涤纶短绒在剪切增稠胶中的增韧性

谭宇豪 李毓陵 马颜雪

1. 东华大学 纺织学院(中国)2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室(中国)

剪切增稠胶(shear thickening gel， STG)是一类新型功能材料，受到外力冲击时会迅速变硬，同时其性质稳定且易于封装，作为一种防护材料应用于民用领域[1-2]。STG与织物复合制备柔性防护材料已被广泛研究[3]，但产品的优异表现大多依赖于织物织造选用的高性能纤维，STG由于其剪切增稠性能仍不够显著，在复合材料中的重要性还不够明显[4-5]，因此亟待采取一些措施去改善其性能。目前橡胶、混凝土等产业已采取掺杂短纤维的方式来起到增韧的作用，从而提高产品的力学性能[6-7]，但在STG中还未有尝试。

涤纶短绒是在电场力作用下被垂直植附到带有黏合剂织物上的短纤维，其长度整齐、细度均匀，具有一定强度，同时原料易得、成本低廉[8]，是一类常见的纤维资源，但其在静电植绒领域外的利用率仍不高。

本文选用具有一定强伸性能的涤纶短绒，将其掺杂在以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为分散相和模具硅胶为连续相的经机械混炼制得的STG中，通过测试STG的动态力学性能，研究涤纶短绒在STG中的增韧性。

1 试验部分

1.1 试验原料

涤纶：静电植绒用，直径为20 μm，嘉善奇达纺织品有限公司。

分散相：PMMA，标称粒径为5 nm，球形粉，东莞市樟木头金运来塑胶原料经营部。

连续相：模具硅胶，825型半透明硅胶，深圳市昌达顺贸易有限公司。

1.2 涤纶强伸性能测试

根据GB/T 14337—2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》，采用电子单纤维强力仪(LLY-068型，莱州市电子仪器有限公司)对涤纶进行强伸性能测试。

测试条件：夹持隔距为20 mm，测试速度为20 mm/min，预加张力为0.2 cN，测试次数为50根，结果取平均值。

1.3 样品制备

利用化纤切断机(HY 900C型，青州市航宇机械有限公司)将涤纶切断成长度为0.6、0.8和1.0 mm的3类短绒。向烧杯中加入相同质量的PMMA颗粒与模具硅胶，采用机械混炼方式[3]进行处理，并将涤纶短绒少量逐次加入，涤纶质量占总质量的5%。

1.4 动态力学性能测试

采用动态机械分析仪(DMA，TA Q800型，美国TA仪器公司)和新型DMA测试模具[9]，测试STG的动态模量与频率之间的关系，并由式(1)计算损耗因子。测试频率范围为0～150 Hz，温度为25 ℃。

tanδ=G″/G′

(1)

式中：tanδ为损耗因子；G′为储能模量，kPa；G″为损耗模量，kPa。

2 结果与讨论

2.1 涤纶强伸性能

涤纶的强伸性能测试结果如表1所示。由表1可知，所选用的涤纶具有一定的强力，同时断裂伸长率适中。

表1 涤纶的强伸性能

2.2 动态力学性能分析

不同长度涤纶短绒对STG动态力学性能的影响如图1所示。由图1a)和1b)可以看出，3种长度涤纶短绒掺杂的STG的储能模量与损耗模量都随着剪切频率的增加而增大。当频率为0.1～10 Hz时，掺杂1.0 mm 涤纶短绒的STG储能模量高于其他两组，说明其具有更高的弹性。当频率高于10 Hz后，3组试样的储能模量均快速上升，但掺杂0.6 mm 涤纶短绒的STG上升更快。图2c)反映了掺杂不同长度涤纶短绒的STG损耗因子随剪切频率的变化。

a) 储能模量

b) 损耗模量

c) 损耗因子

当频率为0.1～10 Hz时，掺杂1.0 mm涤纶短绒的STG损耗因子明显低于另外两组，而当频率高于10 Hz后，掺杂0.6 mm 涤纶短绒的STG损耗因子下降，并且小于短绒长度较大的两组。由此说明，低频率下涤纶短绒长度大的STG弹性更大，较高频率时涤纶短绒长度小的STG弹性更大。

Brady等[10]提出的“粒子簇”机理认为：剪切增稠胶在剪切应力作用下，其微观自组装粒子簇生成，使体系黏度增大。STG体系内掺杂涤纶短绒后，随剪切频率逐渐增大，PMMA粒子会在模具硅胶中运动并出现团聚，形成粒子簇。由于模具硅胶具有一定黏附性，涤纶短绒受到模具硅胶黏附力的作用，依靠自身力学性能可增强体系的韧性。同时，当PMMA粒子团聚形成粒子簇时，涤纶短绒也会将各粒子簇链接或者与各粒子簇关联起来(图2)，从而阻碍粒子簇运动，进一步增强剪切增稠效果。

图2 掺杂涤纶短绒后的粒子簇模型

根据以上机理进一步分析可知：低频率时STG内部PMMA粒子流动性小，形成粒子簇现象不明显，此时涤纶短绒的存在可以起到良好的增韧作用，且短绒长度越大，作用越显著；当频率较高时，PMMA粒子流动加速，粒子簇形成概率快速增加，涤纶短绒发挥增韧作用时，其长度越大对PMMA粒子运动的阻碍作用越强，在一定程度上影响体系动态力学性能的增强效果。

3 结论

在剪切增稠胶中掺杂一定强伸性能的涤纶短绒可增强其动态力学性能，发挥增韧作用。在低频率下长度大的涤纶短绒增韧性更好，较高频率下则相反。剪切增稠胶产品在防护装备上应用时，长度为0.6 mm的涤纶短绒更符合低频柔软、高频坚硬的人体防护需求。