剪切增稠液体研究现状

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1、剪切增稠液体研究现状摘要：本文主要介绍了剪切增稠液体（STF）的研究现状，并以常用的SiO2/PEG体系为例，对STF流变性能和应用作简单分析。关键字：剪切增稠；STF；SiO2/PEG；流变；1、前言据英国GIZ杂志报道，20世纪90年代中期，美国在“陆军研究实验室”（ARL）EricWetzel博士和“特拉华州立大学合成物质研究中心”（UDTC）NormanWagner教授指导下，运用新型纳米技术成功地研制出了“剪切增稠液体”[1,2]（ShearThickeningFluid，简称STF）。STF是一种新型功能材料，其在正常状态下是略微黏稠的液体，而当受

2、冲击作用时，表观粘度会急剧增加，呈现出固体的抗冲击性能，当冲击力消失之后，又迅速回复到原来的柔性状态，由此可见，这种剪切增稠效应是一种非牛顿流体行为，并且此过程具有可逆性[3-5]。分散相粒子和分散介质共同组成了STF体系，其中，分散相粒子可以分为两类：一是天然存在的矿物质；二是化学合成的聚合物，如二氧化硅和其它氧化物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、碳酸钙等[6,7]，粒子可以是圆盘状、球体、椭圆体和粘土颗粒等形状，其以布朗运动、电荷作用、吸收表面活性剂等稳定分散在介质溶液中[2,6,7]，分散方式有单分散、双分散或多分散；而分散介质可以是水、有机物

3、（乙醇、乙烯基乙醇或聚乙二醇）、盐溶液（缓冲液或氯化钠溶液等）等单一介质，也可以是多种介质的复配体。2、国内外研究现状对STF的研究目前主要剪切增稠机理、有流变性能、应用研究三个方面。其中，关于前两个方面研究的文献较多，而对于其应用研究才刚起步，已报道的主要是在防震及防护领域上的应用：Fischer等人应用STF设计出三明治梁，达到控制振动响应的目的；美国Wagner博士等人制备出STF-Kevlar复合织物，不仅具有优异的防弹性能，同时显著地提高了材料的灵活性。2.1、剪切增稠机理研究尽管对于STF体系的剪切增稠行为特点的研究历史已经不短，并一直受到许多学者

4、的重视，但是由于实验手段等各方面的限制，对其了解仍不够深入。近年来，随着各种光学手段以及控制应力流变仪的应用，许多学者提出了一些机理，试图解释在剪切增稠区域所观察到的现象[8]。对于剪切增稠的微观机理，目前主要有两种说法：其一是最先由Whitlock和Metzner提出，并由Hoffman证实的ODT机理[6,9]（有序到无序），即体系受到较小外力作用时，粒子的有序程度得到了提高，出现剪切变稀行为，而当外力更大时，有序结构被破坏，则会出现剪切增稠现象[1,7]；其二是Bossis和Brady基于Stokesian动力学模拟而提出的“6粒子簇”理论[10-12]

5、，即剪切变稀是由于连续的空间网络结构被破坏，而剪切增稠是由于体系中形成“粒子簇”，体系粘度增大，从而出现了增稠现象。对于SiO2/PEG体系中剪切变稀和剪切增稠的现象，伍秋美等[13]认为用“粒子簇”机理解释更为合理。即剪切作用较小时，受到破坏的空间网络结构在粒子间作用力下能很快得到恢复，因此粘度基本不变；随着剪切作用的增大，当受到破坏的空间网络结构不能在粒子间作用力下得到修复时，体系粘度开始下降；随着剪切作用的进一步增大，空间网络结构受到越来越大程度的破坏，使得粘度继续减小，当达到某个临界点时，流体作用力成为体系中主要作用力，由此生成了“粒子簇”，随后随着流

6、体作用力的增大，“粒子簇”变大，其对流体的阻碍作用也随之变大，因此流体的粘度增大[14]。2.2、STF流变性能2.2.1、流变性能分析图1690nmSiO2/PEG-200体系流变曲线图1为ω(SiO2)=时SiO2/PEG-200分散体系的稳态剪切增稠流变图。从图中可以看出，随着剪切应力的增大，粘度起初下降不明显，之后随剪切力增大而明显下降，到转折点b（临界剪切速率）之后，粘度随着剪切力的增大急剧增大。可以看出该体系属于复杂的非牛顿流体。2.2.2、浓度对稳态流变性能的影响由图2可知，STF临界剪切速率随着浓度的增加而减小。同时也可以看出，随着浓度的增加，

7、体系的起始粘度和最大粘度都会增加，但增加幅度有所区别，前者增加较为平缓，而后者增加比较迅速，并远远大于前者，体系出现明显的增稠现象。由此推论，SiO26质量分数越大，体系粘度越大，且增稠现象越明显。形成这一规律的主要原因是：体系中固液间的作用力随着固体粒子的增加而得到了增强，粘度增加，从而使得形成的“粒子簇”也更多或更大，对体系流动阻力也就增加，所以增稠效果就越明显[15]。图2690nmSiO2/PEG-200体系流变曲线(a)45%,(b50%,(c)55%2.2.3、PEG分子量对STF流变性能的影响图3PEG不同分子量STF流变性能曲线(a)200,(

8、b)400,(c)600图3为SiO2