shear rate increased from 1 to 1000 s −1. The measurement showed that the diameter of silica particles has a significant influence on the rheological properties of the investigated suspensions. With an increase in particle size the dilatant effect increases. However, its position is shifted to a lower shear rate. The maximum volume fraction and relative viscosity of the suspension also was examined. The measurements showed that with increasing particle size, the relative viscosity of the suspension decreases, which result in an increase in the maximum volume fraction of nano SiO2.

PL

Ciecze zagęszczane ścinaniem (dylatancyjne) należą do grupy płynów nienewtonowskich, charakteryzujących się wzrostem lepkości wraz ze wzrostem szybkości ścinania lub przyłożonego naprężenia ścinającego. Właściwość tych cieczy stanowi problem w wielu procesach technologicznych. Efekt zagęszczania ścinaniem utrudnia bowiem procesy mieszania i przepływu, powodując przeciążenia aparatury. W ostatnich latach wiele badań poświęcono wyjaśnieniu zarówno mechanizmu, jak i wpływu rożnych parametrów na zjawisko dylatancji. Możliwość lepszego zrozumienia efektu zagęszczania ścinaniem dała nowe spojrzenie na możliwości aplikacyjne danych zawiesin. Obecnie ciecze dylatancyjne znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie potrzebne jest stawianie oporu działającej sile. Przykładem może być tu odzież ochronna składająca się z tkanin balistycznych nasączonych płynem zagęszczanym ścinaniem, tłumiki czy też urządzenia chroniące budynki przed wstrząsami sejsmicznymi. Duże zainteresowanie skupia się także wokół tzw. ciekłych pancerzy. Pomimo wielu badań koncentrujących się wokół poznania czy też lepszego zrozumienia efektu dylatancji dalsza eksploracja tego zjawiska jest potrzebna. Wiele parametrów, takich jak wpływ stężenia fazy stałej, środka dyspergującego czy oddziaływań międzycząsteczkowych zostało zbadanych, jednakże wciąż istnieje znaczna ilość obszarów wymagająca dalszych testów. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań dotyczące wpływu wielkości ziarna na zjawisko dylatancji zawiesin ceramicznych opartych na nanokrzemionce. Średnia wielkość ziarna wynosiła odpowiednio 7 i 200 nm. Jako środek dyspergujący we wszystkich badań zastosowano glikol (polipropylenowy) o masie cząsteczkowej 400 g/mol. W celu zbadania wpływu wielkości ziarna na efekt dylatancji przygotowano zawiesiny o rożnym stężeniu fazy stałej (12, 15, 20, 25 i 30% obj.). Wszystkie ciecze były poddawane badaniom właściwości reologicznych (lepkości w funkcji ścinania). W tym celu wykorzystano reometr rotacyjny Kinexus Pro z układem płytka-płytka. Wyniki przeprowadzonych badań pokazały, że wielkość ziarna ma znaczący wpływ na początek i wartość skoku dylatancji. Ze wzrostem wielkości ziarna zaobserwowano znaczny wzrost skoku dylatancji badanej zawiesiny. Warto jednak zauważyć, że wartość szybkości ścinania, przy której skok ten występuje proporcjonalnie, maleje. W ramach pracy zbadano również wpływ wielkości ziarna na ilość proszku, jaką można załadować jednorazowo, zachowując przy tym odpowiednie właściwości badanych zawiesin. W tym przypadku najlepsze wyniki otrzymano, stosując nanokrzemionkę o średniej wielkości ziarna 200 nm.

Słowa kluczowe

EN

shear thickening fluids; nanosilica; particle size; dilatant effect; polypropylene glycol

PL

ciecze zagęszczane ścinaniem; nanokrzemionka; wielkość ziarna; efekt dylatancji; glikol polipropylenowy

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 13, nr 2
• Strony: 117--121
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Idźkowska A.

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

autor

Szafran M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, Inorganic Technology and Ceramics Department, 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., Shear-thickening behavior of Aerosil®R816 nanoparticles suspensions in polar organic liquids, Rheol. Acta 2009, 48, 699-708.
• [3] Laun H.M., Bung R., Hess S., Loose W., Hahn K., Hadicke E., Hingmann R., Schmidt F., Lindner P., Rheological and small angle neutron scattering investigation of shear-induced particle structures of concentrated polymer dispersions, J. Rheol. 1992, 36, 743-787.
• [4] Bender J., Wagner N.J., Reversible shear thickening in monodisperse and bidisperse colloidal dispersions, J. Rheol. 1996, 40, 899-915.
• [5] Maranzano B.J., Wagner N.J., The effects of interparticle interactions and particle size on reversible shear thickening: hard-sphere colloidal dispersions, J. Rheol. 2001, 45, 1205-1222.
• [6] Maranzano B.J., Wagner N.J., Flow-small angle neutron scattering measurements of colloidal dispersion microstructure evolution through the shear thickening transition, J. Chem. Phys. 2002, 117, 10291-10302.
• [7] D’Haene P., Mewis J., Fuller G.G., Scattering dichroism measurements of flow-induced structure of a shear thickening suspension, J. Colloid. Interface. Sci. 1993, 156, 350-358.
• [8] Bender J.W., Wagner N.J., Optical measurement of the contributions of colloidal forces to the rheology of concentrated suspensions, J. Colloid. Interface Sci. 1995, 172, 171-184.
• [9] Hoffman R.L., Discontinuous and dilatant viscosity behavior in concentrated suspensions. II. Theory and experimental tests, J. Colloid. Interface Sci. 1974, 46, 491-506.
• [10] Boersma W.H., Laven J., Stein H.N., Viscoelastic properties of concentrated shear-thickening dispersion, J. Colloid. Interface Sci. 1992, 149, 10-22.
• [11] Bossis G., Brady J.F., The rheology of Brownian suspensions, J. Chem. Phys. 1989, 91, 1866-1874.
• [12] Farr R.S., Melrose J.R., Ball R.C., Kinetic theory of jamming in hardsphere startup flows, Phys. Rev. E. 1997, 55, 7203-7211.
• [13] Foss D.R., Brady J.F., Structure, diffusion and rheology of Brownian suspensions by stokesian dynamics simulation, J. Fluid. Mech. 2000, 407, 167-200.
• [14] Catherall A.A., Melrose J.R., Shear thickening and order– disorder effects in concentrated colloids at high shear rates, J. Rheol. 2000, 44, 1-25.
• [15] Boersma W.H., Laven J., Stein H.N., Shear thickening (dilatancy) in concentrated dispersions, AIChE J. 1990, 36, 321-332.
• [16] Farr R.S., Melrose J.R., Ball R.C., Kinetic theory of jam ming in hard-sphere startup flows, Phys. Rev. E. 1997, 55, 7203-7211.
• [17] Silbert L.E., Melrose J.R., Ball R.C., A structural analysis of concentrated, aggregated colloids under flow, Mol. Phys. 1999, 96, 1667-1675.
• [18] Wagner N.J., Brady J.F., Shear thickening in colloidal dispersions, Phys. Today 2009, 62, 27-32.
• [19] Jiang W.Q., Sun Y.Q., Xu Y.L., Peng C., Gong X.L., Zhang Z., Shear-thickening behavior of polymethylmethacrylate particles suspensions in glycerine-water mixtures, Rheol. Acta 2010, 49, 1157-1163.
• [20] Genovese D.B., Shear rheology of hard-sphere, dispersed, and aggregated suspensions, and filler-matrix composites, Adv. Colloid. Interface Sci. 2012, 171-172, 1-16.