Synthesis and rheological behavior of shear thickening fluids (stfs) for liquid armor applications

Abstract

Shear thickening is a phenomenon which is generally observed in concentratedcolloidal dispersions and defined as the increase in viscosity with increasing shear stressor shear rate. This property brings many drawbacks for general use and restrict theirapplication areas as well as makes them beneficial in protective applications. Liquidarmor is the most widely studied field of shear thickening fluids (STFs).The goal of this study is to produce STFs and measure their rheological behavioras well as preparing STF/aramid fabric composites and testing their mechanicalproperties in terms of stab, flexibility and ballistic tests.for liquid armor applications.For this purpose, fumed silica and polyethylene glycol (PEG) based dispersions wereprepared by sonochemical method. The effect of filler concentration and molecularweight of continuous phase was observed by using 5-30 wt% fumed silica and PEGshaving 200, 300, 400 and 600 g/mole molecular weight, respectively. Also,microstructural and thermal characterization of raw materials and STFs were performed.According to the collected rheological data, viscosity increment of STFs isincreased with concentration. The maximum available viscosity was obtained forSTF30-PEG 200 as 1622 Pa.s and the lowest critical shear rate was measured forSTF30-PEG 300 as 11.1 s-1. Moreover, it was found that the viscous property dominatesthe elastic property of STFs with greater viscous modulus (G`) values than the elastic(G') modulus. Both moduli values were also reflected the thickening property withvarying angular frequency and strain %. Stab and ballistic tests showed that STFimpregnation enhances the resistance property of neat fabrics. The maximum load wassupported by aramid fabric/STF30-PEG200 composite as 137 N whereas the higheststiffness was measured as 9ofor aramid fabric/STF30-PEG 600 composite. Also, inballistic tests, the highest result was obtained as 623m/s for the sample which composedof a configuration of STF impregnated aramid and Ultrahigh molecular weightpolyethylene (UHMWPE) fabrics with neat polyethylene (PE) laminae.

Kesme ile kalınlaşma genellikle konsantre kolloidal dağılımlarda gözlenen veartan kesme gerilmesi ya da kesme hızı altında viskozite artışı olarak tanımlanan birolaydır. Bu özellik, genel kullanımda birçok dezavantaj getirerek kesme ile kalınlaşansıvıların (KKS) kullanım alanını sınırlamasının yanında, onları koruyucu uygulamalariçin yararlı hale getirmektedir. Koruyucu uygulamalar içerisinde sıvı zırh, KKS lerinliteratürde en çok çalışıldığı alanı oluşturmaktadır.Bu çalışmanın amacı, sıvı zırh uygulamaları için KKS ler üreterek onlarınreolojik davranışlarını kontrol etmenin yanı sıra, KKS/aramid kumaş kompozitlerihazırlamak ve bu kompozitlerin mekanik özelliklerini delme, esneklik ve balistikyönünden test etmektir. Bu amaçla, fumed silika ve polietilen glikol (PEG) esaslıdağılımlar sonokimyasal method yardımı ile hazırlanmıştır. Dolgu malzemesikonsantrasyonunun ve sıvı fazın molekül ağırlığının etkisi, silika miktarını %5 ila 30ağırlık konsantrasyonunda değiştirerek ve molekül ağırlığı 200, 300, 400 and 600g/mole olan PEG'ler kullanarak gözlenmiştir. Ayrıca, ham malzemelerin ve KKS'lerinmikroyapı ve termal karakterizayonu da gerçekleştirilmiştir.Elde edilen reolojik verilere göre, KKS'lerin viskozitesi fumed silikakonsantrasyonu ile artmıştır. Maksimum viskozite değeri, 1622 Pa.s olarak STF30-PEG200 numunesinde gözlenirken, en düşük kritik kesme değeri 11.1 s-1olarak STF30-PEG300 numunesi için elde edilmiştir. Ayrıca, KKS'lerin viskoz modül değerlerinin elastikmodül değerlerinden yüksek olduğunun gözlenmesi ile, viskoz özelliğinin elastiközelliğine baskın geldiği belirlenmiştir. Her iki modül değeri değişen açısal hız ve %gerinim genliği ile kesme ile kalınlaşma özelliğini yansıtmaktadır. Delme testlerinde enyüksek delme yükü 137 N olarak, aramid kumaş/ STF30-PEG200 kompoziti tarafındangösterilirken en düşük esneklik değeri aramid kumaş/ STF30-PEG600 kompoziti için 9oolarak elde edilmiştir. Balistik testlerde ise en yüksek değer, 623 m/s olarak STFempreyne edilmiş aramid ve Ultrayüksek yoğunluklu polietilen (UHMWPE) kumaşlarve ham polietilen (PE) tabakalarının konfigürasyonundan oluşan numune için eldeedilmiştir