一种剪切增稠流体与织物的复合方法与流程

1.本发明涉及一种剪切增稠流体与织物的复合方法，属于剪切增稠流体复合材料应用技术领域。


背景技术：

2.剪切增稠流体是一种对应力十分敏感的液体材料，由纳米粒子和溶剂两部分构成。当受到外界应力时，流体中的纳米粒子能瞬间团聚形成粒子簇，导致流体的浓度陡增进而表现出类似固体的性质，抵御外力。这一特性使剪切增稠流体在防护领域有广泛的应用前景。
3.剪切增稠流体应用在织物上可制成全柔性防弹、防刺复材，具有广泛的应用前景。常用的复合工艺有两种：1)流体直接涂布在织物表面，通过热压的方法让其慢慢渗入织物内部形成复材；2)用甲醇、乙醇等挥发性溶剂稀释流体，然后浸渍织物，取出烘干后得到复材。虽然这两种方法都能制得复材，但是复合效果及防刺性能都有缺陷。方法1导致流体的溶剂和纳米粒子分离，溶剂吸入了织物而粒子团聚沉积在织物的表面，复合效果差。方法2制得的复材强度低，对ga68～2019标准d1刀头基本没有防刺效果。因此需要一种制备高强度、高性能复材的方法。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决现有技术中剪切增稠流体复合织物效果差，防刺效果不佳的问题，提供一种剪切增稠流体与织物的复合方法，能够将剪切增稠流体均匀分散到织物中，提高复合织物强度和防刺性能。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种剪切增稠流体与织物的复合方法，其特征在于包括以下步骤：
7.a、预混合：向剪切增稠流体中加入ph＝7.1～9的氨水，混匀得预混合液,制成的预混合液呈乳白色，有团聚的毫米、微米级粒子簇；
8.b、分散：将预混合液置于密闭容器中，水浴中中频超声分散得到均一的稀释液；
9.c、浸渍：将织物浸入稀释液中，浸渍过程同时进行高频超声处理，浸渍后挤出多余液体，将织物烘干即可。
10.本发明预混合过程中，流体与氨水的质量比为1：0.5～3，氨水能够使二氧化硅粒子的表面带负电，使粒子通过电荷排斥分散，有效避免团聚，并且，氨水可通过烘干完全去除，不会往流体中引入影响纳米粒子刚性碰撞的杂质，避免影响最终复合材料的力学性能。
11.步骤b的分散过程中，超声功率密度为50～100w/加仑，超声频率为30～40khzf，超声温度为30～50℃，超声时间为10～30min。低频率超声波(20～28khz)虽然空化作用强大，但会使液体局部过热，反而会使粒子团聚沉淀。水浴超声配合30～40khz的超声频率可以不间断地超声处理且容易准确控温。处理后的稀释液经孔径1～3μm滤纸过滤不会在滤纸表面发现残留物。
12.分散制得的稀释液静置4天不产生沉淀，静置2～3周后分层，即底层为乳白色沉积物，上层为清液，但重复步骤2和3可以重新得到均一度好的稀释液。
13.本发明步骤c的浸渍过程中超声功率密度为50～100w/加仑，超声频率为68～80khzf，超声处理时间为10～30s。使用高频率超声波可以有效除去浸渍时液体在织物内的微气泡，使复合更均匀，并且能够进一步分散可能存在的极微小粒子簇，增加复合材料的力学性能。
14.与传统的方法相比，本发明的优势在于：
15.1.稀释过程中，流体在密闭容器中，不会引入外界杂质。
16.2.稀释使用中频率超声波处理，该频段的超声波能使流体快速稀释，不会因为空化作用过强而导致粒子团聚。
17.3.浸渍时辅以高频率超声波振荡，可以消除织物结构内的微米级、亚微米级气泡，增加流体与织物的复合均匀度,增加复合材料的强度和防刺性能。
18.4.水浴超声容易精准控温，因为水的比热容大，可吸收超声产生的热量而不急速升温，因此可以精准控温且无需额外冷却装置。
19.5.稀释过程清洁绿色，无有毒试剂。
附图说明
20.图1为单根纱线抽拔实验演示图；
21.图2为实施例1复合材料的单纱抽拔力随抽拔位移的变化关系；
22.图3为实施例2复合材料的单纱抽拔力随抽拔位移的变化关系；
23.图4为实施例3复合材料的单纱抽拔力随抽拔位移的变化关系；
24.图5为实施例4复合材料的单纱抽拔力随抽拔位移的变化关系；
25.图6为对比例1的织物单纱抽拔力随抽拔位移的变化关系；
26.图7为对比例2的织物单纱抽拔力随抽拔位移的变化关系；
27.图8为对比例3的织物单纱抽拔力随抽拔位移的变化关系；
28.图9为对比例4的织物单纱抽拔力随抽拔位移的变化关系。
具体实施方式
29.一种剪切增稠流体与织物的复合方法，其特征在于包括以下步骤：
30.a、预混合：向剪切增稠流体中加入ph＝7.1～9的氨水，流体与氨水的质量比为1：0.5～3，混匀制得预乳白色混合液；
31.b、分散：将预混合液置于密闭容器中，水浴中，以超声功率密度为50～100w/加仑，超声频率为30～40khzf，超声温度为30～50℃条件超声分散10～30min得到经过孔径1～3μm滤纸无颗粒状物质残留均一的稀释液；
32.c、浸渍：将织物浸入稀释液中，浸渍过程同时进行于高频68～80khzf超声处理10～30s，浸渍后挤出多余液体，将织物烘干即可。下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
33.实施例1：
34.将直径为86nm～117nm多分散二氧化硅球分散于聚乙二醇300中，得到硅球体积分
数为0.48的剪切增稠流体。
35.织物为芳纶梭织布，剪切增稠流体与织物的复合方法为：
36.a、预混合：向剪切增稠流体中加入ph≈8.5的氨水，流体与氨水质量比为1：1，混匀制得预乳白色混合液；
37.b、分散：将预混合液置于密闭容器中，水浴中，以超声功率密度为93w/加仑，超声频率为40khzf，超声温度为35
±
2℃条件超声分散20min得到均一的稀释液，将稀释液经过1μm滤纸，未发现滤纸上有颗粒装残留；
38.c、浸渍：将芳纶梭织布浸入稀释液中，浸渍过程同时于高频75khzf、超声温度35
±
2℃，超声处理30s，浸渍后挤出过压力辊，辊浊压强为0.2mpa,挤出多余液体，将织物于80℃干燥30分钟，即得纳米复合材料。
39.纳米复合材料的强度判断主要通过“单个纱线抽拔”实验测试。将纳米复合材料裁剪成20cm
ⅹ
12cm的矩形，移除一部分纬纱后固定在拉力机上，如图1所示。将单根经纱固定在夹具上，以100mm/min的速度匀速沿着经向抽拔，拉力机感应头的量程为300n，抽拔过程中感应的力被记录在电脑上，以抽拔力和抽拔位移的关系展示出来，结果如图2所示。
40.实施例2：
41.剪切增稠流体和织布同实施例1，复合方法如下：
42.a、预混合：取适量流体置于广口瓶中，加入等质量的ph≈7.1的水，按照实施例的步骤a和b制得质地均一的稀释液，静置15天使得稀释液分层，上层为略带黄色的清液，下层为乳白色的沉积物；
43.b、分散：将装有分层稀释液的广口瓶置于水浴中，以超声功率密度为52w/加仑，超声频率为30khzf，超声温度为50
±
1℃条件超声分散30min得到均一的稀释液，将稀释液经过滤纸，未发现滤纸上有颗粒装残留；
44.c、浸渍：将芳纶梭织布浸入稀释液中，浸渍过程同时于高频80khzf、超声温度50
±
1℃，超声处理30s，浸渍后挤出过压力辊，辊浊压强为0.2mpa,挤出多余液体，将织物于80℃干燥30分钟，即得纳米复合材料。
45.按照实施例1的方法测试经纱抽拔力，其结果如图3所示。
46.实施例3：
47.剪切增稠流体为纳米二氧化硅球(直径为500
±
25nm)在聚丙二醇中的高浓度悬浮液，其中二氧化硅球的体积分数为织物是超高分子量聚乙烯和芳纶的混合平纹梭织布，其中经向使用的芳纶，纬向使用的是超高分子量聚乙烯。制备复合材料的方法如下：
48.a、预混合：取适量流体置于广口瓶中，加入ph≈9的氨水，流体与氨水的质量比1：3，混匀制得乳白色预混合液；
49.b、分散：将预混合液置于密闭容器中，水浴中，以超声功率密度为75w/加仑，超声频率为35khzf，超声温度为40
±
1℃条件超声分散10min得到均一的稀释液，将稀释液经过滤纸，未发现滤纸上有颗粒装残留；
50.c、浸渍：将混织平纹梭织布浸入稀释液中，浸渍过程同时于高频68khzf、超声温度42
±
2℃，超声处理10s，浸渍后挤出过压力辊，辊浊压强为0.15mpa,挤出多余液体，将织物于80℃干燥30分钟，即得纳米复合材料。
51.按实施例1的方法测试经纱抽拔力，其结果如图4所示。
52.实施例4：
53.剪切增稠流体为纳米二氧化硅球(直径为350
±
10nm)在聚乙二醇300中的高浓度悬浮液，其中二氧化硅球的体积分数为0.57；织物是高强涤纶的平纹梭织布。复合材料的复合方法如下：
54.a.预混合：取适量流体置于广口瓶中，加入ph＝8.0的氨水，使得流体与氨水的质量比为2:1。混匀制得乳白色预混合液；
55.b.分散：将预混合液置于密闭容器中，水浴中，以超声功率密度为50w/加仑，超声频率为30khzf，超声温度为30℃条件下超声分散15min得到均一的稀释液，将稀释液经过滤纸，未发现滤纸上有颗粒状残留物；
56.c.浸渍：将涤纶面料进入稀释液中，浸渍过程同时于高频80khzf、超声温度为35℃，超声处理20s，浸渍后挤出过压力辊，辊间压强为0.18mpa，挤出多余液体，将织物于90℃干燥20分钟，得到纳米复材。
57.按实施例1的方法测试经纱抽拔力，其结果如图5所示。
58.对比例1(不处理直接测抽拔力)：
59.不处理织物，按照实施例1的方法直接测试经纱抽拔力，其结果如图6所示。
60.对比例2(过于碱性的水)：
61.剪切增稠流体和织物同实施例1，复合方法预混合时加入等质量的ph≈10的水，其他步骤同实施例1制备纳米复合材料。
62.按照实施例1的方法测试经纱抽拔力，其结果如图7所示。
63.对比例3(过于酸性的水)：
64.剪切增稠流体和织物同实施例1，复合方法预混合时加入等质量的ph≈5.3的水，其他步骤同实施例1制备纳米复合材料。
65.按照实施例1的方法测试经纱抽拔力，其结果如图8所示。
66.对比例4(不超声只预混合)：
67.剪切增稠流体和织物同实施例1，复合方法如下：
68.将适量流体与等质量的ph≈8.5的氨水于旋涡振荡器上以2500rpm的速度混合5小时，直至基本没有分层的乳白色预混合液，不经过水浴超声处理，按实施例1的步骤c制备纳米复合材料，并测试经纱抽拔力，其结果如图9所示。
69.图6表明，未处理的芳纶梭织布经纱抽拔力的最大值不超过10n，随着经纱慢慢被抽拔出来，抽拔所需的力也逐渐减小至0n。然而对于氨水为稀释剂制备的纳米复材，剪切增稠流体很好地附着在织物纱线的表面，抽拔时经纬纱间的相互摩擦导致流体受到应力而急剧增稠，因此抽拔力的最大值超过了100n，为未处理经纱抽拔力的10余倍,而传统制备方法得到的复合材料的单纱抽拔力仅为60n。
70.以氨水为稀释剂制备的纳米复合材料，经纱抽拔至一定程度后，纱线发生断裂，抽拔力也瞬间陡降。这是因为剪切增稠流体的纳米粒子硬度极高，在流体增稠后，粒子间的刚性摩擦使纱线受到破坏，因此纱线抽拔至一定程度后断裂。此外，以氨水为稀释剂制备的纳米复合材料展现出超过100n的极高抽拔力，这是因为氨水分子体积小且具有适当的极性，容易帮助流体充填织物的微孔，使复合更完全。
71.本发明方法制备的稀释液，长时间放置虽然会导致纳米粒子沉淀出来，但通过重
复水浴超声这一步，可以重新形成稳定的混合液，且制备出的复合材料的经纱抽拔力不会降低，这一点对比实施例1、2的测试数据即可证明。
72.表1是实施例1，实施例3，实施例4中不同织物类型复合前后抽拔力的对比。织物类型分为芳纶、芳纶/聚乙烯混织物和高强涤纶织物。对于这三种织物，处理后抽拔力均极大程度地提升(最少提升10倍)，既说明了本方法制得的复合材料强度提升非常显著，也说明了本方法适用于多种不同材料的织物。
73.表1：不同织物处理前后单纱抽拔力测试对比
74.织物种类未处理处理后抽拔力增长倍数芳纶9.410010.6聚乙烯/芳纶混织8.210913.3高强涤纶5.311321.3。

技术特征：
1.一种剪切增稠流体与织物的复合方法，其特征在于包括以下步骤：a、预混合：向剪切增稠流体中加入ph＝7.1～9的氨水，混匀得预混合液；b、分散：将预混合液置于密闭容器中，水浴中中频超声分散得到均一的稀释液；c、浸渍：将织物浸入稀释液中，浸渍过程同时进行高频超声处理，浸渍后挤出多余液体，将织物烘干即可。2.根据权利要求1所述的一种剪切增稠流体与织物的复合方法，其特征在于所述流体与氨水的质量比为1：0.5～3。3.根据权利要求1所述的一种剪切增稠流体与织物的复合方法，其特征在于预混合所用仪器为旋涡振荡仪。4.根据权利要求1所述的一种剪切增稠流体与织物的复合方法，其特征在于制成的预混合液呈乳白色，有团聚的毫米、微米级粒子簇。5.根据权利要求1所述的一种剪切增稠流体与织物的复合方法，其特征在于分散过程中，超声功率密度为50～100w/加仑，超声频率为30～40khzf，超声温度为30～50℃，超声时间为10～30min。6.根据权利要求1所述的一种剪切增稠流体与织物的复合方法，其特征在于浸渍过程中超声功率密度为50～100w/加仑，超声频率为68～80khzf，超声温度为30～40℃，超声处理时间为10～30s。7.根据权利要求1所述的一种剪切增稠流体与织物的复合方法，其特征在于步骤b制得的稀释液静置4天不产生沉淀。8.根据权利要求1所述的一种剪切增稠流体与织物的复合方法，其特征在于步骤b制得的稀释液经过孔径1～3μm滤纸无颗粒状物质残留。9.根据权利要求1所述的一种剪切增稠流体与织物的复合方法，其特征在于所述织物烘干后含液量为7～25％。

技术总结
本发明公开了一种剪切增稠流体与织物的复合方法，包括以下步骤：向剪切增稠流体中加入pH＝7.1～9的氨水，混匀得预混合液,制成的预混合液呈乳白色，有团聚的毫米、微米级粒子簇；将预混合液置于密闭容器中，水浴中中频超声分散得到均一的稀释液；将织物浸入稀释液中，浸渍过程同时进行高频超声处理，浸渍后挤出多余液体，将织物烘干即可。本发明分散流体时不会引入外界杂质，使用中频率超声波处理，防止粒子团聚，浸渍时辅以高频率超声波振荡，可以消除织物结构内的微米级、亚微米级气泡，增加流体与织物的复合均匀度,增加复合材料的强度和防刺性能。强度和防刺性能。强度和防刺性能。


技术研发人员：张赶年 石正兵
受保护的技术使用者：中山莱圃新材料有限公司
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/16