本发明涉及冲击防护材料,尤其涉及一种基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶及其制备方法。
背景技术:
1、常见的冲击防护材料,例如金属、陶瓷、硬质高分子等硬质材料以及高模量纤维、高分子泡沫、弹性体等柔性材料,通过微观结构的变形、断裂、破碎等不可逆方式耗散能量,展现出优异的力学性能和吸能特性,在防护工程领域有着较多的应用。然而这些材料或质量大、柔韧性差,或吸能效率低、坚固性不足,通常缺乏多次冲击防护能力。
2、剪切增稠液(shear thickening fluid,stf)作为一种可通过可逆的液-固转换来重复吸能的新型、轻质、智能材料,近年来在冲击防护领域受到了广泛的关注。stf是由分散相颗粒(如纳米二氧化硅(sio2)、淀粉粒子、聚苯乙烯粒子等)和分散介质(如水、聚乙二醇(peg)等)组成的高浓度悬浮液。在高剪切速率/应力下,其粘度急剧增加,由液态转变为瞬时固态;在冲击作用后,其粘度快速降低,恢复到初始液体状态。这种可逆的剪切增稠和液-固转换行为赋予stf柔韧性和坚固性的双重优点;其不仅能高效耗散冲击能量,还具备多次冲击防护能力。与球形粒子相比,非球形粒子因其形状各向异性可在更低浓度下提高stf粘度,使其由连续剪切增稠到非连续剪切增稠转变。但stf常态流动性使其拥有不易封装的缺点,易在实际应用过程中出现泄漏、流失、力学性能劣化等问题。
3、水凝胶是由水和三维聚合物网络构成的固态软质材料,由于其良好的稳定性、成型性和柔性在日用化工、仿生智能材料等领域得到了广泛应用。通常水凝胶的高强韧是在低频下实现的。在实际应用过程中,柔性的材料除了具备良好的温度适应性外,还会受到高频载荷或高速的外力冲击。因此需要其具有良好的缓冲减震作用。如果能将能量耗散效果优异的stf封装到水凝胶中,有望显著提升其冲击防护性能。水凝胶中丰富的水也可作为stf分散介质。但是目前将基于非球形粒子的stf与高强度的水凝胶复合构筑抗冲击柔性防护材料的探索在学术界几乎为空白,其在包装运输、运动防护、防爆防弹、医疗减震领域的应用鲜有报道。
技术实现思路
1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶及其制备方法,本发明提供的基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶可以应用于包装运输、运动防护、防爆防弹、医疗减震领域。
2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的:
3、一种基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶,由基于非球形粒子的剪切增稠流体和高分子材料复合而成。
4、进一步方案为,所述基于非球形粒子的剪切增稠流体由分散相和分散介质组成。
5、进一步方案为,所述分散相为非球形的淀粉粒子、二氧化硅纳米棒、二氧化硅粗糙粒子、聚苯乙烯棒、聚苯乙烯椭球、石墨烯片、石墨片、碳化硅纳米线、碳纳米管、氧化锌纳米线中的一种或多种。
6、进一步方案为,所述分散介质为去离子水或溶解有乙二醇、甘油、聚乙二醇、聚丙二醇中的一种或多种溶剂的去离子水。
7、进一步方案为,所述分散相与分散介质的质量比为1∶0.1-9,或1∶0.5-1.7。
8、进一步方案为,所述高分子材料是由丙烯酰胺、聚(乙二醇)二丙烯酸酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸苄酯、甲基丙烯酸羟乙酯、乙烯酸丙酯、丙烯酸乙酯中的一种或多种反应单体交联形成。
9、进一步方案为,所述分散介质中去离子水与聚乙二醇、聚丙二醇或甘油的质量比为1:0-0.9;或去离子水与甘油的质量比为1:0-0.8。
10、进一步方案为,所述高分子材料的质量分数为10%~90%,或为20%~40%。
11、本发明的另一目的在于提供上述基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶的制备方法,包括如下步骤:
12、步骤1、将引发剂、促进剂、交联剂中的一种或多种加入分散介质中,超声溶解后,加入分散相粒子,超声分散后,得到基于非球形粒子的剪切增稠液;
13、步骤2、将反应单体加入到剪切增稠液中,超声分散后,得到凝胶预聚液;
14、步骤3、将凝胶预聚液进行紫外光固化或热固化后,得到抗冲击柔性防护水凝胶。
15、进一步方案为,步骤1中所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化苯甲酰、1-羟基-环已基-苯基甲酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、2-甲基-1-[4-甲硫基苯基]-2-吗啉基-1-丙酮、α-酮戊二酸、安息香双甲醚中的一种,浓度范围为0.01~5wt%反应单体;交联剂为n,n-亚甲基双丙烯酰胺,浓度范围为0.01~5wt%反应单体;促进剂为亚硫酸铁、亚硫酸钠中的至少一种,浓度范围为0.01~2wt%反应单体;超声溶解时间为10s~5min,或为1min;所述的超声分散时间为1min~1h,功率为1000w;
16、步骤2中所述的超声分散时间为10s~3h,功率为1000w;
17、步骤3中所述的紫外光固化采用的波长为200~400nm和功率为10~300w,照射时间为10s~60min;所述的热固化温度为10~90℃,时间为1min~6h;或超声分散时间为1h;紫外光固化波长为365nm,时间为15min;热固化温度为60℃,时间为2h。
18、本发明的第三个目的在于提供上述水凝胶或如上述的方法制备得到的水凝胶在包装运输、运动防护、防爆防弹、医疗减震领域的应用。
19、本发明的有益效果在于:
20、(1)本发明将基于非球形粒子的stf与水凝胶复合构筑了抗冲击柔性防护水凝胶;这不仅克服了stf常态难封装、易流动泄漏导致其力学性能劣化的缺点,还充分发挥stf可逆高效的能量耗散特性和水凝胶优异强韧性的优势。
21、(2)本发明利用非球形粒子显著提升了stf的剪切增稠效果和水凝胶的冲击防护效果。
22、(3)本发明制备的水凝胶具有高效、可逆的能量耗散特性、良好的柔韧性、抗冻性和抗疲劳特性。
23、(4)本发明的制备工艺简单、成本低廉、实用性强。
1.一种基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶,其特征在于,由基于非球形粒子的剪切增稠流体和高分子材料复合而成。
2.如权利要求1所述的一种基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶,其特征在于,所述基于非球形粒子的剪切增稠流体由分散相和分散介质组成。
3.如权利要求2所述的一种基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶,其特征在于,所述分散相为非球形的淀粉粒子、二氧化硅纳米棒、二氧化硅粗糙粒子、聚苯乙烯棒、聚苯乙烯椭球、石墨烯片、石墨片、碳化硅纳米线、碳纳米管、氧化锌纳米线中的一种或多种。
4.如权利要求2所述的一种基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶,其特征在于,所述分散介质为去离子水或溶解有乙二醇、甘油、聚乙二醇、聚丙二醇中的一种或多种溶剂的去离子水。
5.如权利要求2所述的一种基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶,其特征在于,所述分散相与分散介质的质量比为1:0.1-9,或1:0.5-1.7;或所述高分子材料的质量分数为10%~90%,或为20%~40%。
6.如权利要求1所述的一种基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶,其特征在于,所述高分子材料是由丙烯酰胺、聚(乙二醇)二丙烯酸酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸苄酯、甲基丙烯酸羟乙酯、乙烯酸丙酯、丙烯酸乙酯中的一种或多种反应单体交联形成。
7.如权利要求2所述的一种基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶,其特征在于,所述分散介质中去离子水与聚乙二醇、聚丙二醇或甘油的质量比为1:0-0.9;或去离子水与甘油的质量比为1:0-0.8。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
9.如权利要求8所述的一种基于非球形粒子的抗冲击柔性防护水凝胶的制备方法,其特征在于,步骤1中所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化苯甲酰、1-羟基-环已基-苯基甲酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、2-甲基-1-[4-甲硫基苯基]-2-吗啉基-1-丙酮、α-酮戊二酸、安息香双甲醚中的一种,浓度范围为0.01~5wt%反应单体;交联剂为n,n-亚甲基双丙烯酰胺,浓度范围为0.01~5wt%反应单体;促进剂为亚硫酸铁、亚硫酸钠中的至少一种,浓度范围为0.01~2wt%反应单体;超声溶解时间为10s~5min,或为1min;所述的超声分散时间为1min~1h,功率为1000w;
10.如权利要求1-7任一项所述的水凝胶或如权利要求8-9任一项所述的方法制备得到的水凝胶在包装运输、运动防护、防爆防弹、医疗减震领域的应用。