剪切增稠液流变性能及其复合材料动态冲击压缩性能

景晓颖，陆振乾，孙宝忠

（东华大学 纺织学院，上海 201620）

剪切增稠液流变性能及其复合材料动态冲击压缩性能

景晓颖，陆振乾，孙宝忠

（东华大学 纺织学院，上海 201620）

制备二氧化硅质量分数为23%的二氧化硅／聚乙二醇剪切增稠液（STF），采用流变仪测试STF的稳态和动态流变性能.将STF与经编间隔织物（WKSF）复合后，测试其动态冲击压缩性能.研究结果表明，在低剪切速率作用下，STF出现剪切变稀现象，达到临界剪切速率后，出现增稠现象.在动态冲击压缩下，STF-经编间隔织物复合材料与纯经编间隔织物表现出不同的压缩性能，纯经编间隔织物在压缩过程中存在弹性阶段和压实阶段，STF-经编间隔织物复合材料则表现为均一弹性模量压缩.相比于纯经编间隔织物，STF-经编间隔织物复合材料变形较小，在相同形变时吸收的能量较多.

剪切增稠液；流变性能；经编间隔织物；复合材料；动态冲击压缩性能

剪切增稠是一种非牛顿流体行为.流体通常呈浓缩的胶质悬浮液状，在迅速增加的剪切应力下，其黏性有很大的增加，并且此过程可逆.具有剪切增稠性能的流体被称为剪切增稠液（shear thickening fluid，STF）［1-2］.STF是一种处于固、液混合状态的纳米粒子溶液，由极其微小的硅微粒分散悬浮在有机溶剂中组成.在分散介质的选择上，通常要求其无毒、稳定不易变质、适应温度范围广、黏度不太大且有一定的悬浮能力.常见的分散介质有乙二醇（EG）、丙二醇（PG）、丁二醇（BG），最常用的为聚乙二醇（PEG）［3］.

早期关于剪切增稠行为的研究主要是为了降低由于剪切增稠效应而导致的设备工作异常或损坏.随着试验研究的不断深入，人们对剪切增稠的认识已经从对现象的定性描述上升到通过具体的试验数据记录其剪切增稠过程，从而人为地对其进行控制.STF对冲击应力的流变学响应特征及其相应的能量吸收能力，使其成为一种理想的人体防护设备材料，引起人们极大的关注.文献

4■研究了将STF应用于士兵的防护设备上，制备了柔性的、轻质、防护性强的防弹衣.文献［5］分别用刀和碎冰锥验证了STF基纤维增强复合材料的抗戳穿和抗割穿性能，研究表明，与没有经过STF处理的纤维编织物的靶体相比，浸过STF的纤维织物靶体的破坏程度明显要小.文献［1-2，6］在低速子弹（250 m／s）的弹道试验中发现，经增稠液处理后的复合材料与纯Kevlar材料相比，相同层数的织物，其质量没有明显的增加，但吸收的能量却增加了，且具有更好的柔韧性.但现有研究主要集中在STF浸渍多层平纹织物用于防刺和防割的防护设备服装，尚未出现使用STF浸渍经编间隔织物（WKSF）的研究报道.本文主要研究STF的静态及动态流变性能以及其与经编间隔织物复合后材料的动态冲击压缩性能.

1 试 验

1.1 试剂

亲水性SiO2（型号为A 200），原生粒径为12 nm，德国德固赛公司；PEG，相对分子质量为200，上海化学试剂公司.

1.2 SiO2／PEG分散体系的制备

称取200 g的PEG，采用机械搅拌法，边搅拌边加入SiO2，制备SiO2质量分数为23%的分散体系，再对样品进行超声波振荡，充分分散后置于真空干燥箱内去除气泡得到稳定的STF.经不同SiO2质量分数的STF测试后发现，SiO2质量分数为23%的增稠效果较为明显，而且流动性较好，便于后期复合试验.

1.3 稳态及动态流变性能测试

在15℃条件下，采用ARES-RFS型流变仪对STF流变性能进行测试.采用的夹具是直径为25 mm的圆板.在相同测试条件下，进行以下试验：

（1）稳态剪切速率扫描，测试STF的稳态流变性能，剪切速率范围为0.1～1 000 s-1；

（2）动态应变扫描，测试频率为20 rad／s，应变范围为0.1%～300%；

（3）动态频率扫描，应变为150%，频率范围为1～100 rad／s.

1.4 经编间隔织物

经编间隔织物（如图1所示）也称三明治织物，它包括两片独立编织的经编织物和用于连接这两片织物的间隔纱——单丝或其他种类的纱线，间隔纱的选择根据产品的最终用途而定.根据间隔织物不同的用途，其厚度（决定织物中的间隔距离）可通过两个栅状脱圈板间的距离在一定范围内进行调整［7-10］.本文采用的涤纶经编间隔针织物是在双针床拉舍尔经编机上生产的一类产品.试样参数：面织物用纱为300 D／96 f涤纶复丝；间隔纱为直径0.2 mm的涤纶单丝；织物厚度为10 mm.

图1 经编间隔织物图Fig.1 Photographs of the warp-knitted spacer fabric

1.5 STF-经编间隔织物复合材料制备

将经编间隔织物裁剪成100 mm×100 mm大小，用制备的SiO2质量分数为23%的STF浸渍后去除气泡，装入密封袋后进行压缩测试.图2为复合前后经编间隔织物表面对比图.

图2 纯经编间隔织物和STF-经编间隔织物复合材料图Fig.2 Photographs for the pure WKSF and STF-WKSF composite

1.6 动态冲击压缩测试

仪器：Instron 9250型落锤冲击试验机，根据DIN EN 1621-1—2013，采用7 cm×4 cm的冲头进行冲击测试.

2 结果与讨论

2.1 STF稳态流变性能

图3 SiO2／PEG剪切增稠液的表观黏度-剪切速率与剪切应力-剪切速率曲线Fig.3 Apparent viscosity and shear stress as a function of shear rate for SiO2／PEG STF

STF表观黏度和剪切应力随剪切速率的变化曲线如图3所示.从图3可以看出，在剪切速率较低时，STF表观黏度η随着剪切速率的增大而减小，达到最低点A时，剪切速率为32 s-1，STF表观黏度为4.54 Pa·s.随后STF表观黏度开始急剧增大，达到最大值B（50，232.51）.图3中点A所对应的剪切速率称为临界剪切速率.整个测试过程中，剪切应力τ随着剪切速率的增大而增大，达到最大值后基本保持不变.

目前，对剪切增稠机理的解释主要是“粒子簇”理论［11-12］.即亲水性SiO2团聚体表面具有大量的硅烷醇基（Si—OH），当其分散到介质PEG中时，会与PEG中的—OH发生作用形成氢键，形成稳定的网状结构.在无外力作用下，固液之间通过该氢键形成稳定的分散体系.当剪切速率较低时，体系的网状结构被破坏，形成一些孤立的SiO2团聚体，此时STF表观黏度会明显下降.当剪切速率继续增大至临界点时，流体作用力成为主要作用力，促使体系中相对孤立的SiO2团聚体二次团聚形成“粒子簇”，随着剪切速率的进一步增大，粒子簇也随着流体作用力的增大而增大，大大增加了流动的阻力，从而使STF表观黏度急剧增加.

2.2 STF动态应变扫描

动态剪切是对STF样品施加小振幅振荡剪切，假设施加一正弦应变γ，则应力表示为

其中：γ0为应变幅值；ω为振荡频率；G′（ω）和G″（ω）分别为储能模量和损耗模量.储能模量与应变同相位，通常与材料的弹性能量有关；损耗模量与应变率同相位，代表了能量的黏性耗散.黏弹性理论［13］认为，弹性是体系的固体行为，黏性是体系的液体行为.当G″＞G′时，表明体系主要以消耗能量为主，表现为黏性.

23%SiO2／PEG剪切增稠液在扫描频率为20 rad／s时，储能模量（G′）、损耗模量（G″）以及复合黏度（η＊）随应变的变化如图4所示.由图4可以看出，当应变较小时，体系G′与G″的减小较慢，且G′＞G″，体系表现为弹性，没有能量的消耗.随着应变的逐渐增加，G′的下降较快，出现G″＞G′，体系消耗能量，表现为黏性.这是因为在较小的外力作用下，SiO2粒子在较弱的位阻斥力和布朗运动作用下，能使被破坏的空间结构快速恢复［14］，从而导致G′和G″的下降较为缓慢；随着剪切应变的不断增大，布朗运动和分子间作用力已经无法使受到破坏的空间结构得到快速恢复，因而G′和G″均减小，且G′下降得更为明显；随着剪切应变的进一步增大，体系生成SiO2粒子簇，使得G′和G″都增加.

图4 剪切增稠液的储能模量（G′）﹑损耗模量（G″）与应变的关系Fig.4 The storage modulus（G′）and loss modulus（G″）as a function of strain

23%SiO2／PEG剪切增稠液在应变为150%时的储能模量（G′）﹑损耗模量（G″）随频率的变化如图5所示.因所设置的应变较大，在本文研究频率范围内，G′和G″都随着频率的增大而增大，且G″＞G′，体系消耗能量.

图5 剪切增稠液的储能模量（G′）﹑损耗模量（G″）与频率的关系Fig.5 The storage modulus（G′）and loss modulus（G″）as a function of frequency

2.3 复合材料动态冲击响应

在冲击速度为1.5 m／s条件下，SiO2质量分数23%的STF-经编间隔织物复合材料与纯经编间隔织物的冲击性能对比图如图6所示.由图6（a）可以看出，纯经编间隔织物的动态冲击压缩过程存在较明显的两个阶段：第一阶段为弹性阶段，表现为织物在刚受到冲击时产生明显的变形，这一过程中存在间隔纱的剪切和扭转变形，其弹性模量较小；第二阶段为压实阶段，在这一阶段的压缩过程中，织物中的间隔纱相互作用，屈曲变形起主导作用.结合图6（b）可以看出，纯经编间隔织物动态冲击压缩过程中的能量吸收主要在第二阶段.

由图6（a）还可以看出，STF-经编间隔织物复合材料的弹性模量在压缩初期仅有较小的波动，这是因为在初始压缩阶段，织物中间隔纱的变形与STF内部粒子簇的生成，使得复合材料性能略微不稳定，但进一步的压缩使复合材料的STF中粒子簇大量聚集呈现固体的特性，所以宏观上表现为材料弹性模量不再变化.由2.2节可知，弹性是体系的固体行为，黏性为体系的液体行为，所以复合材料在压缩过程中既存在纯织物的弹性行为，也存在STF的黏弹性行为.本文测试采用的冲击应变率为150 s-1，而根据2.1节可知，STF的临界剪切增稠速率为32 s-1，冲击应变率大于临界增稠速率，因此冲击使STF产生增稠.图4和5中储能模量的增加反映了STF刚度的增加；损耗模量急剧上升，表明STF消耗能量，在宏观方面表现为STF吸收能量.同时，STF与间隔织物中的间隔纱相互作用，大大减小了STF的流动性能和间隔纱的变形，从而使整个复合材料的变形较小.由图6可以看出，与纯经编间隔织物相比，STF-经编间隔织物复合材料弹性模量较大，变形较小，在相同形变时所吸收的能量多.

3 结 语

（1）用SiO2／PEG制备的STF，具有明显的剪切变稀和剪切增稠现象.在稳态流变测试中，在达到临界剪切速率前，STF的黏度随着剪切速率的增大出现明显的下降，出现剪切变稀现象，剪切速率达到临界点后，STF的黏度会急剧上升，出现增稠现象.

（2）动态扫描测试表明，STF的复合黏度η＊、储能模量G′和损耗模量G″均呈现先减小后增大的趋势.在到达临界复合黏度后，储能模量G′和损耗模量G″均急剧增加，且G″＞G′，STF以消耗能量为主.

（3）在动态冲击压缩下，STF产生增稠，STF-经编间隔织物复合材料的弹性模量增大，在相同形变时吸收的能量增多，并且STF与经编间隔织物中的间隔纱相互作用，从而减小动态冲击压缩下复合材料的变形.因此，STF浸渍的经编间隔织物具有优良的抗冲击性能，可用于抗冲击防护.

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Rheological Properties of Shear Thickening Fluid and the Response of Its Composite under Dynamic Impact Compression

JINGXiao-ying，LUZhen-qian，SUNBao-zhong

（College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201620，China）

Shear thickening fluid（STF）is prepared by dispersing 23%mass fraction of silica into the polyethylene glycol.The steady and dynamic rheological properties of the STF are explored using the rheometer.Composite is manufactured by impregnating the STF into the warp-knitted spacer fabrics（WKSF），and the mechanical properties of the composite are tested under dynamic impact compression loading.Shear thinning phenomenon is observed when the STF subjected to low shear rate，when the shear rate exceeds the critical value，shear thickening will emerge.There is a significant dif ference in the dynamic impact compression response between the pure WKSF and the composite reinforced with STF.The compression process of the pure WKSF can be divided into two stages while the composite reinforced with STF shows a constant elastic compressive modulus.The deformation of the composite is much smaller than that of pure WKSF but its energy absorption capability is superior.

shear thickening fluid；rheological properties；warp-knitted spacer fabric；composite；dynamic impact compression performance

TB 332

A

2013-05-07

国家自然科学基金资助项目（10802022，10872049）；教育部重大项目基金资助项目（3039014）

景晓颖（1988—），女，河南登封人，硕士研究生，研究方向为复合材料冲击动力学.E-mail：jingxiaoying＠126.com

孙宝忠（联系人），男，教授，E-mail：sunbz＠dhu.edu.cn

1671-0444（2014）03-0253-05