不同体系剪切增稠液体的流变行为研究

路 瑶，富 蕾，王 丹，赵华蕾，王燕萍，王依民，2

（1.东华大学材料科学与工程学院，上海 201620；2.东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620）

不同体系剪切增稠液体的流变行为研究

路 瑶1，富 蕾1，王 丹1，赵华蕾1，王燕萍1，王依民1，2

（1.东华大学材料科学与工程学院，上海 201620；2.东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620）

剪切增稠液体是指其表观粘度随剪切速率增加而变大的一类流体。工业生产中，剪切增稠的出现会阻碍输送管道，破坏生产设备。针对这种情况，人们对如何降低流体粘度造成的不利影响进行了大量研究。另一方面，剪切增稠液体是“液体防弹材料”的关键组成部分，并且在减震、控制方面也具有可观的应用潜力。该文采用原生粒径为50 nm的SiO2和80～100 nm的CaCO3分别作为分散相，聚乙二醇（PEG）200为分散介质，采用超声分散法制备得到不同固含量的剪切增稠液。并通过纳米粒度仪和扫描电镜对分散相粒子团聚情况进行分析；通过应力控制流变仪分别对SiO2／PEG200和CaCO3／PEG200悬浮分散体系的稳态流变性能进行分析。结果表明，两种体系试样在测试中均出现剪切增稠现象，并且分散相质量分数越高，剪切增稠效果越明显；而高质量分数的SiO2／PEG200体系的粘度变化范围更大，增稠现象更为明显。

剪切增稠液体 二氧化硅 碳酸钙 超声分散

Freundilich和Roder于1938年首次在硬质球形分散液中发现了剪切增稠现象，体系粘度会随着剪切应力或剪切速率的增加而显著上升［1］。20世纪90年代中期，美国Wetzel博士和Wagner教授研究团队运用新型微纳米技术成功研制出了“剪切增稠流体”（Shear Thickening Fluid，简称STF），并开始探索其在个人防护材料领域的应用［2，3］。

STF是分散相粒子稳定分散于连续介质中形成的悬浮分散体系。分散相粒子可以是天然存在的矿物质，也可以是化学合成的聚合物，其中以SiO2最为常用。分散介质可以是水、有机物、矿物油、盐溶液等单一物质，也可由多种介质复配而成［4］。纵观国内外剪切增稠液在软体防护领域的研究，大多数研究主要针对亚微米SiO2分散体系，而关于纳米级SiO2分散体系的研究则相对较少。纳米级粒子比表面积大，与分散介质间接触面积更大，能够形成悬浮稳定的分散体系。同时，由纳米级分散相制备得到的STF不易发生沉淀，具有很好的稳定性。

随着近几年我国对“三农”投入的不断加强，土地整治越来越体现出其在解决“三农”问题中的重要作用，受到各级政府的高度重视。《中共中央国务院关于加大统筹城乡发展力度进一步夯实农业农村发展基础的若干意见》(中发[2010]1号)明确提出了要有序开展农村土地整治。土地整治规划则是保障土地利用总体规划的目标任务全面落实的重要措施，是规范有序开展土地整治工作的重要依据。近年来,随着我国农用地整理项目和未利用地开发项目的实施，补充耕地的重点逐渐转向了农村居民点复垦[1]。因此，科学、合理地进行农村居民点复垦潜力估算以及分区研究是土地整治规划的重要环节，是规划方案拟定的基本依据。

尼姑寺的所有建筑朝东而坐，右边是田野和村舍，左边是苍翠的原始森林。站在寺院的院子里放眼望去，雄奇的山川尽收眼底。寺院院子里，各种花卉争相开放，山风吹过时，阵阵花香混合着从大殿飘来的檀香扑鼻而来。下了早课的尼姑们，身着绛红色的袈裟，在寺院旁边的核桃林中闭目念诵。

笔者分别采用纳米级二氧化硅（nano-SiO2）和纳米碳酸钙（nano-CaCO3）作为分散相，PEG200为分散介质，制备出剪切增稠液体，并对其稳态流变性能进行了测试研究。

1 试 验

图1分别为SiO2和CaCO3纳米粒子的粒径分布图。Nano-SiO2（图1a）粒径峰值在87 nm处，分布范围为65～101 nm；nano-CaCO3（图1b）粒径峰值在92.3 nm处，分布范围为82.2～116.4 nm。两种纳米粒子都具有较高的表面能，粒子不会孤立存在，而是通过团聚形成团聚体。

nano-SiO2粉体由德固赛公司提供，原生粒径为50 nm；nano-CaCO3粉体由上海翱辉实业有限公司提供，粒径80～100 nm；PEG200由国药集团化学试剂有限公司提供，试剂为分析纯。

使用控制应力流变仪（HAAKE RS150L）进行流变试验。试验在常温下进行，使用锥板夹具，板直径为35 mm，锥角1°，板间距固定为0.053 mm。在剪切速率区间为0.1～10 000 s－1进行稳态扫描。

2.3 nano-CaCO3／PEG200体系稳态流变性能研究

如图3所示，随着SiO2含量增大，STF的起始粘度随之上升，体系增稠效果显著。40%（w）SiO2的STF体系粘度上升最大，在700 s－1时，粘度达到10 Pa·s，30%（w）SiO2的粘度在1 000 s－1时为4 Pa·s。与30%（w）SiO2／PEG200和40%（w）SiO2／PEG200体系相比，nano-SiO2质量分数为20%（w）的试样在高速剪切下同样具有剪切增稠效应，但粘度变化小。当SiO2质量分数较低时，剪切速率作用下生成的粒子簇较小，对流体阻碍作用小，粘度增加有限。当SiO2质量分数进一步增大后，体系中二氧化硅粒子显著增多，能够形成更大的粒子簇，使得粒子间能够进行自由流动的分散介质变少，宏观上表现为体系流动性下降，粘度显著上升。

图2为放大1 000倍下的nano-SiO2粉体（a）和nano-CaCO3粉体（b）的扫描电镜图，从图中可以看出，粒子并非单独存在，而是形成聚集体，团聚严重。笔者在制备过程中采取缓慢加入、快速搅拌、延长超声时间等方式促进粒子分散，以得到均匀的悬浮体系。

曾经有人举办过一场“卓别林模仿大赛”，卓别林自己也偷偷匿名参加，结果只拿了第三名，他觉得这简直是人生中最大的笑话。

1.4 稳态流变性能测试

1.2 STF的制备

2 结果与讨论

2.1 团聚情况分析

1.1 试剂

图1 纳米SiO2和纳米CaCO3粒径分布

采用纳米粒度与电位分析仪（Nano ZS）分别对纳米SiO2粒子和CaCO3粒子进行粒度测试。采用扫描电镜（EVO LS25）对两种纳米粒子的分布进行分析。

其次，这两种思维差异还体现在对动词种类的使用以及其语态上。正是英语中“以物为主”和汉语中“以人为主”的特点决定了两种语言在谓语动词方面的选择。英语中最具标志性的表达形式之一就是常用“有灵动词”(animate verb)充当谓语，如bring,drive,find,offer等等，不胜枚举。而另一重要突出标志则体现在语态上，英语中经常会使用大量的被动语态，如下例：

2.2 nano-SiO2／PEG200体系稳态流变性能研究

图3为含有不同质量分数SiO2的STF体系的稳态流变图。从图中可以看到质量分数分别为20%（w），30%（w），40%（w）的SiO2STF体系在剪切应力作用下均出现剪切增稠现象。STF体系的粘度变化是其内部基团间相互作用和体系微观结构变化的宏观体现。低剪切速率下，布朗运动使受到破坏的微观结构迅速得到恢复，体系粘度变化不大；当剪切速率提升时，布朗运动无法使被破坏的微观结构及时恢复，空间网络结构破坏加重，体系出现剪切变稀；当剪切速率进一步增大时，流体力学作用力超过了粒子间相互的斥力作用，从而使分散相粒子形成“粒子簇”，严重阻碍了流体运动，使得体系粘度急剧上升，出现显著的剪切增稠现象。

图2 不同分散相粒子的SEM图

1.3 纳米粒子的表征测试

图3 不同固含量的nano-SiO2／PEG 200体系稳态流变曲线

按一定质量分数分别称取PEG200置于烧杯中，另按比例称取适量纳米粉体待用。将烧杯置于超声波清洗仪中，一边用玻璃棒搅拌一边缓慢加入纳米粉体。加料完毕后，继续超声3 h以确保得到均匀分散的悬浮液。将制得的STF置于25℃真空烘箱中干燥6 h，去除气泡。

图4为含有不同质量分数CaCO3的STF体系的稳态流变图，其中CaCO3分别为：a）20%（w）；b）30%（w）；c）45%（w）。

4.文章字数控制在1500字或3000字左右，末尾附上作者姓名、单位、联系方式、自我介绍（100字内）。

如图4所示，不同质量分数的nano-CaCO3／PEG200体系均出现低剪切速率下剪切变稀、高剪切速率下剪切增稠的现象。并且随着nano-CaCO3质量分数增加，增稠效果越明显。当nano-CaCO3含量较少时，在剪切速率作用下，体系中能够形成的“粒子簇”较少，对流体的阻碍作用相对较弱，虽出现剪切增稠，但粘度变化范围较小。当nano-CaCO3含量进一步提升至45%（w），体系中分散相粒子数量显著增加，剪切力作用下能够形成更多更大的粒子簇，严重阻碍了流体运动，从而使得粘度大幅上升。

但在高固含量下，同nano-CaCO3／PEG200悬浮液相比，nano-SiO2／PEG200悬浮分散液的剪切增稠效果更为明显。主要原因是 SiO2表面具有大量Si—O—H键，与分散介质PEG200上的氢键相互作用，在高剪切力作用下形成的粒子簇更加稳定，对流体阻碍作用更大，粘度变化范围也更大。同时，纳米二氧化硅为刚性球形粒子，具有更好的表面润滑作用，由其制备而成的悬浮体系流动性好，能够在较低的剪切速率下形成稳定的粒子簇，使得悬浮液粘度显著提高。而nano-CaCO3粒子形状不规则，只有当体系产生更大的流体力学作用力时，才能形成相对稳定的粒子簇，因而只有在更高的剪切速率下体系粘度才会出现大幅度升高。

实践教学是高校工程教育的核心内容，它强调创新精神与实践能力有机结合，注重学生的知识、能力和素质协调发展。从2014年9月李克强总理提出“大众创业、万众创新”(简称“双创”)的号召，到2017年10月党的十九大报告提出“倡导创新文化”，以创新创业教育为导向的高校工科实践教学被高度重视起来。

图4 不同固含量的nano-CaCO3／PEG200体系稳态流变曲线

3 结 论

用nano-SiO2粒子和nano-CaCO3粒子分别配置了不同固含量的剪切增稠液体，并对其进行了稳态流变测试。SiO2／PEG200和CaCO3／PEG200体系试样在低剪切速率下，均出现切力变稀；高剪切速率下，均出现切力增稠。但高固含量下，SiO2／PEG200体系剪切增稠效果更明显，因此更适合用于与高性能织物复合，制备软体防刺材料。

［1］ 赵金华.剪切增稠流体的制备及其在软体防刺材料中的应用研究［D］.哈尔滨工业大学硕士学位论文，2009.

［2］ Y S Lee，E DWetzel，N JWagner.The ballistic impact characteristics of Kevlar woven fabrics impregnated with a colloidal shear thickening fluid［J］.Journal of Materials Science，2003，38：2825－2833.

［3］ N JWagner，J F Brady.Shear thickening in colloidal dispersions［J］.Physics Today，2009，10：27－32.

［4］ M JDecker，C JHalbach，C H Nam，et al.Stab resistance of shear thickening fluid（STF）-treated fabrics［J］.Composites Science and Technology，2007，67：565－578.

Rheological behavior of different shear thickening fluids

Lu Yao1，Fu Lei1，Wang Dan1，Zhao Hualei1，Wang Yanping1，Wang Yim in1，2

（1．College of Material Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2．State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials，Donghua University，Shanghai 201620，China）

Shear thickening fluid（STF）is a system whose apparent viscosity increases with rising shear rate. In recent ten years，studies on STFmainly discuss about its rheological properties and applications as themain component of＂liquid body armor＂.In this article，SiO2powder with the diameter of 50 nm and CaCO3with the diameter of 80～100 nm were used as the dispersed particles，respectively.Further homogeneously dispersing nano particles into polyethylene glycol 200（PEG200）with ultrasonic method，a uniform ly dispersed suspension system was achieved.Here Stress control rheometer was applied to characterize the rheological properties of suspensions under steady shear rate.The results showed that in both two systems，the thickening behavior becamemore obvious with increasing dispersed phase content.Compared with CaCO3／PEG200 system，SiO2／PEG200 sample with high SiO2content has wider viscosity range，and the phenomenon of shear thickening ismore apparent.

shear thickening fluid；SiO2；CaCO3；ultrasonic dispersion

TB383

A

1006-334X（2013）04-0006-04

2013－09－13；

2013－11－23

路瑶（1989—），女，贵州毕节人，硕士研究生，主修材料物理与化学专业。