一种耐低温智能材料及其制备方法

技术领域

本发明属于智能材料技术领域，具体涉及一种耐低温智能材料及其制备方法。

背景技术

冲击/振动防护一直是科学领域重点研究的课题，在许多工程问题中都需要防护材料来抵抗、吸收和耗散外部冲击/振动所产生的能量。随着材料科学的发展，许多特殊领域，如航空航天、交通运输、人体防护等场合对防护材料的性能有了更严苛的要求，不仅要求材料具有优异的防护性能，还对材料的质量、柔韧性、稳定性等综合性能有着严格要求。传统的防护材料大多无法兼具这些特殊要求，开始逐渐被淘汰。

剪切变硬材料是一种能够在外界载荷作用下实现“软-硬”状态切换的新型智能软材料。剪切变硬材料集快速响应能力、自愈能力和应力场适应能力于一体，在冲击防护、振动控制与缓冲结构等方面都有着广阔的应用前景。

大量研究发现，温度对剪切变硬材料的防护性能有显著影响，特别是在极端低温条件下。从目前的研究来看，关于在极端低温条件依然能保持剪切变硬特性的材料的研究仍然较少。常见的剪切变硬材料无法很好地适应各类复杂多变的环境条件，在很大程度上限制了剪切变硬材料的应用。

发明内容

本发明改进传统技术的不足，提供一种耐低温智能材料及其制备方法，旨在拓展传统剪切变硬材料的温度敏感区间，使其在低温条件下依然具有显著的剪切变硬特性。基于此，该智能材料在极端条件下的冲击防护领域具有较大的潜力。

具体来说，本发明通过如下技术方案实现：

本发明首先提供了一种耐低温智能材料，其特点在于，所述智能材料的原料包括硅油、硼化物、正辛酸、抗冻剂、塑化剂。

在本发明的一个实施方案中，所述智能材料在-50摄氏度至100摄氏度条件下具有抗冲击特性。

在本发明的一个实施方案中，所述硅油为二甲基羟基硅油、聚二甲基硅氧烷或聚二乙基硅氧烷中的至少一种。

在本发明的一个实施方案中，所述硼化物为氧化硼、硼酸、硼酸盐或卤化硼中的至少一种。优选地，所述硅油与硼化物的质量比为10-100：1。

在本发明的一个实施方案中，优选地，所述正辛酸的添加量为每克硼化物加入10-50微升正辛酸。

在本发明的一个实施方案中，所述抗冻剂为甲醇、乙醇或乙二醇中的至少一种。优选地，所述硅油与抗冻剂的质量比为10-100：1。

在本发明的一个实施方案中，所述塑化剂为邻苯二甲酸酯、二元醇脂肪酸酯或甘油三乙酸酯中的至少一种。优选地，所述硅油与塑化剂的质量比为1-100：1。

本发明进一步提供了上述在极端低温条件下具有剪切变硬特性的智能材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将硅油与硼化物混合并在高温下聚合；

步骤2、向步骤1获得的反应产物中加入正辛酸后冷却至室温获得剪切变硬胶；

步骤3、将步骤2中获得的剪切变硬胶与抗冻剂、塑化剂使用炼胶机混炼均匀，即获得耐低温智能材料。

在本发明的一个实施方案中，所述在高温下聚合是在30-300摄氏度下进行。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明将硅油、硼化物、正辛酸、抗冻剂、塑化剂在高温条件下反应获得智能材料，其在室温和低温条件下(-50摄氏度至100摄氏度条件)皆具有抗冲击特性。硅油与硼化物在高温情况下将会进行交联反应并产生大量动态硼氧键，在高应变率状态下动态硼氧键的生成速率将会大于断裂速率，使材料的储能模量显著提升，在宏观上即表为变硬特性。正辛酸可以加速硅油与硼化物的交联速率，起催化作用。抗冻剂具有很低的熔点，可以有效降低剪切变硬胶的玻璃化转变温度。塑化剂主要起软化作用，以防止剪切变硬胶在低温下的粘度过大影响其耗散性能。

附图说明

图1为实施例1、2、3所得智能材料的储能模量；

图2为实施例1、2、3所得智能材料在落锤冲击下的防护效果；

图3为实施例2所得智能材料在不同温度下的储能模量；

图4为实施例2所得智能材料在不同温度情况下在落锤冲击下的防护效果；

图5为实施例2、4、5所得智能材料的储能模量；

图6为实施例2、4、5所得智能材料在落锤冲击下的防护效果；

图7为实施例2、6、7所得智能材料的储能模量；

图8为实施例2、6、7所得智能材料在落锤冲击下的防护效果。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面的实施例所制得的样品的性能参数按照如下测试方法进行测试：

A、使用商用流变仪测量智能材料的储能模量。

B、采用落锤试验装置对智能材料的抗冲击性能进行研究。

实施例1

本实施例的智能材料，原料包括：

硅油：选用二甲基羟基硅油；

硼化物：选用硼酸，硅油与硼酸的质量比为20：1；

正辛酸：添加量为每克硼化物加入25微升正辛酸；

抗冻剂：选用乙醇，硅油与抗冻剂的质量比为20：1；

塑化剂：选用乙二醇脂肪酸酯，硅油与塑化剂的质量比为20：1。

本实施例智能材料的制备方法，包括以下步骤：

将硅油与硼化物混合均匀，放入温度为180摄氏度的烘箱中，每隔10分钟搅拌一次，待硅油结块后，加入正辛酸，并再次搅拌，继续加热20分钟后取出，冷却至室温，获得剪切变硬胶。

先将剪切变硬胶与抗冻剂使用炼胶机混炼均匀，再加入塑化剂，继续混炼10分钟，即获得耐低温智能材料。

实施例2

本实施例按与实施例1相同的原料和方法制备智能材料，区别仅在于：硅油与硼酸的质量比为40：1。

实施例3

本实施例按与实施例1相同的原料和方法制备智能材料，区别仅在于：硅油与硼酸的质量比为80：1。

图1为实施例1、2、3所得智能材料在20摄氏度下的储能模量对比图，从图中可以看出：随着硼酸含量的减少，智能材料的平台储能模量显著降低，其剪切变硬效果也有所减弱。

图2为实施例1、2、3所得智能材料在落锤冲击下的防护效果，从图中可以看出：随着硼酸含量的减少，该智能材料对冲击力的耗散效果有显著提升。

图3为实施例2所得智能材料在20摄氏度、0摄氏度和零下20摄氏度时的储能模量对比图，从图中可以看出：该智能材料的储能模量受温度的影响并不大，即使在零下20摄氏度依然保持有明显的剪切变硬特性。

图4为实施例2所得智能材料在20摄氏度、0摄氏度和零下20摄氏度时在落锤冲击下的防护效果，从图中可以看出：即使温度降低至零下20摄氏度，该智能材料的能量耗散效果并没有下降，依旧表现出了良好的冲击防护性能

实施例4

本实施例按与实施例2相同的原料和方法制备智能材料，区别仅在于：硅油与抗冻剂的质量比为40：1。

实施例5

本实施例按与实施例2相同的原料和方法制备智能材料，区别仅在于：硅油与抗冻剂的质量比为80：1。

图5为实施例2、4、5所得智能材料在20摄氏度下的储能模量对比图，从图中可以看出随着抗冻剂含量的减少，智能材料的平台储能模量显著提升，其剪切变硬效果也更加明显。

图6为实施例2、4、5所得智能材料在落锤冲击下的防护效果，从图中可以看出随着抗冻剂含量的减少，该智能材料对冲击力的耗散效果有所减弱。

实施例6

本实施例按与实施例2相同的原料和方法制备智能材料，区别仅在于：硅油与塑化剂的质量比为10：1。

实施例7

本实施例按与实施例2相同的原料和方法制备智能材料，区别仅在于：硅油与塑化剂的质量比为40：1。

图7为实施例2、6、7所得智能材料在20摄氏度下的储能模量对比图，从图中可以看出随着塑化剂含量的减少，智能材料的平台储能模量显著提升，其剪切变硬效果也更加明显。

图8为实施例2、6、7所得智能材料在落锤冲击下的防护效果，从图中可以看出随着塑化剂含量的减少，该智能材料对冲击力的耗散效果有所减弱。

以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。