Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

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

Idźkowska A., Szafran M.

Composites Theory and Practice

|

2014

|

R. 14, nr 1

13--17

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.

2

Application of gelcasting method in ceramic-metal composite fabrication

Miazga A., Konopka K., Idźkowska A., Szafran M.

Composites Theory and Practice

|

2014

|

R. 14, nr 2

67--70

EN

An attempt has been made to prepare Al2O3/Ni composites with 1 vol.% metal particles by the gelcasting method. Alumina matrix composites with an addition of nickel particles, already used in industry, are produced by various methods. Unfortunately, there is a problem to obtain elements of a complex shape characterized by a uniform distribution of metal particles in a ceramic matrix. For this reason, the authors have attempted to apply the gelcasting method to produce an Al2O3 +1 vol.% Ni composite. The electrokinetic properties of the composite slurries and the influence of the presence of nickel have been studied. The microstructure of green and sintered samples were examined with a scanning electron microscope. Selected physical properties of the composite have been described. The material in the green state was characterized by a density of about 57%, and 97% after sintering, of the theoretical density. Nickel particles were uniformly distributed in the ceramic matrix. The performed studies have confirmed the possibility of using the gelcasting method to produce an alumina-nickel composite.

PL

Celem wytwarzania kompozytów ceramika/metal jest poprawa odporności na pękanie. Kompozyty o osnowie tlenku glinu z dodatkiem niklu są już obecnie materiałem stosowanym. Materiał ten wytwarzany jest różnymi metodami. Problemem niestety jest uzyskanie elementów o skomplikowanym kształcie charakteryzujących się jednorodnym rozmieszczeniem cząstek metalu w ceramicznej osnowie. Z tego powodu autorzy podjęli próbę aplikacji metody gelcasting do wytworzenia kompozytu Al2O3 + 1% obj. niklu. Przeprowadzone zostały badania właściwości elektrokinetycznych, wpływu obecności niklu oraz ilości incjatora na czas polimeryzacji. Próbki w stanie surowym oraz po procesie spiekania badano z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego. Określone zostały także wybrane właściwości fizyczne kompozytu. Materiał w stanie surowym charakteryzował się gęstością ok. 57%, natomiast po procesie spiekania 97% gęstości teoretycznej. Cząstki niklu były jednorodnie rozmieszczone w ceramicznej osnowie. Wykonane badania potwierdziły możliwość wykorzystania metody gelcasting w wytwarzaniu kompozytów Al2O3\Ni.

3

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

Idźkowska A., Szafran M.

Composites Theory and Practice

|

2013

|

R. 13, nr 2

117--121

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.

4

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

Głuszek M., Idźkowska A., Szafran M.

Composites Theory and Practice

|

2013

|

R. 13, nr 2

92--95

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.

5

The Effect of nano-SiO2 particle size distribution on rheological behaviour of shear thickening fluids

Idźkowska A., Szafran M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2013

|

Vol. 58, iss. 4

1323--1326

EN

In present work the influence of particle size distribution on the dilatant effect of shear thickening fluid was investigated. As a ceramic powder a mixture of silicas 200 and 7 nm in ratio 95:5, 90:10, 85:15, 80:20, 75:25, 50:50 was used. A dispersing agent was poly (propylene glycol) of a molecular weight of 425 g/mol. The as prepared slurries were examined on a rotational rheometer Kinexus Pro with a plate-plate measuring system at room temperature, where the viscosity as a function of shear rate was investigated. The measurement showed that by partially replacing greater particle size by smaller one, it is possible to shift the onset of shear thickening to the higher value of shear rate, however, the decreases of dilatant effect is observed. The influence of particle size distribution on a maximum volume fraction also was investigated. The maximum volume fraction which was passible to obtain was 35 vol%.

PL

W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań dotyczące wpływu rozkładu wielkości ziarna na właściwości zagęszczania ścinaniem. Fazę stałą stanowiła mieszanina nanokrzemionki o średnich wielkościach ziarna 7 i 200 nm, gdzie stosunek nanokrzemionki 200 nm do nanokrzemionki 7 nm wynosił odpowiednio 95:5. 90:10, 85:15, 80:20, 75:25 i 50:50. Jako ciecz dyspergującą zastosowano glikol polipropylenowy o masie molowej 425 g/mol. Badania reologiczne lepkości w funkcji wzrastającej szybkości ścinania wykonano za pomocą reometru rotacyjnego Kinexus Pro w układzie płytka-płytka. Szybkość ścinania zmieniała się od 1 do 1000 s-1 . Wyniki przeprowadzonych badań pokazały, że poprzez częściowe zastąpienie nanokrzemionki 200 nm nanokrzemionką 7 nm możliwe jest przesunięcie początku zagęszczania ścinaniem w stronę wyższych szybkości ścinania, jednakże skok dylatancyjny obniża się. W ramach pracy zbadano również wpływ rozkładu wielkości ziarna na maksymalne stężenie fazy stałej. Maksymalne stężenie fazy stałej wyniosło 35%obj.