Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Effect of SiO2 particle size and length of polypropylene glycol) chain on rheological properties of shear thickening fluids

Antosik A., Głuszek M., Żurowski R., Szafran M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2016

|

Vol. 61, iss. 3

1511--1514

EN

Effect of SiO2 particle size and length of polypropylene glycol) chain on rheological properties of shear thickening fluids The rheological properties of shear thickening fluids based on silica powder of particles size in range 0.10 - 2.80 μm and poly(propylene glycol) of 425, 1000, 2000 g/mol molar mass were investigated. The effect of particle size and the length of the polymeric chain was considered. The objective of this study was to understand basic trends of physicochemical properties of used materials on the onset and the maximum of shear thickening and dilatant effect. Outcome of the research suggested that an increase in the particle size caused a decrease in dilatant effect and shift towards higher shear rate values. Application of carrier fluid of higher molar mass allowed to increase dilatant effect but it resulted in the increase of the initial viscosity of the fluid.

2

Shear thickening ceramic-polymer composite

Żurowski R., Antosik A., Głuszek M., Szafran M.

Composites Theory and Practice

|

2015

|

R. 15, nr 4

255--258

EN

Shear thickening fluids (STF), which are included in non-Newtonian fluids, are a good example of innovative ceramic-polymer composites. Their characteristic feature is that the viscosity increases with an increase in shear rate. The energy is dissipated during the impact due to the increasing resistance of STF. This is the reason why STF are so promising for applications protecting the human body. Body armours based on STF, because of their elasticity in comparison to conventional counterparts, proved to be more comfortable. This work is devoted to the development of a new composition of STF with the highest dilatant effect. Based on our research on STF, it was shown that the higher the dilatant effect is, the more energy is absorbed during the impact. In this case, four different systems were prepared in which the main component of the solid phase was submicron silica powders KE-P10 (particle size 100÷200 nm) or KE-P50 (particle size 500÷600 nm). In all the prepared systems, the carrier fluid was poly(propylene glycol) with a molecular weight of 2000 g/mol (PPG 2000). The rheological properties of the systems were determined. The influence of the solid phase concentration, size of the particles and the temperature on the dilatant effect properties were examined. Rheological stability in time was also presented in this paper for certain compositions. The most satisfying results were achieved by the systems with KE-P10 in the amount of 60 volume percent. The dilatant effect at the temperature of 25°C reached 11 243 Pa·s, while the beginning of shear thickening was observed at the shear rate of 0.88 s-1. What is worth mentioning is that the obtained results are repeatable in different time intervals, meaning that the investigated fluid is rheologically stable in time. Despite the drop in the dilatant effect by 70% at higher temperatures, the dilatant effect remained on a high level of 3000 Pa·s. Regarding the obtained results, we can assume that body armour based on the ceramic-polymer composite would be suitable for protection even at higher temperatures.

PL

Ciecze zagęszczane ścinaniem (STF), będące przykładem innowacyjnego kompozytu ceramika-polimer, zaliczane są do grupy płynów nienewtonowskich. Charakterystyczną dla STF cechą jest skokowy wzrost wartości lepkości wraz ze wzrostem wartości naprężeń lub sił ścinających. W przypadku uderzenia usztywniają się, dzięki czemu energia uderzenia jest częściowo rozpraszana. Nagły opór stawiany w momencie przyłożenia siły przez tego rodzaju zawiesiny stwarza możliwość ich szerokiego zastosowania przy produkcji systemów przeznaczonych do ochrony ciała człowieka. Pancerze bazujące na STF, ze względu na większą elastyczność (w porównaniu do swych konwencjonalnych odpowiedników), zapewniałyby wyższy komfort użytkowania oraz możliwość ochrony większej powierzchni ciała. W artykule przedstawiono wyniki badań mających na celu opracowanie nowego składu cieczy zagęszczanej ścinaniem, która charakteryzowałaby się możliwie najwyższymi skokami lepkości. Wstępne badania w zakresie otrzymywania cieczy zagęszczanych ścinaniem wskazują, iż układy wykazujące duży efekt dylatancji odznaczają się również wysokim stopniem absorpcji energii towarzyszącej uderzeniu. W oparciu o syntetyczne krzemionki o submikronowej wielkości cząstek: KE-P10 (wielkość ziarna 100÷200 nm) oraz KE-P50 (wielkość ziarna 500÷600 nm), stanowiące główny składnik fazy stałej, przygotowano cztery różne układy wykazujące efekt zagęszczania ścinaniem. We wszystkich omawianych przypadkach jako ciecz dyspergującą zastosowano poli(glikol propylenowy) o masie molowej wynoszącej 2 000 g/mol. Otrzymane ciecze poddano badaniom reologicznym. Zbadano wpływ stężenia fazy stałej, wielkości ziarna krzemionki oraz podwyższonej temperatury na właściwości dylatancyjne przygotowanych zawiesin. W artykule przedstawiono również wyniki badań stabilności parametrów reologicznych w czasie dla wybranych składów. Najlepsze rezultaty uzyskano dla cieczy, której fazę stałą stanowiła krzemionka KE-P10 w ilości 60% objętościowych. W tym przypadku wartość skoku lepkości (mierzona w temperaturze 25°C) wyniosła 11 243 Pa·s, a początek zagęszczania ścinaniem zaobserwowano przy szybkości ścinania równej 0,88 s-1. Warto zaznaczyć, że wynik ten jest powtarzalny w różnych odstępach czasowych, co pozwala stwierdzić, iż opracowana ciecz jest reologicznie stabilna w czasie. W podwyższonej temperaturze - 36,6°C odnotowano spadek efektu zagęszczania ścinaniem o ponad 70%. Mimo to skok lepkości pozostał na bardzo wysokim poziomie - lepkość cieczy wzrosła niemal o 3 000 Pa·s. W związku z tak obiecującymi wynikami badań z dużym prawdopodobieństwem można stwierdzić, iż ochraniacze oparte na omawianym ceramiczno-polimerowym kompozycie należycie spełniałyby funkcje protekcyjne również w podwyższonej temperaturze.

3

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.

4

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.

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.