The effect of molecular weights of poly(propylene glycol) on rheological properties of shear thickening fluids

• Autorzy: Głuszek M. , Idźkowska A. , Szafran M.

Warianty tytułu

PL

Wpływ masy cząsteczkowej cieczy dyspergującej na właściwości reologiczne cieczy zagęszczanych ścinaniem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Ceramic polymer composites have great importance in many branches of industry. They are used, among the others in electronics, optoelectronics, plastics for the construction of nuclear reactors or spacecrafts. They also play an important role in the production of materials for the protection of the human body. These materials are formed of shear thickening fluids (STF), also referred to as dilatant fluids. They are non Newtonian liquids, which are characterized by an increase in viscosity as a function of shear rate. Materials and devices based on shear thickening fluids dissipate an energy associated to shocks, impacts and vibrations very well. This paper presents the results of research on the effects of a molecular weight of dispersing agent on the rheological properties of shear thickening fluids. In the first step, liquids with poly(propylene glycol) of a molecular weight of 400, 425 or 725 g/mol (used as a dispersing agent) were prepared. As a ceramic powder, a nanosilica with an average particle size of 14 nm was used. Concentration of the powder was 12 vol.% or 15 vol.%. In the second step of this study, the rheological properties of the prepared fluids were analysed at 25°C. The effects of the type of used glycol and the content of solid phase on the rheological properties were examined. More favorable results were obtained for the systems of 15% by volume of the solid phase. The influence of the temperature on therheological properties was also checked. Parallel measurements for systems with a poly(propylene glycol) of a molecular weight of 400, 425, 725 g/mol and a powder 12 vol.% at 37°C were conducted. The effects of the viscosity leap were lower but were received at higher shear rates.

PL

Kompozyty ceramiczno-polimerowe mają bardzo duże znaczenie w wielu gałęziach przemysłu. Znajdują zastosowanie m.in. w elektronice, optoelektronice, tworzywach do konstrukcji reaktorów jądrowych czy statków kosmicznych. Istotną rolę odgrywają również przy produkcji materiałów służących ochronie ciała człowieka. Takie materiały powstają na bazie płynów zagęszczanych ścinaniem, nazywanych również dylatancyjnymi. Są to ciecze nienewtonowskie, które charakteryzuje wzrost wartości lepkości ze wzrostem szybkości ścinania. Materiały i urządzenia oparte na zawiesinach zagęszczanych ścinaniem bardzo dobrze rozpraszają energię towarzyszącą wstrząsom, uderzeniom oraz drganiom. W ramach pracy przedstawiono wyniki badań nad wpływem masy cząsteczkowej cieczy dyspergującej na właściwości reologiczne płynów zagęszczanych ścinaniem. W pierwszym etapie przygotowano zawiesiny, w których jako dyspergent zastosowano poli(glikole propylenowe) o masie cząsteczkowej 400, 425 lub 725 g/mol. Fazę stałą stanowiła nanokrzemionka o średniej wielkości ziarna 14 nm. Stężenie proszku wynosiło odpowiednio 12% obj. i 15% obj. W drugiej fazie prac zbadano właściwości reologiczne przygotowanych cieczy w temperaturze 25°C. Sprawdzono, jaki wpływ na właściwości reologiczne cieczy ma rodzaj glikolu i stężenie fazy stałej. Korzystniejsze wyniki uzyskano dla układów z 15% obj. nanokrzemionki. Spośród użytych despergentów najlepszym okazał się poli(glikol propylenowy) o masie cząsteczkowej 425 g/mol przy zawartości 15% obj. proszku. W celu sprawdzenia wpływu temperatury na właściwości reologiczne cieczy zagęszczanych ścinaniem przeprowadzono analogiczne badania w temperaturze 37°C. Zastosowanie podwyższonej temperatury spowodowało przesunięcie skoków dylatancji do wyższych szybkości ścinania, jednakże skoki te były niższe.

Słowa kluczowe

EN

STF; shear thickening fluids; viscosity; nanosilica; polypropylene glycol; ceramic-polymer composites

PL

ciecze zagęszczane ścinaniem; lepkość; nanokrzemionka; poliglikol propylenowy; kompozyty ceramiczno-polimerowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 13, nr 2
• Strony: 92--95
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Głuszek M.

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

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] Gong X., Li W., Zhang X., The rheology of shear thickening fluid (STF) and the dynamic performance of an STF-filled damper, Smart Materials and Structures 2008, 17.
• [2] Houghton J.M., Schiffman B.A., Kalman D.P., Wetzel E.D., Wagner N.J., Hypodermic needle puncture of shear thickening fluid (STF) treated fabrics, Proceedings of SAMPE 2007.
• [3] Wetzel E.D., Lee Y.S., Egres R.G., Kirkwood K.M., Kirkwood J.E., Wagner N.J., The Effect of Rheological Parameters on the Ballistic Properties of Shear Thickening Fluid (STF) - Kevlar Composites, NUMIFORM 2004.
• [4] 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.
• [5] Wagner N.J., Brady J.F., Shear thickening in colloidal dispersions, Physics Today 2009, 62, 27-32.
• [6] Kucharska L., Reologiczne i fizykochemiczne podstawy procesów ceramicznych, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1976.
• [7] Bischoff White E.E., Chellamuthu M., Rothstein J.P., Extensional rheology of a shear thickening cornstarch and water suspension, Rheol. Acta 2009.
• [8] 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.
• [9] Bender J., Wagner N.J., Reversible shear thickening in monodisperse and bidisperse colloidal dispersions, Journal of Rheology 1996, 40, 899-916.
• [10] 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.
• [11] 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.
• [12] Xu Y., Gong X.,Peng Ch.,Sun Y., Jiang W.,Zhang Z., Shear thickening fluids based on additives with different concentrations and molecular chain lengths, Chinese Journal of Chemical Physics 2010.
• [13] Ebagninin K.W., Benchabane A., Bekkour K., Rheological characterization of poly(ethylene oxide) solutions of different molecular weights, Journal of Colloid and Interface Science 2009, 336, 360-367.