一种粘弹性非牛顿流体及其制造方法

摘要

本发明公开了一种粘弹性非牛顿流体的制造方法：准备好粒径在150目以上且不溶于水的固体粉料100克，准备好聚羧酸系、萘系或木质素磺酸钠减水剂，将20‑50克水加入容器中，水与固体粉料比（水灰比）为0.2‑0.5，将0.5‑1克减水剂加入上述步骤的水中搅拌均匀,分多次加入步骤1准备好的，固体粉料每次3‑5克，边加边搅拌均匀,当步骤4快速搅拌受阻时，停止加入固体粉料，即能得到一种粘弹性非牛顿流体。本发明所涉及的产品目前可有类似玉米面粉加水制造的非牛顿流体用于科普和娱乐，其潜在应用巨大，它实质上是一种柔性胶体，加入沙石等颗粒后可做成柔性混凝土，用于防空材料，其特点是能将一点所受的冲击能量通过弹性将能量分散到系统的各个方面而减少该点的破坏性，同时，由于它是流体，所以毁坏后有自修复能力，可以抵抗多次重复破坏。

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体制造方法，尤其是涉及一种粘弹性非牛顿流体的制造方法。

背景技术

粘弹性非牛顿流体也叫非线性粘弹流体，有时被人们直接称为非牛顿流体，是剪应力与剪切应变率之间不再满足线性关系的流体。常见的蛋白、泡泡糖、玉米淀粉与水按一定比例的混合物、泥石流和大多数高分子化合物的浓溶液或高分子液体等。它们具有无管虹吸、湍流减阻、挤出胀大、爬杆等异常的流变现象，特别是在高速剪切时表现为固体性质而在低速剪切时又表现为流体性质（遇强则强，遇弱则弱）的神奇特性被人们熟悉。

粘弹性非牛顿流体目前的制造技术还停留在以高分子聚合物和一些自然物上，如玉米淀粉加水和一些高分子聚合物液体，由于高分子聚合物制造成本高，玉米淀粉制造的粘弹性非牛顿流体稳定性差，易变质和固化，作为一种新材料稳定性、普遍性和制造成本是其实用性的关键要素，目前市场上作为商品出售的叫非牛顿流体泥等主要为玉米淀粉加水加色素制成，只能作为科普与娱乐用应。

发明内容

针对上述现有技术中所面临的问题，本发明提供了一种所涉及的原料均为现有的工业产品，材料普遍易得，成本低廉，工艺简单，所制造的产品在密封后不让水蒸发流失的情况下可永久保存不变性，而水分流失后也可补充水恢复其原有性状的一种粘弹性非牛顿流体的制造方法。

本发明涉及一种叫减水剂的核心材料，是现在混凝土生产中用来减少混凝土生产中拌合用水从而提高混凝土强度和工作性能的添加剂。在混凝土生产时，为检验减水剂和水泥的适应性，常常需要做一种叫水泥净浆实验，一次在做净浆实验时，想进一步检验聚羧酸减水剂的极限减水率和极限水灰比，于是：

（1）、发明了加入减水剂之后的水泥浆是粘弹性非牛顿流体这一事实；

（2）、进而研究了减水剂的作用机理，提出了减水剂的粘性减水弹性增流的机理；

（3）、在此机理下，发明出用减水剂、水和固体粉料制造粘弹性非牛顿流体，并通过实验获得验证；

（4）、这一验证结果不仅确认了减水剂作用机理，同时，修正了减水剂作用发挥的限制条件；

（5）、发明了用减水剂制作粘弹性非牛顿流体。

本发明要解决的技术问题所采取的技术方案是：

1、一种粘弹性非牛顿流体，它由重量比为200～500：1000：1～100的固体粉料、减水剂和分散剂组成。

2、所述体粉料包括微晶矿粉、粉煤灰、重质碳酸钙、轻质碳酸钙、石粉、熟石灰中一种或多种，还包括收尘器收集的尘粉、面粉、粘土粉。

3、所述减水剂种为聚羧酸减水剂、木质素磺酸钠减水剂或萘系减水剂中的一种。

4、所述分散剂为水或用酒精，汽油（柴油）、食用油、二申苯等代替。

本发明所述一种粘弹性非牛顿流体的制造方法步骤是：

1：准备好粒径在150目以上且不溶于水的固体粉料100克，准备好聚羧酸系、萘系或木质素磺酸钠减水剂，

2、将20-50克水加入容器中，水与固体粉体比（水灰比）为0.2-0.5，

3、.将0.5-1克减水剂加入上述步骤的水中搅拌均匀，

4、.分多次加入步骤1准备好的，每次3-5克，边加边搅拌均匀，

5、当步骤4快速搅拌受阻时，停止加入固体粉体，即能得到一种粘弹性非牛顿流体。

进一步地，在步骤5中继续加入固体粉料，则该粘弹性流体的粘弹性特征会越来越强，变形恢复时间越来越长。

进一步地，在上步骤5中加入可溶性甲基纤维素0.1克或面粉0.5克并搅拌均匀，即粘弹性非牛顿流体失去弹性变成粘塑性流体，流体的流动性消失。

本发明所述粘弹性非牛顿流体在用水、减水剂和固体粉料制造时，多种原料相互间不发生化学反应就可以任意比例混合均可，它们只是一种物理混合，只与粉料的细度有关，微溶于水的也可以。

本发明所述制造方法简单，成本低廉，原料广，特别是由石粉等稳定性好的粉体制造的粘弹性非牛顿流体有较长时间的稳定性，特别是由石粉等稳定性好的粉体制造的粘弹性非牛顿流体有较长时间的稳定性（加入微量可溶性甲基纤维素等增绸稳定剂稳定时间更长），可以做成防空防弹层（其中加入高强细磁球、玻璃球等效果更好）。在本发明制得的粘弹性非牛顿流体中加入微量可溶性甲基纤维素等增绸稳定剂，稳定时间更长，可以做成防空防弹层（其中加入高强细磁球、玻璃球等效果更好）。

本发明所涉及的产品目前可有类似玉米面粉加水制造的非牛顿流体用于科普和娱乐，其潜在应用巨大，它实质上是一种柔性胶体，加入沙石等颗粒后可做成柔性混凝土，用于防空材料，其特点是能将一点所受的冲击能量通过弹性将能量分散到系统的各个方面而减少该点的破坏性，同时，由于它是流体，所以毁坏后有自修复能力，可以抵抗多次重复破坏.。

具体实施方式

实施例1，

一、实验：实验准备：200ml烧杯一只，水泥100克左右，固体聚羧减水剂0.3克（液体折固），水20克，玻璃棒一根。实验步骤：

(一)、将20克水加入烧杯中，

(二)、将水泥每次3—5克加入上杯中，边加边搅拌边观察，

(三)、当水泥加到40克左右（不同水泥小有差别），水泥浆中没有剩余水停止加水泥，边搅拌边观察容器中水与水泥混合物状态。这种状态的混合物在流变学中叫"塑性非牛顿流体"，

(四)、在上混合物中加入聚羧酸减水剂0.3克（不同水泥和减水剂有差异，一般质量的水泥这个量足够），搅拌均匀并观察状态。这时水泥浆又变成可以流动状态，注意观察此时的流动状态与第二步过程中的流动状态有明显差别，将搅拌棒提起时，水泥浆会以线状向下流（第二步过程中任何时候都不会出现这种状态），静止一下还会有水从表面泌出，

(五)、向上步的容器中又每次3—5克加入水泥并不断搅拌，直到容器中的游离水全部被水泥吸收，这时剩下的水泥估计为10克左在（不同水泥有差异）。继续用不同速度搅拌，用不同速度将棒插入水泥浆中，用手指以不同速度插入，用手抓一点试试，可以发现水泥浆具有粘性和弹性两个特征，用较快的速度插入阻力较大，较小的速度插入阻力较小，具这些持征的流体在流变学中叫"粘弹性非牛顿流体"。

(六)、向上步的容器中又每次1—2克加入水泥并不断搅拌，直到水泥浆先去流动性变成固态。

实施例2，

实验准备：容器一只（一次性杯子即可），微晶矿粉100克左右，木质素磺酸钠减水剂 1克，水20克，小棒一根（一次性卫生筷即可）。

实验步骤：(一)、将20克水加入容器中。

(二)、将微晶矿粉每次3—5克加入上杯中，边加边搅拌边观察。

(三)、当微晶矿粉加到40克左右，微晶矿粉浆中没有剩余水，微晶矿粉浆搅拌困难时停止加入，边搅拌边观察容器中水与微晶矿粉混合物状态。这种状态的混合物在流变学中叫"塑性非牛顿流体"。

(四)、在上混合物中加入木质素磺酸钠减水剂 1克，搅拌均匀并观察状态。这时微晶矿粉浆又变成可以流动状态，注意观察此时的流动状态与第二步过程中的流动状态有明显差别，将搅拌棒提起时，微晶矿粉浆会以线状向下流（第二步过程中任何时候都不会出现这种状态），静止一下还会有水从表面泌出。

(五)、向上步的容器中又每次3—5克加入微晶矿粉并不断搅拌，直到容器中的游离水全部被微晶矿粉吸收，微晶矿粉浆搅拌困难时停止加水泥，这时剩下的微晶矿粉估计为10克左在。继续用不同速度搅拌，用不同速度将棒插入微晶矿粉浆中，用手指以不同速度插入，用手抓一点试试，可以发现微晶矿粉浆具有粘性和弹性两个特征，用辐较快的速度插入阻力较大，较小的速度插入阻力较小，具这些持征的流体在流变学中叫"粘弹性非牛顿流体"。

实施例3，

实验准备：容器一只（一次性杯子即可），粉煤灰和熟石灰粉混合料（各占重量二分之一）100克，木质素磺酸钠减水剂1克，水20克，小棒一根（一次性卫生筷即可）。

实验步骤：(一)、将20克水加入容器中，

(二)、将粉煤灰和熟石灰粉混合料每次3—5克加入上杯中，边加边搅拌边观察，

(三)、当粉煤灰和熟石灰粉混合料加到40克左右，粉煤灰和熟石灰粉混合料浆中没有剩余水，粉煤灰和熟石灰粉混合料浆搅拌困难时停止加入，边搅拌边观察容器中水与粉煤灰和熟石灰粉混合物状态。这种状态的混合物在流变学中叫"塑性非牛顿流体"，

(四)、搅拌均匀并观察状态。

这时粉煤灰和熟石灰粉混合料浆又变成可以流动状态，注意观察此时的流动状态与第二步过程中的流动状态有明显差别，将搅拌棒提起时，粉煤灰和熟石灰粉混合料浆会以线状向下流（第二步过程中任何时候都不会出现这种状态），静止一下还会有水从表面泌出，

(五)、向上步的容器中又每次3—5克加入粉煤灰和熟石灰粉混合料并不断搅拌，直到容器中的游离水全部被粉煤灰和熟石灰粉混合料吸收，粉煤灰和熟石灰粉混合料浆搅拌困难时停止加入，这时剩下的粉煤灰和熟石灰粉混合料估计为10克左在（不同水泥有差异）。继续用不同速度搅拌，用不同速度将棒插入粉煤灰和熟石灰粉混合料浆中，用手指以不同速度插入，

用手抓一点试试，可以发现粉煤灰和熟石灰粉混合料浆具有粘性和弹性两个特征，用辐较快

的速度插入阻力较大，较小的速度插入阻力较小，具这些持征的流体在流变学中叫"粘弹性

非牛顿流体"。

本发明中加入容器中的水也可用物质酒精、汽油（柴油）、食用油、二申苯等代替。

本发明所述基料除微晶矿粉、粉煤灰、熟石灰粉、轻质碳酸钙和重质碳酸钙粉中至少一种外还包括收尘器收集的尘粉、面粉、粘土粉等。

以水为分散剂（√表示可做成粘弹性非牛顿流体，×表示不可做）

以酒精（75%）为分散剂（√表示可做成粘弹性非牛顿流体，×表示不可做）

以汽油（柴油）、食用油、二申苯为分散剂（√表示可做成粘弹性非牛顿流体，×表示不可做）

以上实验结果归纳如下：

（1）、对于减水剂而言，三种减水剂的差异在75%酒精为分散剂时只有聚羧酸减水剂可以做成粘弹性非牛顿流体。

（2）、对固体粉料而言，面粉和粘土不可以做成粘弹性非牛顿流体。

（3）、对分散剂而言，只有水和75%的酒精可以做成粘弹性非牛顿流体。

以上现象说明减水剂粘性和弹性的发挥是有条件的。第一，分散剂必须要能与减水剂混溶，否別，分散剂就不能发挥分散功能，柴油、食用油、二甲苯、汽油均不能溶解三种减水剂，所以它们不能在制造粘弹性非牛顿流体的分散剂。第二，流体系统的粘度必须要小到不至于阻碍减水剂弹性的发挥的程度，以酒精为分散剂木质素磺酸钠或萘系减水剂为减水剂和以面粉、粘土为基质不能做成粘弹性非牛顿流体都是因为流体系统的粘度较大阻碍了减水剂的弹性发挥的原因。

这里还有必要讨论一下物质的弹性。

关于物质的弹性不但与物质的属性相关，更与物质的形状相关，同样的一克铜，做成正方体、压成薄片、拉成细丝、把细丝做成弹簧、做成弹簧振子其弹性表现是完全不同旳。减水剂分子加入水泥浆中与水泥颗粒结合后形成弹簧振子结构，其个体微小能量保存微小，但其数量众多，每单位摩尔质量的分子数量达6.02×10^23个之多，就是在参量为水泥质量的百分之0.2（折固）时，在单位体积中的数量也是巨大的，所以其弹性表现十分明显。

同时，物质的弹性表现除了与物质本身有关外与系统的粘性和弹性空间密切相关。上面提到减水剂的粘性在水泥浆中表现为减水，那么有粘性的物质是不是都能减水，木质素磺酸钠和萘系减水剂都能减水说明它们都有粘牲，为什么它们的减水率与聚羧酸减水剂会有明显的差别。

粘性物对水泥肯定可以通过粘接作用将离散的水泥凝聚而减少水的占位实现减水，但是，粘性物与水泥颗粒粘接后只有构成弹簧振子结构才有良好的流动性，过去对减水剂作用机理的多种假设就是忽视这一点，视角都集中在减水这一表面现象上，认为减水与流动是同一回事，实质上流动才是核心。木质素磺酸盐、萘系减水剂和聚羧酸减水剂的减水率差别也就是在弹性的差别上，弹性体在流体系统中的弹性表现与系统的粘度和弹性空间相关，系统的粘度与减水剂的粘度不是同一概念，水泥浆系统的粘度主要由水和水泥决定，当水灰比减小时系统粘度增大，当粘度增大到弹性体不能克服其粘力时弹性体在系统中的弹性表现消失，水泥浆变回到塑性非牛顿流体，流动性变差，聚羧酸减水剂相比其他减水剂有更好的弹性，能在更高系统粘性条件下保持弹性，所以有更高的减水率。同时，弹性的发挥与弹性空间相关，当水灰比减小到一定值时弹性空间消失，系统的流动性会突然消失流体变成固体。

由此修正减水剂的作用机理如下：

减水剂是一种有粘性和弹性的具线形或线形组合结构的高分子化合物，减水剂通过粘性将分散的水泥颗粒粘接在一起减少水的占位表现为减水性，同时，粘上水泥颗粒的具弹性的减水剂分子变成弹簧振子结构将水泥浆由塑性非牛顿流体变成粘弹性非牛顿流体，从而减水后仍然具有良好的流动性。减水剂对水泥以外的其它没有粘性不溶于水的粉状物同样有减水和增大流动性的作用。

本发明要解决的技术问题所采取的方法步骤是：

1.减水剂：目前所开发的减水剂只有三类，聚羧酸类减水剂、萘系减水剂和木质素磺酸盐减水剂，这三种减水剂均只能单独使用其中一种，不可混合使用，聚羧酸减水剂使用量为固体粉料的百分之零点一以上，饱和量为百分之零点二左右，超量使用有利于保持性状不变的时间更长。

2.固体粉料：细度在150目以上不溶于分散剂（水、酒精）无粘性或微粘性即可，目前常见的有矿粉、粉煤灰、轻质碳酸钙、重质碳酸钙、熟石灰、石粉、各种收尘器所收集的粉尘等均可，不同粉料任意比例进行物理混合均可。固体粉料用料保持在水灰比（水或洒精与固体粉料的比）在0.5至0.2之间。

3.水或酒精：以水或低浓度酒精（50%以下）为分散剂时，三类减水剂均可，以高浓度酒精（50%以上）为分散剂只能与聚羧酸减水剂相匹配。

4.制造方法：固体粉料m千克、减水剂大于m×0.001、分散剂m×0.2一m×0.5，三种物料混合均匀即得产品。

具体实施方案举例：

实施例一

1、分别称取二级粉煤灰100千克，聚羧酸减水剂0.2千克（折固量），水20千克。

2、将上述三物料倒入容器中混合均匀即得产品。

实施例二

1、分别称取二级粉煤灰100千克，聚羧酸减水剂0.2千克（折固量），水50千克。

2、将上述三物料倒入容器中混合均匀即得产品。

实施例三

1、分别称取矿粉与收尘器收集尘粉的混合粉100千克，木质素磺酸钠减水剂0.5千克，水30千克。

2、将上述三物料倒入容器中混合均匀即得产品。

实施例四

1、分别称取熟石灰粉100千克，萘系减水剂0.3千克，水30千克。

2、将上述三物料倒入容器中混合均匀即得产品。

实施例五

1、分别称取轻质碳酸钙100千克，聚羧酸减水剂0.2千克（折固量），酒精（75%）20千克。

2、将上述三物料倒入容器中混合均匀即得产品。

实施例六

1、分别称取重质碳酸钙100千克，木质素磺酸钠减水剂10千克（折固量），水40千克。

2、将上述三物料倒入容器中混合均匀即得产品。