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TWI535784B - 剪切增稠配方、及包含其之複合材料 - Google Patents

剪切增稠配方、及包含其之複合材料 Download PDF

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Description

剪切增稠配方、及包含其之複合材料
本發明係關於一種剪切增稠配方及其應用。
剪切增稠(shear thickening)材料可應用於耐衝擊防護用具，在遭遇高速衝擊時，瞬間吸收能量變硬，提供防護作用，能量卸除後，恢復原有可塑狀態，應用範圍相當廣泛，也因此，加快剪切增稠材料之剪切增稠速度，或是提高剪切增稠材料之最大黏度以防護效果更佳。
綜上所述，開發剪切增稠速度更快或防護效果更佳的剪切增稠配方與護具是重要的課題。
根據本發明一實施例，本發明揭露一種剪切增稠配方，包含：無機粒子，以及聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG)，其中無機粒子與聚乙二醇之重量比值係介於3至4之間，該無機粒子可為二氧化矽(silica)、三氧化二鋁(aluminium oxide)、碳化矽(silicon carbide)、奈米鑽石(nano diamond)或上述之組合。
根據本發明一實施例，本發明揭露一種複合材料，包含：基材以及如前所述之剪切增稠配方。
本發明係揭露一種剪切增稠配方及其應用。剪切增稠配方在低剪切率下能達到最大黏度，具有快速增稠現象，使包含其之複合材料能在承受撞擊時吸收衝擊能量。而且，當本發明所述之複合材料包覆一物體時可發揮耐衝擊之防護特性。
本發明所述之剪切增稠配方，可包含無機粒子以及聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)，其中無機粒子與聚乙二醇之重量比值約介於3至4之間。
本發明所指「介於某兩數值之間」係包含上述兩數值，舉例來說，無機粒子與聚乙二醇之重量比值約介於3至4之間，係指上述重量比值範圍包含3與4。
在一實施例中，該無機粒子(例如摩氏硬度值7以上之球形粒子)可為二氧化矽(silica)、三氧化二鋁(aluminium oxide)、碳化矽(silicon carbide)、奈米鑽石(nano diamond)或上述之組合。在一實施例中，無機粒子之粒徑約介於200nm至5000nm之間或約介於300nm至1000nm之間。
在一實施例中，聚乙二醇之重量平均分子量約介於100至6000之間，若重量平均分子量過大，則配方易固化，若重量平均分子量過小，則降低增稠效果，產生垂流。
上述聚乙二醇可為一種重量平均分子量之聚乙二醇，亦可為多種不同重量平均分子量之聚乙二醇之混合物。在 一實施例中，聚乙二醇包含第一聚乙二醇以及第二聚乙二醇，其中第一聚乙二醇之重量平均分子量約介於100至400之間，第二聚乙二醇之重量平均分子量約介於600至2000之間，且第一聚乙二醇與第二聚乙二醇之重量比值約介於1至3之間，若重量比值過大，則降低增稠效果，產生垂流，若重量比值過小，則配方易固化。
在一實施例中，可進一步添加約1至10重量份(以無機粒子為100重量份)之填料於上述剪切增稠配方之中，無機粒子與填料之重量比值約介於10至100之間，可使剪切增稠配方之最大黏度值提升或降低剪切率(提升快速增稠效果)，若填料含量過多，則配方易固化或降低增稠效果，若填料含量過少，則增稠效果提升有限。上述填料可選用奈米黏土(nanoclay)、奈米纖維素(nanocellulose)或上述之組合。在一實施例中，奈米黏土之直徑係介於10nm至50nm之間，厚度係介於0.1nm至2nm之間。若奈米黏土之直徑或厚度過大，則降低增稠特性，若奈米黏土之直徑或厚度過小，則增稠效果提升有限。在一實施例中，奈米纖維素之直徑係介於1nm至200nm之間，長度係介於0.01μm至100μm之間。若奈米纖維素之直徑過大，則配方易固化，若奈米纖維素之直徑過小，則增稠效果提升有限。
本發明之剪切增稠配方在剪切率約小於或等於20s-1時，即可達到最大黏度，可快速增稠，甚至在一些實施例中，在剪切率約小於或等於10s-1時，就可達到最大黏度。
本發明之剪切增稠配方可依實際需要做各種應 用，可利用上述剪切增稠配方來製備複合材料，其可應用於耐衝擊及防護等用途。在一實施例中，製備上述複合材料之方法包括：將本發明之剪切增稠配方，塗佈於基材(例如：纖維、織物或金屬)上，於10℃~120℃下，加壓0.05小時~4.5小時，以得到一複合材料，其剪切增稠配方位於基材之表面。在另一實施例中，製備上述複合材料之方法包括：將一基材(例如：纖維、織物或金屬)含浸於本發明之剪切增稠配方，經疊層後於60℃~100℃下，加壓0.5小時~4.5小時，以得到一複合材料，其剪切增稠配方位於基材之內。在一實施例中，上述纖維，包括：碳纖維、玻璃纖維、或聚醯胺纖維。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例作詳細說明如下：
[剪切增稠配方] 實施例1
首先稱取76g二氧化矽(平均粒徑約500nm，SO-E2 silica,Denka Co.)、24g聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG，Mw：200,Aldrich)、75g乙醇溶劑(Ethanol,Chang Chun Plastics Co.)，置入500毫升單口玻璃反應器之中，於室溫下攪拌2~24小時後，減壓濃縮移除溶劑，即得到剪切增稠配方，其物理特性如表1所示。
實施例2
如實施例1所述方式進行，其中將所使用的二氧化矽改為78g以及將所使用的聚乙二醇改為22g，所得之剪切增稠配方物理特性如表1所示。
比較例1~2
如實施例1所述方式進行，其中將所使用的二氧化矽及聚乙二醇依照表1調整用量，所得之剪切增稠配方物理特性如表1所示。
由表1可知，實施例1~2之二氧化矽與聚乙二醇之重量比值係介於3至4之間，其剪切增稠配方能在剪切率8s-1~9s-1就達到最大黏度，相對於比較例1~2大幅提升快速增稠效果。
實施例3
將實施例1所得之剪切增稠配方改為在50℃測試其物理特性，如表2所示。
實施例4~5
如實施例1所述方式進行，其中將所使用的聚乙二醇改為不同分子量之聚乙二醇之混合物，其依照表2調整分子量與用量，所得之剪切增稠配方之測試溫度與物理特性如表2所示。
由表2可知，實施例4~5使用兩種分子量之聚乙二醇混合物，其剪切增稠配方能在高溫下仍保有快速增稠效果。
實施例6~7
如實施例4所述方式進行，另添加不同含量之奈米黏土(Laponite RDS clay,D=25nm，t=0.92nm,Rockwood Co.)，其依照表3調整用量，所得之剪切增稠配方之物理特性如表3所示。
由表3可知，實施例6~7添加奈米黏土，可提升最大黏度，或降低剪切率使增稠效果更快速。
實施例8~10
將實施例4、6~7所得之剪切增稠配方改為在75℃測試其物理特性，其結果如表4所示。
由表4可知，實施例8~10使用兩種分子量之聚乙二醇混合物，其剪切增稠配方能在高溫下仍保有快速增稠效果。又，添加奈米黏土，可提升最大黏度或降低剪切率使增稠效果更快速。
實施例11~12
如實施例4所述方式進行，實施例11~12另分別添加4g之奈米纖維素(Celish KY-100G，直徑1~200nm，長度0.01~100μm,Daicel FineChem Ltd.)，在不同溫度下測試其物理特性，如表5所示。
由表5可知，實施例4和11的數據表示使用奈米纖 維素能有快速增稠效果，甚至可降低剪切率加速增稠效果。
[複合膜層材料1]
接著，將實施例1~11之剪切增稠配方塗佈於聚醯胺纖維後，經疊層於80~90℃加熱0.5~3小時，得到複合膜層材料，進行不垂流試驗與柔軟測試，說明如下。
[不垂流試驗]
將上述所製得之複合膜層材料垂直豎起3小時後，目視觀察塗料受重力影響之流動性，結果皆未發生垂流現象。
[柔軟測試]
依據中華民國警用防彈衣剛柔性試驗法，以Cantilever型剛柔試驗機作測試，讓壓重板與樣品同時緩慢平穩地向前滑動，當試樣之前端下垂至斜線之高度時，停止滑動，記錄樣品後端前進之位移，移動數值愈小代表柔軟度愈高(位移在28cm以下即合格)。將上述所製得之複合膜層材料進行柔軟測試，其結果如表6所示。
[複合膜層材料2] 實施例12
將碳纖維(台麗碳絲TC35-12K，台灣塑膠工業股份有限公司)含浸(impregnation treatment)於實施例7之剪切增稠配方，疊8組0°/90°交錯之含浸後碳纖維層，於80~90℃下加熱加壓0.5~4.5小時，得到複合膜層材料。
實施例13
將玻璃纖維(台玻直卷纱束346，2300±230 tex，台灣玻璃工業股份有限公司)含浸(impregnation treatment)於實施例7之剪切增稠配方，疊4組0°/90°交錯之含浸後玻璃纖維層，於80~90℃下加熱加壓0.5~4.5小時，得到複合膜層材料。
實施例14
將聚醯胺纖維(Twaron 2000 1680dtex,Teijin Aramid Co.,Ltd.)含浸(impregnation treatment)於實施例7之剪切增稠配方，疊8組0°/90°交錯之含浸後聚醯胺纖維層，於80~90℃下加熱加壓0.5~4.5小時，得到複合膜層材料。
比較例3~4
如實施例12所述方式進行，其中比較例3~4分別將碳纖維改為鋼板SS41(厚度1.0mm，信興機工企業有限公司)與6層碳纖平織布(G13-DB0301B，3K碳紗，泓明科技股份有限公司)，得到複合膜層材料。
比較例5
未使用複合膜層材料所作之衝擊試驗對照组。
[衝擊試驗]
接下來對實施例12~14以及比較例3~4之複合膜層材料與比較例5作衝擊試驗。首先，將複合膜層材料的一面黏貼黏土(厚度30mm)，再於複合膜層材料的另一面設置鋼製圓頭(110.4g，圓頭體積14.29cm3)，即複合膜層材料位於黏土與鋼製圓頭之間，再以48m/s球速之高爾夫球(直徑42.67mm)撞擊鋼製圓頭，使鋼製圓頭以25m/s速度撞擊複合膜層材料(鋼製圓頭與複合膜層材料之接觸面積為0.1~3cm2)，接著量測此複合膜層材料及黏土凹陷程度與體積如表7所示。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (18)

  1. 一種剪切增稠配方，包含：無機粒子；以及聚乙二醇(polyethylene glycol)，其中無機粒子與聚乙二醇之重量比值係介於3至4之間，該無機粒子係二氧化矽(silica)、三氧化二鋁(aluminium oxide)、碳化矽(silicon carbide)、奈米鑽石(nano diamond)或上述之組合，其中該聚乙二醇包含第一聚乙二醇以及第二聚乙二醇，該第一聚乙二醇之重量平均分子量係介於100至400之間，該第二聚乙二醇之重量平均分子量係介於600至2000之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之剪切增稠配方，更包含一填料，其中該無機粒子與該填料之重量比值係介於10至100之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之剪切增稠配方，其中該填料係奈米黏土(nanoclay)、奈米纖維素(nanocellulose)或上述之組合。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之剪切增稠配方，其中該奈米黏土之直徑係介於10nm至50nm之間。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之剪切增稠配方，其中該奈米纖維素之直徑係介於1nm至200nm之間。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之剪切增稠配方，其中該奈米黏土之厚度係介於0.1nm至2nm之間。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之剪切增稠配方，其中該奈米纖維素之長度係介於0.01μm至100μm之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之剪切增稠配方，其中該第一聚乙二醇與該第二聚乙二醇之重量比值係介於1至3之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之剪切增稠配方，其中該剪切增稠配方在剪切率小於或等於20s時，即達到最大黏度。
  10. 一種複合材料，包含：一基材；以及如申請專利範圍第1項所述之剪切增稠配方。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之複合材料，其中該剪切增稠配方係位於該基材之表面或該基材之內。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之複合材料，其中該剪切增稠配方更包含一填料，其中該無機粒子與該填料之重量比值係介於10至100之間。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之複合材料，其中該填料係奈米黏土(nanoclay)、奈米纖維素(nanocellulose)或上述之組合。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之複合材料，其中該奈米黏土之直徑係介於10nm至50nm之間。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之複合材料，其中該奈米纖維素之直徑係介於1nm至200nm之間。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之複合材料，其中該奈米黏土之厚度係介於0.1nm至2nm之間。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之複合材料，其中該奈米纖維素之長度係介於0.01μm至100μm之間。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之複合材料，其中該第一 聚乙二醇與該第二聚乙二醇之重量比值係介於1至3之間。
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