剪切增稠液體研究現(xiàn)狀

1、剪切增稠液體研究現(xiàn)狀摘要：本文主要介紹了剪切增稠液體（STF）的研究現(xiàn)狀，并以常用的SiO2/PEG體系為例，對STF流變性能和應(yīng)用作簡單分析。關(guān)鍵字：剪切增稠；STF;SiO2/PEG;流變；1、前言據(jù)英國GIZ雜志報道，20世紀(jì)90年代中期，美國在“陸軍研究實驗室"（ARL）EricWetzel博士和“特拉華州立大學(xué)合成物質(zhì)研究中心”（UDTC）NormanWagner教授指導(dǎo)下，運用新型納米技術(shù)成功地研制出了“剪切增稠液體”1,2（ShearThickeningFluid,簡稱STF）。STF是一種新型功能材料，其在正常狀態(tài)下是略微黏稠的液體，而當(dāng)受沖擊作用時，表觀粘度會急劇增

2、加，呈現(xiàn)出固體的抗沖擊性能，當(dāng)沖擊力消失之后，又迅速回復(fù)到原來的柔性狀態(tài)，由此可見，這種剪切增稠效應(yīng)是一種非牛頓流體行為，并且此過程具有可逆性3-5O分散相粒子和分散介質(zhì)共同組成了STF體系，其中，分散相粒子可以分為兩類：一是天然存在的礦物質(zhì)；二是化學(xué)合成的聚合物，如二氧化硅和其它氧化物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、碳酸鈣等6,7,粒子可以是圓盤狀、球體、橢圓體和粘土顆粒等形狀，具以布朗運動、電荷作用、吸收表面活性劑等穩(wěn)定分散在介質(zhì)溶液中2,6,7,分散方式有單分散、雙分散或多分散；而分散介質(zhì)可以是水、有機物（乙醇、乙烯基乙醇或聚乙二醇）、鹽溶液（緩沖液或氯化鈉溶液等）等單一介質(zhì)，

3、也可以是多種介質(zhì)的復(fù)配體。2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對STF的研究目前主要剪切增稠機理、有流變性能、應(yīng)用研究三個方面。其中，關(guān)于前兩個方面研究的文獻較多，而對于其應(yīng)用研究才剛起步，已報道的主要是在防震及防護領(lǐng)域上的應(yīng)用：Fischer等人應(yīng)用STF設(shè)計出三明治梁，達到控制振動響應(yīng)的目的；美國Wagner博士等人制備出STF-Kevlar復(fù)合織物，不僅具有優(yōu)異的防彈性能，同時顯著地提高了材料的靈活性。2.1、 剪切增稠機理研究盡管對于STF體系的剪切增稠行為特點的研究歷史已經(jīng)不短，并一直受到許多學(xué)者的重視，但是由于實驗手段等各方面的限制，對其了解仍不夠深入。近年來，隨著各種光學(xué)手段以及控制應(yīng)力流變儀的應(yīng)

4、用，許多學(xué)者提出了一些機理，試圖解釋在剪切增稠區(qū)域所觀察到的現(xiàn)象網(wǎng)。對于剪切增稠的微觀機理，目前主要有兩種說法：其一是最先由Whitlock和Metzner提出，并由Hoffman證實的ODT機理6,9（有序到無序），即體系受到較小外力作用時，粒子的有序程度得到了提高，出現(xiàn)剪切變稀行為，而當(dāng)外力更大時，有序結(jié)構(gòu)被破壞，則會出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象1,7;其二是Bossis和Brady基于Stokesian動力學(xué)模擬而提出的“粒子簇”理論10-12,即剪切變稀是由于連續(xù)的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，而剪切增稠是由于體系中形成“粒子簇”，體系粘度增大，從而出現(xiàn)了增稠現(xiàn)象。對于SiO2/PEG體系中剪切變稀和剪切增

5、稠的現(xiàn)象，伍秋美等13認(rèn)為用粒子簇”機理解釋更為合理。即剪切作用較小時，受到破壞的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在粒子問作用力下能很快得到恢復(fù)，因此粘度基本不變；隨著剪切作用的增大，當(dāng)受到破壞的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能在粒子間作用力下得到修復(fù)時，體系粘度開始下降；隨著剪切作用的進一步增大，空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到越來越大程度的破壞，使得粘度繼續(xù)減小，當(dāng)達到某個臨界點時，流體作用力成為體系中主要作用力，由此生成了“粒子簇”，隨后隨著流體作用力的增大，“粒子簇”變大，其對流體的阻礙作用也隨之變大，因此流體的粘度增大1402.2、 STF流變性能2.2.1、 流變性能分析c£237.3380)一100Cincreasing

6、shearrate圖1690nmSiORPEG-200體系流變曲線圖1為“SiO2)=時SiO2/PEG-200分散體系的穩(wěn)態(tài)剪切增稠流變圖。從圖中可以看出，隨著剪切應(yīng)力的增大，粘度起初下降不明顯，之后隨剪切力增大而明顯下降，到轉(zhuǎn)折點b(臨界剪切速率)之后，粘度隨著剪切力的增大急劇增大。可以看出該體系屬于復(fù)雜的非牛頓流體。2.2.2、 濃度對穩(wěn)態(tài)流變性能的影響由圖2可知，STF臨界剪切速率隨著濃度的增加而減小。同時也可以看出，隨著濃度的增加，體系的起始粘度和最大粘度都會增加，但增加幅度有所區(qū)別，前者增加較為平緩，而后者增加比較迅速，并遠遠大于前者，體系出現(xiàn)明顯的增稠現(xiàn)象。由此推論，SiO2質(zhì)量

7、分?jǐn)?shù)越大，體系粘度越大，且增稠現(xiàn)象越明顯。形成這一規(guī)律的主要原因是：體系中固液間的作用力隨著固體粒子的增加而得到了增強，粘度增加，從而使得形成的“粒子簇”也更多或更大，對體系流動阻力也就增加，所以增稠效果就越明顯1501030。)、c密7,3380)100001DOG00101pa3(00l,48)a'。*/)f”0.50217aJD.01,1061*”0.10.0110100100101剪切速率(s')圖2690nmSiO2/PEG-200體系流變曲線(a)45%,(b50%,(c)55%223、PEG分子量對STF流變性能的影響10000100101110100剪切速率停)

8、圖3PEG不同分子量STF流變性能曲線(a)200,(b)400,(c)600圖3為SiO2粒徑為690nm,PEG分子量分別為200、400、600時的STF粘度隨剪切速率變化的雙對數(shù)曲線，即曲線a、b、c,其中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為45%。由圖可知，隨著剪切速率的增大，體系粘度先減小，過了臨界點后又增大，三條曲線變化趨勢基本一致，但c體系在臨界剪切速率后本度的增加趨勢不如a和b體系，且在此過程中，b體系的粘度甚至超過了c體系。同時可以看出，隨著PEG分子量的增加，臨界剪切速率減小，起始粘度和最大粘度增加，但c體系最大粘度并沒有比起始粘度增加很多，增稠效果不如a、b體系。這是因為體系中含有的S

9、iO2量是一樣的，對于PEG而言，由其分子式可知，-OH基團只位于長鏈分子的兩端，則隨著分子量增大，分子鏈增長，相同質(zhì)量的PEG中含有的羥基減少，則與二氧化硅團聚體形成的氫鍵數(shù)也減少，這樣固液間的作用力弱，只需要較小的流體作用力，就能使SiO2擺脫液相束縛參與到“粒子簇”的生成，因此，其臨界剪切速率隨著PEG分子量的增大而減小。但對于c體系來說，由于PEG分子量更大，分子鏈也更長，則形成的氫鍵數(shù)也更少，形成相對孤立SiO2團聚體也就更多，當(dāng)流體作用力在體系中成為主要作用力時，太多的SiO2團聚體削弱了流體作用力，導(dǎo)致體系中二次團聚形成的“粒子簇”數(shù)量減少，所以其增稠效果不是很好。0.01D.g

10、i0Jt1D1Q0期罰速率應(yīng)。2.2.4、SiO2粒徑對10CC100圖4不同SiO2粒徑STF體系流變曲線(a)80nm,(b)250nm,(c)690nm圖4為PEG分子量為200,SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%,粒徑分別為80nm、250nm、690nm時的STF體系粘度隨剪切速率變化的雙對數(shù)曲線，即曲線ab、c。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，a體系的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高能配制到26%,且此時其已不能很好的流動。由圖可知，a體系的起始粘度明顯高于b、c體系，這可能是因為小粒徑時，粒子靠的緊密，使得體系不易流動，從而表現(xiàn)為起始粘度較大。同時，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，a體系發(fā)生了剪切增稠現(xiàn)象且粘度始終大于b、c體系，而對于大粒

11、徑的b、c體系，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%,對其來說固含量相對較低，沒有出現(xiàn)增稠現(xiàn)象，但b體系的粘度始終高于c體系。這是因為大粒徑時，相同質(zhì)量的SiO2含有的粒子數(shù)少，使得增稠后形成的“粒子簇”也就少，還不足以發(fā)生增稠現(xiàn)象。如果體系都能出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象，則臨界剪切速率會隨著粒徑的減小而增大，這是因為小粒徑時，要產(chǎn)生剪切增稠現(xiàn)象，需要更大的剪切速率才能生成“粒子簇”。3、STF在個體防護裝備中的應(yīng)用近年來隨著高性能纖維材料的發(fā)展，個體防護裝甲也取得了長足進展，逐漸由原來的硬質(zhì)、半硬質(zhì)產(chǎn)品，發(fā)展到目前的軟質(zhì)產(chǎn)品。這種轉(zhuǎn)變不僅減輕了裝甲質(zhì)量，而且改善了其舒適性。盡管如此，人們對于個體防護裝甲的研究仍未停止，仍

12、再不斷尋求更加舒適與輕便的材料。近來，有關(guān)研究表明，給生產(chǎn)帶來負(fù)面影響的剪切增稠液體（STF）,被用于浸滲高性能防護材料時，在不改變材料防彈和防刺性能的情況下，可顯著提高防護裝甲的舒適性，并進一步減輕裝甲質(zhì)量。STF在個體防護裝甲上的應(yīng)用始于2000年，美國特拉華州立大學(xué)合成物質(zhì)研究中心與美國陸軍研究試驗室下屬的“武器原料研究理事會”合作，擬通過STF浸滲高性能纖維材料，來增加個體防護裝甲的柔軟性，并就此減輕裝甲質(zhì)量。他們先后提出了針對STF和防護織物的研究要求。如STF中粒子的各向異性；粒子尺寸、粒子種類和粒子表面自由能與提高防護裝甲能量吸收的關(guān)系。防護織物中織物的結(jié)構(gòu)、纖維的種類和細度。S

13、TF-織物復(fù)合材料中STF加入的模式、STF的加入量和織物鋪層的先后順序等16。雖然國外關(guān)于STF在個體防護裝甲上的應(yīng)用已開展了許多研究，并取得了一定成果。但其所用的STF和纖維織物種類比較單一，而且對STF-纖維織物復(fù)合材料防護性能的機理研究比較淺顯。有必要繼續(xù)開展以下幾方面的研究工作：STF中分散相粒子的種類、粒度分布及分散介質(zhì)對液體流變特性的影響；織物種類與結(jié)構(gòu)對STF-纖維織物復(fù)合材料防護性能的影響；STF流變特性與STF-織物復(fù)合材料防護性能的關(guān)系。參考文獻：1龐娟.納米藥水制造超級防彈衣J,現(xiàn)代物理知識，2008,20(1):51.2湯勝博，孫建科，常鵬北，等.納米材料在防彈衣上的

14、應(yīng)用J.材料開發(fā)與應(yīng)用,2009,24(2):60-61.RaghavanSR,KhanSA.Shear-thickeningresponseoffumedsilicasuspensionsundersteadyandosc川atoryshearJ.JournalofColloidandInterfaceScience,1997,185(1):57-67.HoffmanRL.Discontinuousanddilatantviscositybehaviorinconcentratedsuspensions.n.TheoryandexperimentaltestsJ.JournalofCollo

15、idandInterfaceScience,1974,46(3):491-506.BarnesHA.Shearthickening(,dilatancy?)insuspensionsofnonaggregatingsolidparticlesdispersedinNewtonianliquidsJ.JRheol,1989,33(2):329-366.6徐素鵬，張玉芳.剪切增稠液體在個體防護裝甲上的應(yīng)用進展J.高科技纖維與應(yīng)用,2008,33(3):40-42.7鄭景新，陳芳，鐘婷婷.二氧化硅粒子在剪切增稠液體中的研究和應(yīng)用進J.有機硅氟資訊，2009,(9):132-136.8莫小剛，張春光，

16、劉尚營，等.低剪切速率下聚乙二醇/KCl/蒙脫土分散體系的剪切稠化現(xiàn)象J.化學(xué)學(xué)報，2003,61(1):129-132.HoffmanRL.ExplanationsforthecauseofshearthickeninginconcentrateddispersionsJ.JRheol,1998,42(1):111-125.LeeYS,WetzelED,EgresRG,etal.AdvancedbodyarmorutilizingshearthickeningfluidsR.Orlando,FL:Proceedingsofthe23rdArmyscienceconference,2002.E

17、gresRG,LeeYS,KirkwoodJE,etal.Novelflexiblebodyarmorutilizingshearthickeningfluid(STF)compositesC.SanDiego,CA:Proceedingsofthe14thInternationalconferenceoncompositematerials,2003.WetzelED,WagnerNJ.Protectivefabricsutilizingshearthickeningfluids(STFs)R.Pittsburgh,PA:Proceedingsofthe4thInternationalconferenceonsafetyandprotectivefabrics,2004.13伍秋美，