聚氧化乙烯/纳米二氧化硅水溶液剪切增稠行为的研究

摘要

剪切增稠流体(ShearThickeningFluid，STF)是非牛顿流体中的一种，也称之为膨胀性流体，是一种新型的Smart(智能)材料。一般在正常状态下即没有外力作用时剪切增稠流体材料表现为流体性能，一旦遇到挤压或者是高速冲击等外界应力作用时，材料会体现非流体性能而变得十分坚硬。即流体材料剪切黏度会随着剪切速率的增大而增加。对于绝大多数常见的分散体系如乳胶、悬浮液、高分子/填料等体系均具有剪切增稠的行为。近些年来随着研究的深入，疏水缔合高聚物、聚电解质等在适当的浓度条件下也会出现剪切增稠现象。利用体系具有剪切增稠这种独特的性能，我们在抗震减冲、日用化工、军工和强化采油等领域推广应用，并且取得了非常显著的效果。因此对于剪切增稠流体的研究具有十分广泛的应用意义和科研价值。
　　 本论文的研究是基于大量文献调研和上述研究背景展开的。实验主要采用流变的方法，结合激光粒度分析和黏度分析等测试手段，根据相关文献研究了聚氧化乙烯(PEO)和纳米二氧化硅(SiO2)复合体系溶液的剪切增稠行为，并在此基础上深入探讨了不同醇以及温度对PEO/SiO2复合体系剪切增稠的影响。随后进一步研究了含有不同分子量PEO的不同复合体系混合溶液的流变行为。
　　 1、聚合物的结构是非常复杂的，随着近代技术的发展和高分子工业的发展，形成了聚合物结构的“大分子学说”，为聚合物的研究奠定了理论基础。由于分子量大，内部结构复杂，聚合物溶液更体现了不同的特殊性能。对于特定的具有特殊相互作用的聚合物分子，在适当的浓度条件下(一般指的是亚浓溶液状态)，往往体系会表现出其剪切黏度随着剪切速率的增加而不断增大的特殊剪切增稠行为。本文将从剪切增稠行为、剪切增稠机理以及影响剪切增稠因素等方面具体介绍聚合物溶液这一特殊性质。
　　 2、PEO/SiO2复合体系水溶液具有明显的剪切增稠行为，讨论了不同的醇对复合体系水溶液剪切增稠行为的影响，发现加入一元醇(甲醇、乙醇和异丙醇)以后，聚氧化乙烯和纳米二氧化硅复合体系出现剪切增稠对应的临界剪切速率γc逐渐增加；加入二元醇(乙二醇)，复合体系出现剪切增稠对应的临界剪切速率γc基本不变；与此相反，加入三元醇(丙三醇)后，复合体系出现剪切增稠对应的临界剪切速率γc逐渐减小。醇对PEO/SiO2复合体系剪切增稠行为影响的不同与醇在纳米二氧化硅表面的吸附导致表面性质产生改变以及醇与高分子链相互作用等因素密切相关。
　　 3、单独更大分子量的PEO(6×106g/mol)溶液经研究也有剪切增稠的现象。本论文研究不同分子量PEO的流变行为发现：50万PEO在一定的浓度条件下表现为牛顿流体性能，即溶液黏度不随剪切速率的增加而增加；400万PEO在一定浓度条件下表现为非牛顿流体性能(假塑性流体)，溶液黏度随着剪切速率的增加而减小；600万或者更大分子量PEO溶液表现为剪切增稠性能，溶液黏度在一定剪切速率条件下随着剪切速率的增加而增加，可能原因是溶液在外界剪切应力的作用下，诱导大分子链自团聚(Self-aggregation)，表现为剪切增稠的现象。同时进一步探讨了不同温度条件对剪切增稠的影响，不同阴阳离子表面活性剂对剪切增稠变化情况的影响。