剪切增稠液体增强织物防刺性能的机理研究

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剪切增稠液复合三维织物抗高速冲击性能的研究

剪切增稠液复合三维织物抗高速冲击性能的研究
随着科技的不断进步，人们对于材料性能的要求也越来越高。

在一些
特定的领域，比如航空航天、汽车工业等，对于材料的抗高速冲击性能要
求尤为严格。

而复合材料作为一种新型的材料，在这方面有着独特的优势。

本文将针对剪切增稠液复合三维织物的抗高速冲击性能展开研究，希望通
过实验验证，为相关领域提供一些参考。

首先，我们需要明确剪切增稠液的定义。

剪切增稠液是一种具有剪切
增稠特性的流体，其粘度随着剪切应力的增加而增加。

这种特殊的流变性
质使其在一些特定领域具有广泛的应用前景。

而将剪切增稠液与三维织物
结合起来，可以在一定程度上提升复合材料的性能，尤其是在抗高速冲击
方面。

接下来，我们将进行一系列实验来验证剪切增稠液复合三维织物的抗
高速冲击性能。

首先，我们将制备一定比例的剪切增稠液，并将其浸泡在
三维织物中，确保其充分渗透到纤维之间。

然后，我们将通过冲击试验仪
对样品进行高速冲击测试，测量其在不同冲击速度下的抗冲击性能。

实验结果显示，与普通三维织物相比，剪切增稠液复合三维织物在抗
高速冲击性能上表现更为出色。

在较高冲击速度下，其破坏形态更加均匀，且冲击吸收能力更强。

这说明剪切增稠液的加入有效提升了复合材料的抗
冲击性能，为相关领域的应用提供了新的可能性。

综上所述，剪切增稠液复合三维织物在抗高速冲击性能方面具有较好
的潜力。

通过进一步研究和优化，相信这种新型复合材料将在航空航天、
汽车工业等领域发挥重要作用，为我国相关产业的发展做出贡献。

防弹防刺材料的研究与技术发展

防弹防刺材料的研究与技术发展黄献聪【摘要】The major emphasis of this article is on three kinds ofballistic&stab resistant material, which are shear thickening fluid (STF)-aramid fiber composite, thermoplastic–aramid fiber composite and multi-direction UHMWPE UD. Both the technical characters and researching status of these materials have been illustrated. The development trend of ballistic&stab resistant material has also been discussed.% 防弹防刺材料的研究近年来受到广泛关注。

本文以剪切增稠(STF)防弹防刺材料、热塑性树脂基芳纶复合材料片材以及多向超高分子量聚乙烯(UHMWPE)单向层(UD)材料为重点，对其研究动态进行了综述，并分析了其技术特点，探讨了防弹防刺材料的发展方向。

【期刊名称】《纺织导报》【年(卷),期】2013(000)001【总页数】5页(P87-91)【关键词】防弹;防刺;剪切增稠;对位芳纶(PPTA);超高分子量聚乙烯纤维【作者】黄献聪【作者单位】中国人民解放军总后勤部军需装备研究所【正文语种】中文【中图分类】TB3031 引言“911”事件以后，随着国际范围内反恐形势的日益恶化，国内外对同时具备防弹和防刺功能的军警用防弹防刺服需求呈上升趋势。

随着防弹防刺服新需求的提出，新型防弹防刺材料的研究也日益得到关注。

防弹防刺材料的目标性能是：在尽可能保留织物原有的防弹性能的基础上，同时具备防尖锐刀具穿刺的性能，以便获得最高的“性能/质量”比。

剪切增稠流体浸渍纤维织物的防刺性能研究

剪切增稠流体浸渍纤维织物的防刺性能研究摘要随着恐怖威胁遍及全球，个人的防护意识增强，个人防护也成了一个重要的世界性问题。

由于全球许多国家包括我国在内，对枪械的使用管制严格，但来自匕首、刺刀等尖利锐器的袭击威胁却无法控制，这使得近身防刺材料的研究和开发成为当前的热点。

近年来随着对服装性能要求的提高，迫切需要穿着舒适、灵活性好又满足防刺性能要求的柔性防刺服，国内外开始注重柔性防刺服的研究与开发。

本课题是研究一种先进的由剪切增稠流体（STF）和超高分子聚乙烯（UHMWPE）织物组成的复合防刺材料。

在这项研究中，STF是由二氧化硅/聚乙二醇悬浮液做成的。

研究结果显示，STF在超过临界剪切速率时，可以观察到明显的剪切增稠现象。

UHMWPE织物和STF通过浸渍的方法处理后研究其防刀性能和防锥性能。

通过研究发现：用STF浸渍复合后的UHMWPE织物的防刺性能明显提高；STF体系的二氧化硅质量分数、溶剂种类以及织物面密度都会对防刺性能有影响；在相同抗穿刺性能情况下，用STF复合的UHMWPE织物的灵活性较纯织物有明显提高。

11867关键词剪切增稠流体UHMWPE织物二氧化硅STF复合织物防刺性能毕业设计说明书（）外文摘要TitleStab-resistant Properties of Fabric Impregnated withShear-thickening FluidAbstractWith the threat of global terrorism, personal protection consciousness is enhanced, making personal protection an important international issue.Though many countries including China control the use of firearms strictly, but the daggers from sharp threat are out of controll, making the development of the melee stab-resistant materials a currenthot spot. In recent years, with the performance requirements of clothing improved, comfortable and flexibile soft stab-resistant clothing are urgently needed. The whole world begin to pay attention to the research of soft stab-resistant clothing.3实验结果与分析173.1SiO2的制备与表征分析173.2STF的制备与性能表征分析193.3STF-UHMWPE复合材料的制备与性能表征分析22 结论36致谢37参考文献381绪论1．1课题研究的目的及意义防刺服作为一种人体装甲，主要用来针对匕首等常见锐器从各种角度对人体的攻击，保护人体防护部位不受到刺伤。

剪切增稠流体浸渍Kevlar复合材料的防刺性能

好，防刺性能检测。备
１３防刺性能检测．
：
图１系统结构示意图
。。。 ’ ’ 一：一一 ’ 一 ’ ’ 一一一：一一一一一一。。 ’ 一一一一一 ’ 一 ’ 一一一一一一一一一一一
：ｉ瞬态冲击力测量系统：ｉ
受力情况。每种试样进行３次试验，验后立即试测量刺穿深度，取最深者作为最终数据。
ＳＯ／Ｅｉ２ＰＧ分散体系，以体系１２和３标识。制备、
方法是在适量ＰＧ中边搅拌边加入纳米ＳＯ粉Ｅｉ
末。高速搅拌１ｈ后，为保证充分分散，用超声波清洗器（ＱＯ上海超声波仪器厂）Ｃ５，继续分散３ｈ。
上。ＮＷａｎｒｇｅ等人发现，ＳＦ浸渍的Ｋｖａ经Ｔｅｌｒ纤维布的防弹道冲击性能显著提高。ＶＢＣＴｎａ等人研究了用Ｓ（ＷＳ纳米ＳＯｉ分散在水中的胶
体溶液）渍后ＴａｏＴ１纹编织布弹道性浸ｗｒｎＣ６５平
防刺性能的瞬态受力响应过程和刺穿深度，以及ＳＦＫｖｒ复合材料的吸能机理。实验结果Ｔ — ｅｌａ
表明，经浸渍的Ｋｖａ织物防刺穿力峰值提高到约４０Ｎ，合材料的第一层受力响应时间缩ｅｌｒ０复短到３５ｍ，．ｓ而刺穿深度降低较小。其中以１０ｎｉ配制的中间浓度的分散体系浸渍后，２ｍＳＯ

剪切增稠流体材料,抗外力防护的能手

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
剪切增稠流体材料，抗外力防护的能手
在剪切增稠材料是一种新型功能材料，优异的力学性能使其成为抗外力防护领域最重要的材料之一。

中国粉体网讯剪切增稠流体(Shear Thickening Fluid，STF)是由纳米粒子分散在高聚物中或长链高分子聚合而形成的一种混合流体，由于纳米粒子能自由运动，因此STF 呈液态;当受到迅猛的外来剪切应力时，体系黏度骤增，受力
区域呈类固态，极大地损耗了外来应力的能量。

当外力撤去后，体系状态逐渐恢复，表现出可逆性质。

剪切增稠材料是一种新型功能材料，优异的力学性能使其成为抗外力防护领域最重要的材料之一。

纳米粒子/聚合物悬浮体系
这类剪切增稠液是一种具有特殊性能的悬浮体系，主要由纳米至微米量级颗
粒的分散相和分散介质组成。

分散相粒子可分为天然存在的矿物质和化学合成的聚合物，如二氧化硅、碳酸钙、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 等。

目前，针对此类体系的制备及性能研究工作在整个剪切增稠材料的研究领域所占比重较大。

高分子溶液体系
疏水缔合高分子
在具有剪切增稠性质的高分子体系中，最常见和最具有代表性的是疏水缔合
型高分子。

在接触浓度C*(溶液状与胶状的分界浓度)附近或者以下，疏水基团相互作用缔合在一起，导致高分子链产生分子内或者分子间的聚集，高分子以分子内缔合为主。

在剪切流场中，随着剪切速率的增加，高分子链将被拉伸，导致高分子间形成缔合，因此溶液的黏度迅速升高，出现剪切增稠行为。

劣溶剂中的高分子。

防弹防刺材料的研究与技术发展

即采用ＳＴＦ悬浮液对芳纶防弹织物进行浸轧处理，挥发多余的溶液后获得的防弹防剌材料。（４）ＰＰＴＡ增强树脂基片材防弹防刺材料这类防弹防刺材料通常是将芳纶防弹织物与具有一定强韧性的树脂膜进行复合，或直接以树脂对芳纶防弹织物进行浸胶处理制成片材。（５）多向ＵＨＭＷＰＥ单向层（ＵＤ）结构防弹防刺材料这类防弹防刺材料采用多层浸胶ＵＨＭＷＰＥ纤维纱片相互以不同方向进行叠合后制成。
材料
服需求呈上升趋势。随着防弹防刺服新需求的提出，新型
防弹防刺材料的研究也日益得到关注。
防弹防刺材料的目标性能是：在尽可能保留织物原有的防弹性性能／质量” 比。早期的防刺材料通常采用金属片拼接成片或金属丝、金属环经编织物串接制备成的金属网实现对入刺刀刃的阻挡。但这类材料的防弹能力较低，因此逐步被高强高模纤维制备的非金属防弹防刺材料所替代。目前，非金属防弹防刺材料主要有以下５种形式。（１）高密度防弹织物即采取高密织物结构阻挡刃具的割裂。由于对位芳纶
（ＰＰＴＡ）、超高分子量聚乙烯（ＵＨＭＷＰＥ）纤维等目前普遍采用的防弹纤维进行高密织造的技术难度较大，纤维在织造过程中强度损失明显，且高密结构织物的防弹性能不
上述５种形式中，国外的研究多围绕（３）和（４）类防弹防刺材料进行，国内则涉及（３）、（４）、（５）这３类材料。在实

剪切增稠液及其复合材料的研究进展

橡　胶　工　业CHINA RUBBER INDUSTRY312第71卷第4期Vol.71 No.42024年4月A p r.2024剪切增稠液及其复合材料的研究进展陈柏宇1，管登高1，彭燕2，刘涛2（1.成都理工大学材料与化学化工学院，四川成都　610000；2.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳　621000）摘要：剪切增稠液（STF ）作为新一代智能耗能材料广泛应用于抗刺扎、抗冲击和阻尼减振等领域。

介绍STF 的特性和剪切增稠机理，综述STF 复合材料的制备方式，包括浸渍或喷涂、夹层或填充、共混以及胶囊化；分析STF 复合材料的抗刺扎性能、抗冲击性能、阻尼减振性能与应用。

建议进一步探索STF 的剪切增稠机理，研发对环境不敏感、长使用寿命、可在高冲击速率下应用、磁流变性或电流变性的STF 复合材料。

关键词：剪切增稠液；复合材料；抗刺扎性能；抗冲击性能；阻尼减振性能；共混；胶囊化中图分类号：TQ336.4＋2 文章编号：1000-890X （2024）04-0312-08文献标志码：A DOI ：10.12136/j.issn.1000-890X.2024.04.03121931年R.V.WILLIAMSON [1]在胶体分散体系中发现了异常流变行为，当剪切力到达一定阈值时，硬球分散液的黏度会出现急剧增大现象。

之后H.FREUNDLICH 等[2]也验证了这一现象，该现象被描述为剪切增稠（由T.GILLESPIE [3]于1966年提出）。

由于突然增大的黏度会破坏仪器设备、阻塞输送流体的管道、使涂料涂覆不均匀，当时多被视为工业生产中的不利现象。

后来随着研究的不断深入，该现象在防护和阻尼减振等领域潜在的应用价值被发现，剪切增稠材料的制备也受到关注。

剪切增稠液（STF ）是一种典型的剪切增稠材料，通常是由极性溶剂以及纳米或微米颗粒组成的颗粒悬浮液。

这种悬浮液在正常情况下呈液态，具有较好的流动性，但当所受的剪切力到达一定阈值时，悬浮液黏度急剧增大，甚至出现类固态的转变，而当剪切力加载取消后，悬浮液又快速恢复到初始状态，变为可流动的液体。

剪切增稠胶流变性能及其抗冲击性能研究

第４７卷第１期２０１９年１月塑料工业ＣＨＩＮＡＰＬＡＳＴＩＣＳＩＮＤＵＳＴＲＹ剪切增稠胶流变性能及其抗冲击性能研究∗付倩倩１ꎬ俞科静１ꎬ∗∗ꎬ王㊀萍１ꎬ曾㊀瑶１ꎬ高㊀虹２ꎬ钱㊀坤１(１.江南大学生态纺织教育部重点实验室ꎬ江苏无锡２１４１２２ꎻ２.北京普凡防护科技有限公司ꎬ北京１０００００)㊀㊀摘要:介绍了剪切增稠胶(ＳＴＧ)的研制ꎬ在不同温度条件下制备ＳＴＧ来探究ＳＴＧ性能ꎮ采用流变仪测试ＳＴＧ性能ꎬ分析不同压力下的蠕变―回复曲线ꎬ表明随着施加压力的增加ＳＴＧ具有较大的蠕变量ꎬ卸载应变后ＳＴＧ应变随时间基本不变ꎻ对ＳＴＧ进行频率扫描得到材料在外界高频率条件刺激下其储能模量增大了将近４个数量级ꎬ材料表现出了典型的剪切变硬性能ꎻ对ＳＴＧ进行振幅扫描ꎬ得到材料的线性极限为３％ꎬ该应变为材料从线性到非线性转变的临界应变点ꎬ对于大多数样品来说ꎬ在应变幅值扫描范围内Ｇᶄ始终大于Ｇᵡꎬ表明ＳＴＧ在整个形变范围内呈现出固态特性ꎻ对ＳＴＧ进行落锤冲击测试ꎬ对其力学行为进行了探讨ꎬ结果表明随着冲击速度的增大ꎬＳＴＧ的能量吸收系数变大６０％ꎬ说明ＳＴＧ具有较好的能量吸收特性及良好的抗冲击性能ꎮ关键词:剪切增稠胶ꎻ蠕变流变性能ꎻ振幅扫描ꎻ频率扫描ꎻ落锤冲击ｄｏｉ:１０３９６９/ｊｉｓｓｎ１００５－５７７０２０１９０１０１７中图分类号:ＴＱ３９２㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００５－５７７０(２０１９)０１－００７９－０５ＳｔｕｄｙｏｆＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄＩｍｐａｃｔＲｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆＳｈｅａｒＴｈｉｃｋｅｎｉｎｇＧｅｌＦＵＱｉａｎ￣ｑｉａｎ１ꎬＹＵＫｅ￣ｊｉｎｇ１ꎬＷＡＮＧＰｉｎｇ１ꎬＺＥＮＧＹａｏ１ꎬＧＡＯＨｏｎｇ２ꎬＱＩＡＮＫｕｎ１ꎬ(１.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｃｏ￣ＴｅｘｔｉｌｅｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎꎬＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＷｕｘｉ２１４１２２ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＢｅｉｊｉｎｇＰｕｆａｎＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｓｈｅａｒｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇｇｅｌ(ＳＴＧ)ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＳＴＧｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ.ＴｈｅｒｈｅｏｍｅｔｅｒｗａｓｕｓｅｄｔｏｔｅｓｔｔｈｅＳＴＧｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬａｎｄｔｈｅｃｒｅｅｐ￣ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｃｕｒｖｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.ＩｔｗａｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｓｈｅａｒｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇｇｅｌｈａｄｌａｒｇｅｒｃｒｅｅｐａｓｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇꎬａｎｄｔｈｅＳＴＧｓｔｒａｉｎｗａｓｂａｓｉｃａｌｌｙｕｎｃｈａｎｇｅｄｗｉｔｈｔｉｍｅａｆｔｅｒｕｎｌｏａｄｉｎｇｔｈｅｓｔｒａｉｎ.ＴｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｃａｎｏｆｔｈｅＳＴＧｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｈｉｇｈ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔｉｍｕｌａｔｅｄｓｔｏｒａｇｅｍｏｄｕｌｕｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｎｅａｒｌｙｆｏｕｒｏｒｄｅｒｓｏｆｍａｇｎｉｔｕｄｅꎬａｎｄｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｅｘｈｉｂｉｔｅｄｔｙｐｉｃａｌｓｈｅａｒｈａｒｄｅｎｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ.ＡｎｄｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｓｃａｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅＳＴＧｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｌｉｎｅａｒｌｉｍｉｔｗａｓ３％.Ｔｈｅｓｔｒａｉｎｗａｓｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｔｒａｉｎｐｏｉｎｔｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｌｉｎｅａｒｔｏｎｏｎｌｉｎｅａｒ.ＦｏｒｍｏｓｔｓａｍｐｌｅｓꎬＧᶄｗａｓａｌｗａｙｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎＧᵡｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｔｒａｉｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｓｗｅｅｐｒａｎｇｅ.ＩｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＳＴＧｅｘｈｉｂｉｔｅｄｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｒａｎｇｅ.ＴｈｅｄｒｏｐｗｅｉｇｈｔｉｍｐａｃｔｔｅｓｔｗａｓａｐｐｌｉｅｄｏｎｔｈｅＳＴＧｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｓｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｉｍｐａｃｔｖｅｌｏｃｉｔｙꎬｔｈｅｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅＳＴＧｃｏｕｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｏ６０％.ＩｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔＳＴＧｈａｓｇｏｏｄｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｇｏｏｄｉｍｐａｃｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＳｈｅａｒＴｈｉｃｋｅｎｉｎｇＧｅｌꎻＣｒｅｅｐＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎻＡｍｐｌｉｔｕｄｅＳｗｅｅｐꎻＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｗｅｅｐꎻＤｒｏｐＨａｍｍｅｒＩｍｐａｃｔ剪切增稠材料是一种具有防护作用的材料ꎬ其最大特点在于当其受到外界应力的速率达到某一临界值以后ꎬ材料的黏度或者模量迅速增大ꎬ呈现出由柔性态急速转变为坚硬固态的特性[１－５]ꎬ其中主要包含剪切增稠液和剪切增稠胶体材料ꎮ剪切增稠胶(ＳＴＧ)由于稳定性好㊁便于封装㊁制备简单等特性ꎬ因此在９７ ∗国家重点研发计划项目(２０１８ＹＦＣ０８１０３００)ꎬ江苏省产学研联合创新资金－前瞻性联合研究项目(ＢＹ２０１６０１１７㊁ＢＹ２０１６０２２－０７)ꎬ 十三五国家重点研发计划项目(２０１６ＹＦＣ￣０３０４３０１)ꎬ中央高校基本科研业务费专项资金资助(ＪＵＳＲＰ５１７１８Ａ)ꎬ江苏高校优势学科建设工程资助项目(ＰＡＰＤ)㊀㊀∗∗通信作者ｙｕｋｅｊｉｎｇ＠ｊｉａｎｇｎａｎｅｄｕｃｎ作者简介:付倩倩ꎬ女ꎬ１９９４年生ꎬ硕士研究生ꎬ主要研究方向为纺织复合材料ꎮ１５８５３８２６３４＠ｑｑｃｏｍ塑㊀料㊀工㊀业２０１９年㊀㊀防护领域有着较多的应用ꎮ这种材料在不受力的情况下ꎬ柔软而富有弹性ꎬ一旦受到剧烈的冲击ꎬ分子会迅速相互锁定ꎬ迅速收紧变硬形成一层防护层ꎬ当外界作用力消失ꎬ胶体又恢复到原来的柔软状态ꎬ与其他材料相结合应用时ꎬ可有效地防止纳米粒子从材料表面脱落[６]ꎮＳＴＧ是一种硼硅氧烷的聚合物ꎬ由聚二甲基硅氧烷和硼酸等制得ꎬ蔡亮等[７]研究了ＳＴＧ在剪切条件下的力学性能ꎬ基于ＳＴＧ设计出刚度自我协调的ＳＴＧ非线性弹簧ꎮＧｏｅｒｔｚ等[８]采用显微镜技术研究了ＳＴＧ黏弹性响应的温度依赖性ꎮ龚兴龙等[６]将ＳＴＧ和碳纳米管附着于Ｋｅｖｌａｒ纤维表面研究了其抗穿刺性能ꎬ通过准静态针刺实验表明加入ＳＴＧ的复合材料抗穿刺性能相比纯Ｋｅｖｌａｒ提高５０％ꎮ夏艳丽等[９]研究了不同稀释比的ＳＴＧ制备的ＳＴＧ/ＰＵ复合材料的低速抗冲击性能ꎬ得到了稀释比会影响复合材料的防护性能ꎬ结果表明加入ＳＴＧ后材料的剩余载荷减少了约７２％左右ꎬ大大提高了聚氨酯泡沫的抗冲击性能ꎮ目前针对ＳＴＧ的研究主要集中于ＳＴＧ的表征㊁材料的功能化以及ＳＴＧ复合材料的性能等方面ꎬ有关研究表明加入ＳＴＧ提高了复合材料的能量吸收能力和防护性能ꎬ但对ＳＴＧ的流变性能和对应的力学性能关系以及ＳＴＧ本身材料吸能情况还少有研究ꎬ本文通过流变仪研究了ＳＴＧ的蠕变行为以及在剪切模式下的随剪切应变幅值㊁频率变化关系对ＳＴＧ的流变性能影响ꎻ通过落锤冲击测试研究了ＳＴＧ在不同冲击速度下的抗冲击性能和能量吸收情况ꎬ为材料的实际应用提供科学理论依据ꎮ１㊀实验部分１１㊀材料与仪器聚二甲基硅氧烷:市售ꎻ乙醇㊁硼酸:ＡＲꎬ国药集团化学试剂有限公司ꎮ旋转流变仪:ＭＣＲ３０１ꎬ奥地利安东帕有限公司ꎻ热重分析仪:Ｑ５００ꎬ美国ＴＡ仪器公司ꎻ傅立叶红外光谱仪:ＮｉｃｏｌｅｔＮｅｘｕｓ４７０ꎬ美国Ｎｉｃｏｌｅｔ公司ꎻ落锤式冲击机:ＬＣ￣２ꎬ济南恒思盛大仪器有限公司ꎻ加速度传感器:Ｂ＆Ｋ４３６９ꎬ丹麦Ｂ＆Ｋ公司ꎻ电荷放大器:Ｋｉｓｔｌｅｒ５０１５ꎬ深圳市仕达威实业有限公司ꎻ数据采集仪:ＤＨ５９２０ꎬ江苏东华测试技术有限公司ꎮ１２㊀剪切增稠胶的制备取一定配比的硼酸与硅油ꎬ在一定温度下加热一定时间ꎬ待取出的产物冷却至合适的温度即得到所需的ＳＴＧ[１０]如图１所示ꎮａ－ＳＴＧ被塑造成球形ｂ－ＳＴＧ被塑造成圆柱形ｃ－慢速拉伸ｄ－快速拉伸图１㊀剪切增稠胶形貌Ｆｉｇ１㊀Ｓｈｅａｒｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇｇｅｌｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ１３㊀测试与表征采用傅立叶红外光谱仪(ＦＴＩＲ)表征了ＳＴＧ在４０００~５００ｃｍ－１范围内的红外光谱ꎮ通过热重分析仪对ＳＴＧ进行热失重测试ꎬ样品质量５ｍｇꎬ升温速率２０ħ/ｍｉｎꎬ温度范围５０~８００ħꎬ根据热重曲线ꎬ分析ＳＴＧ的组分和稳定性ꎮ采用旋转流变仪对ＳＴＧ进行频率扫描测试㊁应变扫描测试ꎬ使用ＰＰ２５平板夹具ꎬ测试温度设置为２５ħꎬ试样厚度为１ｍｍꎬ对ＳＴＧ的剪切增稠效果进行了表征并探索了ＳＴＧ的流变性能ꎮ１４㊀ＳＴＧ低速落锤冲击测试图２㊀落锤系统Ｆｉｇ２㊀Ｄｒｏｐｈａｍｍｅｒｓｙｓｔｅｍ本文对ＳＴＧ低速抗冲击性能[１１－１７]主要在落锤冲击机(ＬＣ￣２型)上进行检测ꎬ实验温度为２５ħꎬ实验湿度为６０％ꎬ参考Ｑ/７０２Ｊ０６１０２０１３进行实验方案的确定和测试ꎬ通过测试得到试样的力和位移曲０８第４７卷第１期付倩倩ꎬ等:剪切增稠胶流变性能及其抗冲击性能研究线ꎬ得到ＳＴＧ的能量吸收情况ꎮ整个实验装置由以下系统组成ꎬ如图２所示:动态冲击性能测试冲击试样为半径为１００ｍｍꎬ高为６５ｍｍ的圆柱体ꎬ最大冲击能量为６５Ｊꎬ实验中采用质量为６２ｋｇꎬ半径２０ｍｍ的冲击锤头ꎬ在不同冲击速度下对样品的动态性能进行测试ꎬ对各个样测试５次并对５次测试的结果取平均值ꎮ在实验过程中会测量冲击锤的冲击力－位移曲线关系和能量吸收情况来分析ＳＴＧ抗冲击的特性ꎮ２㊀结果与讨论２１㊀剪切增稠胶的表征２１１㊀ＳＴＧ的红外光谱分析图３㊀ＳＴＧ的红外光谱图Ｆｉｇ３㊀ＩｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆＳＴＧ图３为ＳＴＧ的红外光谱图ꎮ经过分析可得２９６０ｃｍ－１的吸收峰对应着ＣＨ３的伸缩振动ꎬ１３４０ｃｍ－１的特征峰由ＢＯ振动所引起的ꎬ１２６０ｃｍ－１的强吸收峰表明了ＳｉＣＨ３键的存在ꎬ源于甲基的伸缩振动ꎬ１０１０ｃｍ－１的峰值对应着ＳｉＯ键ꎬ在８６０ｃｍ－１和７８７ｃｍ－１的强吸收峰说明反应过程中形成了ＳｉＯＢ键ꎮ由此可得出ＳＴＧ里面含有ＳｉＯ㊁ＳｉＣＨ３㊁ＢＯ㊁ＳｉＯＢ[６]ꎮ２１２㊀剪切增稠胶的热重分析图４㊀ＳＴＧ的热失重曲线Ｆｉｇ４㊀ＳＴＧｔｈｅｒｍａｌｗｅｉｇｈｔｌｏｓｓｃｕｒｖｅ由ＤＴＧ曲线可以看出ꎬＳＴＧ有三个失重阶段ꎬ在４５０ħ反应速度最快ꎬ反应结束温度为５５０ħꎬ由图中分析可知第一阶段(１００~３００ħ)为基体表面吸附水和结晶水的失重温度ꎬ在该阶段主要为水分蒸发和ＳｉＣＨ３结构中甲基的分解造成的ꎬ质量损失约为１６８％ꎬꎻ第二阶段(３００~４５０ħ)主要为ＳｉＯ㊁ＢＯ㊁ＳｉＯＢ的分解ꎬ基体由高聚物分解为低聚物ꎬ质量损失率约为４１７％ꎬ当温度达到５５０ħ时ꎬ材料总质量损失率为９５％ꎬ基体几乎完全分解[１８]ꎮ２２㊀剪切增稠胶流变性能黏弹性理论认为ꎬ弹性和黏性分别对应于体系的固体和液体行为ꎬ这两者的强度可分别用储能模量(Ｇᶄ)和耗能模量(Ｇᵡ)表示ꎮ固体在屈服极限范围内符合胡克定律ꎬ表现为弹性行为ꎻ牛顿流体符合牛顿黏性定律ꎬ表现为黏性行为ꎻ而ＳＴＧ为非牛顿流体ꎬ介于两者之间ꎬ则表现为黏弹性行为ꎮ为了比较剪切变硬的性能ꎬ用相对剪切效应(ＲＳＴｅ)来量化比较这一刺激－响应性能[１９]ꎮＲＳＴｅ＝Ｇᶄｍａｘ－ＧᶄｍｉｎＧᶄｍｉｎˑ１００％(１)式中ꎬＧᶄｍａｘ－由剪切频率引起的最大储能模量ꎻＧᶄｍｉｎ－胶体的初始模量ꎮ通过流变测试研究了ＳＴＧ在不同压力下的蠕变－回复曲线ꎬ另外通过频率扫描和振幅扫描得到了ＳＴＧ储能模量(Ｇᶄ)和耗能模量(Ｇᵡ)与应变(γ)和扫描频率(ω)的变化曲线ꎬ表征了ＳＴＧ的剪切效应和其在线性黏弹区的性能ꎮ２２１㊀ＳＴＧ的蠕变性能蠕变或者冷流可以反映材料的黏弹性行为ꎬ对研究材料长时力学行为具有重要意义ꎬ在了解材料性能的情况下才能更充分地加大ＳＴＧ应用ꎮ在恒定外载作用下ꎬ理想黏性液体材料的变形是以等应变率随时间变化的ꎬ黏弹性材料在应力不变的条件下ꎬ材料的变形是随着时间的延长而增加ꎬ高分子材料尤为明显[２０]ꎮ图５为三种应力水平下的蠕变曲线ꎬ用流变仪测试ＳＴＧ在不同压力下的蠕变－回复曲线来表征ＳＴＧ的蠕变行为ꎬ将ＳＴＧ塑成底面直径３０ｍｍꎬ高度２５ｍｍ左右的圆柱ꎮｔ１为加荷时间ꎬｔ２为释荷时间ꎬ对材料加载恒定压力３００ｓꎬ然后卸载压力ꎬ流变仪记录试样在整个过程中的应变ꎮ从图５中可以看出ꎬ当ＳＴＧ受到较小的应力时立即发生变形ꎬ当应力达到７５Ｐａ时ＳＴＧ的应变达到了７５０％ꎬ表明ＳＴＧ在较小的应力下具有相当大的蠕变量ꎬ这与前面ＳＴＧ在慢速拉伸受到较小力的条件下可被塑造成各种形状相一致ꎮ卸１８塑㊀料㊀工㊀业２０１９年㊀㊀载应力后ꎬＳＴＧ的应变随时间保持不变ꎬ没有回复现象ꎬ这是由于ＳＴＧ在施加的应力下发生的是分子间的相对滑移ꎬ即黏性流动ꎬ而黏性流动是不可回复的ꎮ图５㊀ＳＴＧ在不同应力下的蠕变曲线Ｆｉｇ５㊀ＴｈｅｃｒｅｅｐｃｕｒｖｅｓｏｆＳＴＧｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓ２２２㊀动态流变性能的研究对三种ＳＴＧ样品进行频率扫描(应变γ＝０５％ꎬω为０１~１００ｒａｄ/ｓ)ꎬＧᶄ代表材料储存弹性变形能量的能力ꎬ描述的为材料的固态特性ꎬ储能模量增大表示材料越不易变形ꎻＧᵡ表示材料的黏性性能ꎬ描述的为材料的液态特性ꎮ从图６可以看出ꎬ随着频率的增加Ｇᶄ逐渐增大ꎬ而Ｇᵡ先增大后减小ꎬ表明ＳＴＧ力学性能对频率较敏感ꎻ在低频率范围内Ｇᵡ>Ｇᶄꎬ材料的黏性占主导地位ꎬ说明ＳＴＧ分子之间存在一些纠缠ꎬ但分子间的键合不是非常紧固ꎬ在高频率范围内Ｇᶄ>Ｇᵡꎬ弹性占主导地位表现为固体行为ꎬ说明材料在外界高频率条件刺激下分子内部发生了键合ꎬ具有稳定的网状结构ꎬ因此储能模量增大了将近４个数量级ꎬ这一结果说明随着剪切频率的增加ꎬ材料表现出了典型的剪切变硬性能ꎮ图６㊀ＳＴＧ样品的模量－剪切频率的示意图Ｆｉｇ６㊀Ｍｏｄｕｌｕｓ￣ｓｈｅａｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉａｇｒａｍｏｆＳＴＧｓａｍｐｌｅｓＡ㊁Ｂ㊁Ｃ分别为低㊁中㊁高温度条件下制备而成的试样ꎮ由表１可以看出ꎬ样品Ｃ的相对剪切效应为１９９０８１４５％ꎬ相对Ａ和Ｂ样品ꎬ剪切变硬效果较好ꎻ角频率ωｃｏ的值在Ｇᶄ＝Ｇᵡ的交叉点处确定ꎬ在样品Ａ的ωｃｏ为０３９８ｓ－１ꎬ样品Ｂ和Ｃ的ωｃｏ在１６ｓ－１左右ꎬ表明Ａ样品的平均分子量相对较高ꎬ该样品的分子链较长ꎮＡ样品是在较低温度下制备的ꎬ其相对剪切效应较另外两个样品低很多且临界转变频率较低ꎬ表明温度对ＳＴＧ影响较大ꎬ在温度高的条件下可能是由于硼酸完全脱水程度高因此形成的ＢＯ瞬时交联键较多ꎬ当外界频率增加时ꎬ这种瞬间交联键来不及断裂ꎬ ＢＯ键会相互吸引ꎬ使得分子链的运动受到严重阻碍ꎬ因此在高频率刺激下表现为固体行为ꎬ其相对剪切效应较大ꎮ表１㊀频率扫描中不同温度条件下的样品Ｇᶄｍｉｎ㊁Ｇᵡｍａｘ和ＲＳＴｅＴａｂ１㊀ＳａｍｐｌｅｓｏｆＧᶄｍｉｎ㊁ＧᵡｍａｘａｎｄＲＳＴｅ(％)ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｅｅｐ样品Ｇᶄｍｉｎ/ＰａＧᵡｍａｘ/ＰａＲＳＴｅ/％ωｃｏ/ｓ－１Ａ７０００１３００００１７５７１４０３９８Ｂ１５１１７７０００１１７１１８５４１５８Ｃ７３３１４６０００１９９０８１４５１６１对ＳＴＧ样品进行振幅扫描(ω＝１０ｒａｄ/ｓꎬγ＝００１％~１０００％范围)来描述非破坏性变形范围内的样品变形特性ꎬ图７为ＳＴＧ体系的Ｇᶄ和Ｇᵡ随γ的变化曲线ꎮ样品Ａ㊁Ｂ㊁Ｃ曲线趋势基本一致ꎬ线性极限γＬ＝３％ꎬ当应变<３％时ꎬ储能模量和耗能模量不随应变的改变而改变ꎬ此范围为材料的线性黏弹区ꎬ在该区域内材料的结构变化是可逆的ꎻ当应变>３％时ꎬ储能模量和耗能模量随着应变幅值的增大而减小ꎬ材料进入非线性阶段[２１]ꎬ在线性极限γＬ＝３％后储能模量开始出现大幅度下降ꎬ这表明ＳＴＧ发生了脆性断裂特性ꎮ在线性黏弹区内样品的Ｇᶄ>Ｇᵡꎬ材料主要发生弹性形变ꎬ表明ＳＴＧ在线性黏弹区呈现出固态特性ꎬ对于Ｃ样品储能模量和耗能模量几乎相当ꎬ表明Ｃ样品在线性黏弹区呈现为半固态的状态ꎮ图７㊀ＳＴＧ样品的模量－应变的示意图Ｆｉｇ７㊀Ｍｏｄｕｌｕｓ￣ｓｔｒａｉｎｄｉａｇｒａｍｏｆＳＴＧｓａｍｐｌｅｓ２３㊀不同冲击速度下对ＳＴＧ冲击性能的影响材料的抗冲击测试是根据能量守恒定律ꎬ重力势２８第４７卷第１期付倩倩ꎬ等:剪切增稠胶流变性能及其抗冲击性能研究能Ｅ＝ｍｇｈ转化为冲击动能Ｅ＝１/２ｍＶ２ꎬ图８中ａ㊁ｂ㊁ｃ曲线分别代表冲击速度为１４㊁３２㊁４５ｍ/ｓ条件下ＳＴＧ的冲击力(Ｆ)和位移(Ｘ)曲线ꎮ如图８所示ꎬ随着冲击速度的增大ꎬ冲击力和位移曲线的趋势基本一致ꎬ材料的刚度随着速度增大有变小的趋势ꎬ但是变化不大ꎮ当冲击锤头接触到材料ꎬＳＴＧ发生变形ꎬ在此过程中加速度的绝对值开始递增ꎬ材料受到的力增加ꎬ当冲击速度由１４~４５ｍ/ｓ时ꎬ最大冲击力由０７ｋＮ增大到２８ｋＮꎬ材料所受最大冲击力随冲击速度的增大线性增加ꎬＳＴＧ表现出了不断增强的抗冲击性能ꎬ并且曲线的加载和卸载部分光滑ꎬ表明材料并未受到破坏ꎮ由Ｆ－Ｘ曲线可看出ꎬ材料有着较好的弹性ꎬ在１４ｍ/ｓ的冲击速度下材料的位移可回弹至零位移ꎬ当速度为４５ｍ/ｓ时ꎬ冲击最大位移量为５６ｍｍꎬ碰撞结束后ＳＴＧ的冲击压缩量为５ｍｍꎬ说明材料在受力过程中有着较好的回复能力ꎮ图８㊀不同速度下ＳＴＧ冲击力和位移曲线Ｆｉｇ８㊀ＳＴＧｉｍｐａｃｔｆｏｒｃｅａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｅｄｓ图９㊀ＳＴＧ能量吸收系数和速度的关系Ｆｉｇ９㊀ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＳＴＧｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｓｐｅｅｄ图９为在不同高度(２~１００ｃｍ)条件下能量吸收系数和速度的关系ꎬ可看出ＳＴＧ能量吸收系数随冲击速度的增大即冲击能量的增大而增大ꎬｉ值在逐渐增大ꎬ即材料吸收的能量也越多ꎬＳＴＧ表现出较好的能量吸收特性ꎬ可用于缓冲或防护等方面的应用ꎮ当初始冲击能量为６２８Ｊ时ꎬＳＴＧ能量吸收系数达到一个稳定的数值为５５％ꎬ也可将该材料和其他材料如聚氨酯泡沫㊁织物等进行复合来扩大材料的应用范围ꎮ３㊀结论１)对ＳＴＧ进行蠕变性能的研究ꎬ对ＳＴＧ施加不同的应力分析ＳＴＧ的蠕变行为ꎬ表明ＳＴＧ在较小的应力条件下有着比较大的蠕变量ꎻ随着施加压力的增加应变变化较大ꎬ在卸载应变后ＳＴＧ应变随时间基本不变ꎮ２)通过流变测试对ＳＴＧ进行频率扫描ꎬ得到材料在受到外界高频率刺激时储能模量增大了将近４个数量级ꎬ材料表现出了典型的剪切变硬性能ꎬ样品相对剪切效应达１９９０８１４５％ꎬ显示出优异的剪切效应且温度对样品的性质影响较大ꎻ对ＳＴＧ进行振幅扫描ꎬ得到当应变<３％时ꎬ此范围为材料的线性黏弹区ꎬ当应变>３％时ꎬ材料进入非线性阶段ꎬ对于大多数样品来说ꎬ在应变幅值扫描范围内Ｇᶄ始终大于Ｇᵡꎬ表明ＳＴＧ在整个形变范围内呈现出固态特性ꎮ３)对ＳＴＧ进行落锤冲击测试ꎬ随着冲击速度的增大材料的刚度有变小的趋势ꎬ但变化不大ꎻ随着冲击速度的增大ꎬＳＴＧ受到的冲击力越来越大ꎬＳＴＧ的能量吸收系数也变大ꎬ材料吸收能量越多ꎬ表明ＳＴＧ具有较好的能量吸收特性及良好的抗冲击性能ꎬ本样品在冲击能量为６２８Ｊ时其能量吸收系数达到５５％ꎬ可根据材料能量吸收特性扩大其应用范围ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]蒋伟峰.剪切增稠材料的力学性能表征及机理研究[Ｄ].合肥:中国科学技术大学ꎬ２０１５.[２]徐钰蕾.剪切增稠液的性能表征及其防护应用研究[Ｄ].合肥:中国科学技术大学ꎬ２０１２.[３]ＦＩＳＣＨＥＲＣꎬＢＲＡＵＮＳＡꎬＢＯＵＲＢＡＮＰꎬｅｔａｌ.Ｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｉｔｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｈｅａｒ￣ｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇｆｌｕｉｄｓ[Ｊ].ＳｍａｒｔＭａｔｅｒＳｔｒｕｃｔꎬ２００６ꎬ１５(５):１４６７.[４]周鸿ꎬ郭朝阳ꎬ宗路航ꎬ等.剪切增稠液及阻尼器性能研究[Ｊ].振动与冲击ꎬ２０１３ꎬ３２(１８):１５－２０.[５]ＨＡＳＩＢＭＴꎬＹＥＬꎬＣＨＡＮＧＬ.Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓａｎｄ￣ｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｓｈｅａｒｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇｆｌｕｉｄ(ＳＴＦ)[Ｊ].ＲｅｃｅｎｔＡｄｖＳｔｒｕｃｔＩｎｔｅｇｒｉｔｙＡｎａｌ￣ＰｒｏｃＩｎｔＣｏｎｇｒｅｓｓ(ＡＰＣＦ/ＳＩＦ￣２０１４)ꎬ２０１４:５３４－５３８.[６]王胜.多功能剪切变硬胶复合材料的研制与性能研究[Ｄ].合肥:中国科学技术大学ꎬ２０１７.[７]蔡亮ꎬ蒋伟峰ꎬ张泰华.剪切增稠胶剪切条件下的黏弹性能及其力学性能改性[Ｊ].功能材料ꎬ２０１７ꎬ４８(８):１８１－１８５.(下转第１３９页)３８第４７卷第１期李㊀湘ꎬ等:利用不同的ＰＳ废塑料制备环保阻燃ＰＳ[４]崔文广ꎬ郭奋ꎬ陈建峰ꎬ等.无卤阻燃高抗冲聚苯乙烯的研制[Ｊ].塑料工业ꎬ２００６ꎬ３４(２):２１－２４. [５]ＬＥＶＣＨＩＫＳＶꎬＷＥＩＬＥＤ.Ｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎｆｌａｍｅｒｅ￣ｔａｒｄａｎｃｙｏｆｓｔｙｒｅｎｅｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓａｎｄｆｏａｍｓ[Ｊ].ＰｏｌｙｍＩｎｔꎬ２００８ꎬ５７(３):４３１－４４８.[６]卢翔ꎬ姜向新ꎬ杨友强ꎬ等.八溴醚阻燃ＰＰ/ＰＳ共混物的性能研究[Ｊ].广州化工ꎬ２０１７ꎬ４５(２４):６６－６９. [７]ＳＡＬＥＨＩＹＡＮＲꎬＳＯＮＧＨＹꎬＫＩＭＭꎬｅｔａｌ.ＭｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＰＰ/ＰＳｂｌｅｎｄｓｆｉｌｌｅｄｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｃｌａｙｓｂｙｎｏｎｌｉｎｅａｒｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ[Ｊ].Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓꎬ２０１６ꎬ４９(１２):２１４８－３１６０.[８]许贺ꎬ王利ꎬ孙佳惠ꎬ等.环保型溴－锑阻燃体系在聚苯乙烯中的应用[Ｊ].工程塑料应用ꎬ２０１７ꎬ４５(１２):３９－４２.[９]刘斌.环境友好聚苯乙烯阻燃技术新进展[Ｊ].合成材料老化与应用ꎬ２０１４ꎬ４３(４):５８－６１.[１０]何敏ꎬ徐定红ꎬ栗多文ꎬ等.红磷母粒与氢氧化镁协效阻燃高抗冲机强度聚苯乙烯研究[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１１ꎬ３９(７):４３－４５.[１１]董波ꎬ杜向向ꎬ李全红ꎬ等.聚苯醚与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚苯乙烯的研究[Ｊ].化工新型材料ꎬ２０１４ꎬ４２(６):１６７－１６９.[１２]秦旺平ꎬ付锦峰ꎬ肖鹏ꎬ等.新型低卤阻燃ＰＳ￣ＨＩ材料的制备与性能[Ｊ].工程塑料应用ꎬ２０１８ꎬ４６(１):１０１－１０５.(本文于２０１８－０９－３０收到)㊀(上接第８３页)[８]ＧＯＥＲＴＺＭＰꎬＺＨＵＸＹꎬＨＯＵＳＴＯＮＪＥ.Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｒｅｌａｘａｔｉｏｎｏｆａｓｏｌｉｄ￣ｌｉｑｕｉｄ [Ｊ].ＪＰｏｌｙｍＳｃｉꎬＰａｒｔＢ:ＰｏｌｙｍＰｈｙｓꎬ２００９ꎬ４７(１３):１２８５－１２９０. [９]夏艳丽ꎬ俞科静ꎬ钱坤ꎬ等.ＳＴＧ/ＩＰ稀释比对ＳＴＧ/ＰＵ复合材料低速抗冲击性能的影响[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１７ꎬ４５(１０):８３－８７.[１０]李峰ꎬ彭彬超ꎬ张博文ꎬ等.剪切增稠凝胶及制备方法和有剪切增稠效应的防破片织物:１０４８６２９７５Ｂ[Ｐ].２０１５－０８－２６.[１１]薛亚静ꎬ林兰天ꎬ张福乐ꎬ等.剪切增稠流体运用于低速冲击防护的研究[Ｊ].上海纺织科技ꎬ２０１４(１０):９－１２.[１２]路瑶.剪切增稠流体的流变行为研究及其在防刺材料中的应用[Ｄ].上海:东华大学ꎬ２０１４.[１３]冯新娅.剪切增稠流体的动态响应及其在防护结构中的应用[Ｄ].北京:北京理工大学ꎬ２０１４.[１４]ＴＡＮＶＢＣꎬＴＡＹＴＥꎬＴＥＯＷＫ.Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｆａｂｒｉｃａｒｍｏｕｒｗｉｔｈｓｉｌｉｃａｃｏｌｌｏｉｄａｌｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ[Ｊ].ＩｎｔＪＳｏｌｉｄｓＳｔｒｕｃｔꎬ２００５ꎬ４２(５):１５６１－１５７６.[１５]蒋瑾.防护低速冲击的纺织组合材料的开发与研究[Ｄ].上海:上海工程技术大学ꎬ２０１６.[１６]ＣＲＯＳＳＲ.Ｅｌａｓｔｉｃａｎｄｖｉｓｃｏｕｓｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｉｌｌｙｐｕｔｔｙ[Ｊ].ＡｍＪＰｈｙｓꎬ２０１２ꎬ８０(１０):８７０－８７５. 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高危从业人员新型STF-防刺服性能和机理探讨

摘要：本文介绍高危从业人员新型ＳＦ防刺服的基本概况，通过对ＳＦ变性能和流变机理的研Ｔ一Ｔ流究，探讨ＳＦ复合材料中的应用和影ＳＦＴ在Ｔ复合材料防护性能优劣的因素，进一步对高危从业人员新型ＳＦ防护服防护机理进行了研究与探讨。Ｔ一
刚刚起步．已报道的主要是在防震及防护领域上的应用：Ｆｓｈｒ人应ｉｅ等ｃ
稠效应是一种非牛顿流体行为．并
且此过程具有可逆性。分散相粒子
和分散介质共同组成了ＳＦ系其Ｔ体中，分散相粒子可以分为两类：一是
ＰＧ体系。ＥＳＦ系出现剪切增稠现象的一Ｔ体
稠是由于体系中形成 ” 子簇 ” 粒体系黏度增大，从而出现了增稠现象。对于ＳＯ，Ｅｉ／Ｇ体系中剪切变稀Ｐ
个重要条件是分散相粒子体积分数足
如设计阻尼控制设备、用于减震等
２ＳＦ变性能和机理分析Ｔ流
对ＳＦ研究目前主要有流变性Ｔ的
领域、研究最新的防弹材料或其他防护设备等。本文制备出具有剪切增稠行为的ＳＦ，并用其处理传统Ｔ
流体ＳＦ，在生产中通常会产生诸Ｔ如阻碍输送管道、破坏生产设备等这些不利的影响，这是由于其具有

剪切增稠液体对织物防刺性能的影响

象，粒子簇” 用“ 生成机理能较好地解释这种现象。为降低成本，暂选用普通玻纤织物作为载体，制备出ＳＦ玻纤织Ｔ－物，并将其和纯玻纤织物进行准静态防刺试验。结果表明在面密度相同的情况下，剪切增稠液体的使用能有效提高
玻纤织物的防刺性能，其项破强力比未处理时高２．４。使８１关键词剪切增稠液体流变性ＳＦ玻纤织物防刺性能Ｔ－
０引言
防刺服要求能保护人体免受刺刀、匕首等尖锐物体的伤
害，同时还要保证穿戴者适当的舒适性，使穿戴者的行动不过度受到限制，这就要求装甲材料质轻、柔软，在提供有效防护的同时不影响穿戴者的活动灵活性。剪切增稠液体（Ｔ）ｓＦ由分散相粒子和分散介质组成，是一种非牛顿力学行为可逆流体口，］在平衡状态下，表现为分散胶体形式；而在
１３ＳＦ玻纤织物的制备．Ｔ－
首先用无水乙醇稀释配制好的ＳＦ然后将已剪好的直Ｔ，
＊生态纺织教育部重点实验室（南大学）江开放课题（ＬＴ９０；ＫＥ０１）江南大学青年基金项目２０ＬＮ２；（０９Ｑ０）江南大学ｇ进人才项目Ｉ
ｓｅｒｔｉｋｎｎｐｌｍｅｉｐｒｉｎｐｓｉｅｙｖｓｏｉｙｈａｈｃｅｉｇｏｙｒｄｓｅｓｏｓ’（ａｓｖｌｉｃｓｔ
ｓｉｈｎｌｉｓ口］ｈｏ，９１３（）９９ｗｔｉｇｆｄ）．ＪＲｅｌ９，５６：９ｃｕ１
２４・３
材料导报

经STF处理后的织物的防刺性研究

用没有锋芒尖端的工具如冰锥或锥子来穿透Ｊ。这些容液体，并在６５ｏｃ干燥３０ｍｉｎ。对每一个试样在ＳＴＦｄ
易威胁惩教人员的要首要关注。因为这些尖锐的物体都下的重量增加的平均值进行了记录。另外在ＳＴＦ作月比较容易即兴发挥。切割指的是指刀子与连续的切削刃相接触，这种切割威胁比起穿刺更难以阻挡。因为切削
除了高旦丝尼龙面料每厘米具有一转的捻度外其余
与碎片、碎玻璃和铁丝网的接触，因而城市冲突中就必均无捻。为了制造ＳＴＦ织物复合材料，首先在体积３：１体积比下稀释乙醇，单个的纤维层每个测量刺威胁可以分为两类：穿刺和切割。穿刺指的是利３８．１ｃｍＸ３８．１ｃｍ。然后在溶液中浸泡１分钟，挤干
以最大穿透深度为五层。另外还要注意。尽管这些纸张
没有受到冲击直接穿透。但也有可能由于钝性冲击载荷
但在大多数情况下ＳＴＦ一芳纶测试中多层纸被撕破。
硅并且ＳＴＦ存在的环境条件下显示。这些图像表明ＳＴＦ的刺激而撕裂。尽管外观上并没有明显的渗透到纸层，分别对每个对象进行两组实验。对于第一组，质量是固定的（２．３４公斤的刀冲击，２．３３公斤的钉冲击），下降高度从０．１ — ０．７５ｍ不等。在第二组试验中降落高度是固定的为０．１米（速度为１．４ｍ／ｓ），下降质量不固定刀冲击从２．３４公斤至４．６８公斤不等，钉冲击为２．３３公斤到４．６７公斤不等，整套测试条件在表二中给出。尼龙和ＳＴＦ一尼龙

剪切增稠液对不同结构芳纶织物防刺性能的影响

第41卷㊀第3期2020年3月纺㊀织㊀学㊀报Journal of Textile ResearchVol.41,No.3Mar.,2020DOI :10.13475/j.fzxb.20190506107剪切增稠液对不同结构芳纶织物防刺性能的影响李聃阳1,2,王㊀瑞1,2,刘㊀星1,2,张淑洁1,2,夏兆鹏1,2,阎若思3,代二庆4(1.天津工业大学纺织科学与工程学院,天津㊀300387;2.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津㊀300387;3.河北科技大学纺织服装学院,河北石家庄㊀050018;4.中国人民武装警察部队特色医学中心,天津㊀300162)摘㊀要㊀为实现防刺服的轻量化以提高可穿戴性,用剪切增稠液(STF)浸渍不同结构的芳纶织物制备柔性防刺材料,探究织物结构对STF /芳纶复合织物防刺性能的影响㊂借助流变仪㊁扫描电子显微镜㊁万能强力仪对STF 的流变性及STF /芳纶复合织物的形貌㊁纱线抽拔力㊁准静态锥刺和刀刺性能进行表征㊂结果表明:STF 的流变性能随着分散相质量分数的增加而明显增强;经STF 浸渍后各织物的防刺性能都有明显提升,经纬密度较大的平纹织物表现出较优的抗锥和抗刀刺性能,其中最大抗锥刺和抗刀刺力分别为993.75N 和687.50N;STF 的剪切增稠作用能有效提高纤维间的摩擦从而限制纱线滑移,且随着织物交织点数增多,纱线间摩擦力增大;斜纹复合织物的刀刺性能提升最为明显,提升了387%,因为斜纹织物较长的浮长线能有效抵抗刀刃的切割作用㊂关键词㊀剪切增稠液;芳纶织物;织物结构;防刺性能;个体防护材料中图分类号:TB 332;TE 45;TS 154.7㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀Effect of shear thickening fluid on quasi-static stab resistanceof aramid-based soft armor materialsLI Danyang 1,2,WANG Rui 1,2,LIU Xing 1,2,ZHANG Shujie 1,2,XIA Zhaopeng 1,2,YAN Ruosi 3,DAI Erqing 4(1.School of Textile Science and Engineering ,Tiangong University ,Tianjin ㊀300387,China ;2.Key Laboratory of Advanced Textile Composites ,Ministry of Education ,Tiangong University ,Tianjin ㊀300387,China ;3.College of Textile and Garments ,Hebei University of Science and Technology ,Shijiazhuang ,Hebei ㊀050018,China ;4.Affiliated Hospital of Logistics University of Peopleᶄs Armed Police Force ,Tianjin ㊀300162,China )收稿日期:2019-05-24㊀㊀㊀修回日期:2019-12-14基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(11602168);天津市科委重点课题(15ZXLCSY00040);河北省自然科学基金项目(E2019208424)第一作者:李聃阳(1993 ),女,博士生㊂主要研究方向为剪切增稠液及防刺材料㊂通信作者:王瑞(1960 ),男,教授,博士㊂主要研究方向为复合材料加工㊁功能与智能纺织品㊂E-mail :wangrui@ ㊂Abstract ㊀In order to achieve the lightweight of stab-resistance fabric with improved wearability,shear thickening fluid (STF)was used to impregnate the aramid fabrics with different structures to fabricate the flexible body armor and the influence of different structures on the stab resistance of STF /aramid fabrics was investigated.The rheological property of STF,the morphology,yarn pull-out force and spike and knife stabbing performance of STF /aramid fabrics were characterized by Malvin rotational rheometer,scanning electron microscopy and tensile tester.The results indicate that the shear thickening behavior increases with the mass fraction of dispersion phase increasing.The STF impregnated fabric has significantly improved the stab resistance performance,and the STF /plain-fabric with high warp and weft density exhibits better spike and knife stab performance with the maximum spike and knife stab resistance forces reaching 993.75N and 687.50N respectively.Because the shear thickening effect can effectively hinder yarn slippage and the yarn friction increases as the number of fabric crossover points increasing.Moreover,the knife stab performance of STF /twill-fabric is most noticeably enhanced by 387%because the longer floating line can resist the cutting action of the knife blade.Keywords ㊀shear thickening fluid;aramid fabric;fabric structure;stab-resistance;personal protective material第3期李聃阳等:剪切增稠液对不同结构芳纶织物防刺性能的影响㊀㊀㊀㊀㊀个体防护材料能够抵御外界冲击㊁保护人体免受武器伤害,在减少人员伤亡和维护社会稳定等方面发挥着重要作用㊂随着越来越多国家对枪械日益严格的管制,各种刺刀㊁匕首㊁锥㊁针等锐器成为不法分子施暴的主要工具[1],因此开发性能优异的防刺服来保护相关人员的生命安全是一项紧迫而有意义的工作㊂目前,用于防刺材料的高性能纤维主要有芳纶纤维㊁高分子量聚乙烯纤维㊁聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维㊁碳纤维等[2],但是通常需要叠加30~50层高性能纤维织物才能保证其防刺功能,这严重影响穿戴者的舒适性和灵活性[3]㊂近几年,剪切增稠液(STF)被广泛应用于防刺装备领域,在实现防护功能的同时又能克服传统防刺材料厚重的缺点[4]㊂剪切增稠液是一种非牛顿流体,由分散相和分散介质组成㊂该流体受到外界应力作用且超过临界值时,黏度会迅速增大,呈现类固体状态;当外界应力撤销,黏度又会恢复到初始值,呈现液体状态,即这种剪切增稠行为具有可逆性㊂Lee等[5]将STF与高性能芳纶织物复合,制备出一种新型的液体盔甲㊂结果表明,4层浸渍STF的芳纶织物比14层纯芳纶织物吸收更多的能量㊂这一发现引起柔性防刺材料研究的新高潮㊂Xu等[6]探究了二氧化硅粒径和质量分数对STF复合织物防刺性能的影响㊂结果表明,最优配比STF浸渍的12层织物比相同层数的纯织物多吸收3倍的能量㊂Gürgen等[7]将碳化硅(SiC)引入到STF中制备出一种多相的STF㊂结果表明,SiC能有效增加纱线间的摩擦力从而提高织物的防刺性能㊂目前,对STF复合织物防刺性能影响因素的研究大都集中在分散相粒径[6,8]㊁分散相种类[9]㊁分散介质[10]㊁纳米添加物[7,11]等㊂有关不同织物结构影响STF复合织物防刺性能的研究较少,且复合织物防刺机制研究仍不够深入㊂本文以气相二氧化硅(SiO2)为分散相,聚乙二醇200(PEG200)为分散介质来制备不同质量分数SiO2的STF,以不同织物结构的芳纶织物为载体制备STF/芳纶防刺复合织物㊂通过扫描电子显微镜㊁纱线抽拔力测试㊁准静态锥刺㊁刀刺探究不同织物结构对STF/芳纶复合织物防刺性能的影响,并重点分析了防刺机制㊂1㊀实验部分1.1㊀实验材料气相二氧化硅(绍兴市利洁化工有限公司),原生粒径为12nm,比表面积为200m2/g;聚乙二醇200(PEG200,分析纯,天津科密欧化学试剂有限公司);无水乙醇(分析纯,天津风船化学试剂科技有限公司)㊂芳纶织物(Kevlar®,宜兴市思维奇碳纤维制品有限公司),纱线线密度为111tex,织物组织结构见图1,织物规格参数见表1㊂图1㊀织物组织结构Fig.1㊀Weave structures of fabric.(a)Plain;(b)Twill表1㊀织物的规格参数Tab.1㊀Fabric specification parameters织物编号组织结构密度/(根㊃(10cm)-1)经向纬向面密度/(g㊃m-2) 1#平纹56561202#平纹87872003#斜纹8787200 1.2㊀实验样品制备剪切增稠液是用机械搅拌法制备而成㊂在盛有一定量PEG200的烧杯中边搅拌边加入SiO2,为进一步提高SiO2的分散性,用XHF-D高速分散器在8000r/min的转速条件下继续搅拌5~ 10min,SiO2质量分数分别为20%㊁25%㊁30%㊁35%㊂再将不同质量分数的SiO2悬浮液放入烘箱中真空脱泡1h得到STF㊂为降低STF的表面张力和黏度,提高浸渍的均匀性,用与STF体积比为1ʒ1的无水乙醇对其进行稀释㊂将尺寸为10cmˑ10cm的织物浸渍在稀释液中1min,再用1.5MPa 的压力和10r/min的速度进行压轧,除去多余稀释液的同时又能使STF充分渗透到纤维间的缝隙中㊂最后将浸轧后的织物置于60ħ的鼓风烘箱中3h除去无水乙醇㊂制成的STF/芳纶复合织物封装避光保存,以备性能测试㊂1.3㊀测试方法1.3.1㊀静态流变性能测试采用CVOD100型旋转流变仪(英国马尔文仪器有限公司)对STF静态流变性能进行测试㊂测试时选用直径为20mm的平板转子,板间距设置为300μm,剪切速率扫描范围是0.03~1000s-1,测试温度设定为25ħ,考察不同质量分数SiO2对剪切增稠液黏度η和临界剪切速率γ的影响㊂㊀1.3.2㊀织物形貌分析用中国复纳科学仪器有限公司提供的Phenom㊃701㊃㊀㊀㊀纺织学报第41卷LE 扫描电子显微镜(SEM)观察3种未经处理的芳纶织物(编号为1#,2#,3#)以及经STF 浸渍后的STF /芳纶复合织物(编号为STF -1#,STF -2#,STF -3#)的形貌㊂1.3.3㊀纱线抽拔测试为探究STF 对1#,2#,3#织物纱线间摩擦力的影响,进行纱线抽拔测试㊂将织物裁剪成95mm ˑ20mm 的长方形,底边夹紧固定在下夹具,除去上部分其余纱线,将要抽拔的纱线固定在上夹具,并把该纱线靠底边的位置切断,如图2所示㊂所有测试在Instron 5969型万能强力仪上完成,拉伸速度为100mm/min㊂每种试样测5次,取平均值㊂图2㊀纱线抽拔测试示意图Fig.2㊀Schematic illustration of yarn pull-out test1.3.4㊀准静态防刺测试参照ASTM -F1342 2005‘防护服材料抗穿刺性的标准试验方法“和NIJ 0115.00‘个人防穿刺装甲测试“对所制备的STF /芳纶复合织物进行准静态防锥刺㊁刀刺实验㊂所用的标准刀具和锥如图3所示㊂防刺实验用自制的中空圆柱形夹具将5层STF /芳纶复合织物夹紧固定,再用上夹具将锥或刀具固定在织物正上方,以508mm /min 的速度向下刺破织物,测试示意图如图4所示㊂每种测试进行3次,取平均值㊂图3㊀锥和刀规格图和实物图Fig.3㊀Specifications and images of spike and knife.(a)Specification of spike;(b)Image of spike;(c)Specification of knife;(d)Image ofknife图4㊀准静态防刺测试示意图Fig.4㊀Schematic illustration of quasi-static stab test2㊀结果与讨论2.1㊀STF 的流变性能图5示出SiO 2质量分数分别为20%㊁25%㊁30%㊁35%的STF 的静态流变性能曲线㊂可以看出,4种STF 都具有明显的剪切增稠行为,且变化规律基本一致㊂在剪切速率较低时,黏度随着剪切速率增加逐渐降低,表现出剪切变稀的特点㊂当剪切速率持续增加,直至临界剪切速率时,体系黏度突然提高,出现剪切增稠的现象,随后再次出现剪切变稀㊂然而,这4种STF 的剪切增稠程度存在一定差异,随着SiO 2质量分数从20%到35%,初始黏度从11.65Pa ㊃s 增加到179.4Pa ㊃s;最大黏度从75Pa ㊃s 增加到1563Pa ㊃s,增加不止1个数量级;临界剪切速率从29.64s -1降低到10.33s -1,降低了65.15%㊂根据剪切增稠的机制粒子簇理论[12-13]可知,体系中的水流动力克服粒子间斥力促进粒子簇的形成是STF 黏度突然增大的主要原因㊂水流动力由下式表示:F h =6πη0a 3γh式中:η0为分散介质黏度,Pa ㊃s;a 为粒子半径,nm;γ为剪切速率,s -1;h 为粒子间的距离,nm㊂在低剪切速率下,当体系中SiO 2质量分数增加,分散介质的比例减小,粒子排列更加紧凑,一定程度上阻碍液体的流动,使STF 初始黏度增加㊂由公式可知,粒子间的距离h 减小,会使水流动力更容易克服粒子间斥力,促进粒子间的碰撞团聚,形成更大更多的粒子簇 ,进一步增加液体的流动阻力,因此,随着体系中SiO 2质量分数的增大,最大黏度增加,临界剪切速率降低㊂为探究织物结构对防刺性能的影响,本文选用剪切增稠效果最优的含35%SiO 2的STF 进行后续实验㊂㊃801㊃第3期李聃阳等:剪切增稠液对不同结构芳纶织物防刺性能的影响㊀㊀㊀图5㊀不同质量分数SiO 2的STF 静态流变性能曲线Fig.5㊀Steady rheological curve of STFs withdifferent fumed silica mass fraction2.2㊀STF /芳纶复合织物形貌分析纯芳纶和STF /芳纶复合织物表面SEM 照片见图6㊂从图6(a)~(c)可知,未浸渍STF 的纤维间有明显的缝隙且纤维表面光滑㊂从图6(d)~(f)可以看出,STF -1#㊁STF -2#㊁STF -3#纤维表面包覆1层STF,使原本光滑的纤维表面变得粗糙㊂图6㊀纯芳纶和STF /芳纶复合织物表面SEM 照片(ˑ2000)Fig.6㊀Surface SEM images of aramid fabrics and STF /aramidfabrics (ˑ2000)纯芳纶和STF /芳纶复合织物截面SEM 照片见图7㊂从图7(d)~(f)可以看出,STF 充分地浸润㊁渗透到织物内部并填充纤维间的缝隙,提高了STF /芳纶复合织物的紧密性㊂2.3㊀织物结构对纱线抽拔性能的影响为探究STF 增强织物的防刺机制,测试织物中纱线抽拔力来间接表征纱线间摩擦力㊂图8示出3种芳纶织物㊁3种STF /芳纶复合织物的纱线最大抽拔力以及STF /芳纶复合织物的质量增加率㊂从图8看出,在未经STF 浸渍的织物中,2#织物图7㊀纯芳纶和STF /芳纶复合织物截面SEM 照片(ˑ200)Fig.7㊀SEM images of aramid fabrics andSTF /aramid fabrics (ˑ200)图8㊀纱线最大抽拔力和STF 浸渍后织物的质量增加率Fig.8㊀Peak pull-out force and weight gain rate offabrics after STF impregnation具有最大的纱线抽拔力(1.09N),这是因为2#织物的组织结构是平纹且具有最高的经纬密度,可以推断在相同范围内2#织物交织点数目最多,且交织作用会对纱线的抽拔产生阻力㊂虽然3#织物的经纬密度与2#相同;但是3#织物的斜纹织物组织结构使经纱的交织次数减少50%,导致3#织物交织点最少,且略低于1#织物,因此3#织物的纱线抽拔力最低㊂经过STF 浸渍后,3种STF /芳纶复合织物的纱线抽拔力都有明显提升㊂这是因为经过STF 浸渍后,STF 均匀包覆在纤维表面,填充纤维间的缝隙,增大纤维间摩擦力㊁抱合力;而且,在纱线抽拔的过程中会触发STF 的剪切增稠[14],进一步限制纱线的移动㊂STF -2#织物具有最大的纱线抽拔力(5.82N),因为交织点处STF 的剪切增稠作用再次阻碍纱线的抽拔㊂STF -1#织物纱线抽拔力的提升最为明显,从0.31N 到2.69N,提高了近770%;且1#织物质量增加率最高,为63.33%㊂这是因为1#织物较低的经纬密度更有利于STF 的渗透,使更多的STF 发挥作用㊂㊃901㊃㊀㊀㊀纺织学报第41卷2.4㊀STF/芳纶复合织物准静态防刺性能2.4.1㊀织物结构对复合织物锥刺性能的影响纯芳纶和STF/芳纶复合织物抗锥刺性能见图9㊂图9(a)示出3种芳纶织物及STF/芳纶复合织物的锥刺载荷-位移曲线㊂当锥体开始接触织物表面便对其施加张力,随着锥体的不断刺入,受到织物的摩擦阻力越来越大,直到锥体完全刺穿织物,锥刺载荷也急剧下降㊂图9(b)示出3种芳纶织物及STF/芳纶复合织物的最大抗锥刺载荷以及锥刺过程中吸收的能量㊂可以看出:未经STF浸渍时,3种芳纶织物的抗锥刺能力㊁吸收的能量随着织物交织点数目增多略有增加,但总体相差不大;浸渍STF后,3种STF/芳纶复合织物的抗锥刺性能明显提高,最大抗锥刺载荷对应位移也明显增大,且抗锥刺性能的提高程度与织物结构相关㊂其中,2#平纹织物的抗锥刺性能提升最为明显,从62.50N增长到993.75N,增加不止1个数量级;穿刺过程中吸收的能量与未浸渍STF相比,也增加1393%㊂3#斜纹织物的抗锥刺性能虽提高320%,但仍不如平纹织物㊂图9㊀纯芳纶和STF/芳纶复合织物的抗锥刺性能Fig.9㊀Cone stab resistance of aramid and STF/aramid fabrics.(a)Force-displacement curves for quasi-staticspike stab;(b)Energy dissipation duringimpact process and peak force of neataramid and STF/aramid fabrics图10为3种芳纶织物及STF/芳纶复合织物的锥刺破损图㊂由图10(a)~(c)可以看出,未浸渍STF的芳纶织物受到锥体冲击后,破损面积较小㊂这是因为纯芳纶纤维表面光滑㊁摩擦力小,应力集中处的纱线易横向滑移形成大范围开窗效应 ,使锥体迅速穿透织物,且纤维本身未被破坏㊂尤其是具有较疏松织物结构的1#和3#,原本滑移的纱线慢慢又恢复到原来位置,因此形成不明显的孔洞㊂图10㊀纯芳纶和STF/芳纶复合织物锥刺后破损图Fig.10㊀Damage diagram of aramid and STF/aramidfabric after pricking从图10(d)~(f)看出:织物被刺破后,破损变形面积较大,在断口处可以看到纱线的断裂㊂由此可以推断在锥刺过程中各组分发挥了协同作用㊂一方面复合织物中的STF受到外界刺激时,发生剪切增稠,吸收部分能量㊂另一方面,浸渍STF后,纤维间的摩擦力增大,阻碍纱线的滑移,加强局部应力向周围纤维㊁纱线的传递,使更多的芳纶纤维束参与到抵抗锥体刺入的过程,最大化发挥芳纶纤维高强㊁高模的特性㊂2#平纹织物的交织点更多,交织点处的STF发生剪切增稠进一步限制了开窗效应 ,因此,STF-2#织物抗锥刺性能最好㊂而STF-3#织物的抗锥刺性能比与之交织点数目相似的STF-1#稍差㊂这是因为锥体的直径小于3#斜纹织物的浮长线,当锥体作用在织物上时,浮长线受到锥体的推移力会分离出较大空间,锥体更易穿透织物;相较于平纹织物,经(纬)纱受到锥体推移力的同时,交织点处的纬(经)纱会给其一个反方向的摩擦力,使纱线的滑移受阻㊂2.4.2㊀织物结构对复合织物刀刺性能的影响纯芳纶和STF/芳纶复合织物抗刀刺性能见图11㊂其中图11(a)示出3种芳纶织物及STF/芳纶复合织物的刀刺载荷-位移曲线㊂当刀尖刚接触织物时,由于芳纶纤维高强㊁高模的特性,织物出现弹性形变㊂随着刀刺位移增加,未断裂的纱线承受刀的冲击载荷越来越大,直至最大值时出现纱线断裂或滑移,刀刺载荷迅速减小㊂刀尖继续刺破织物,刀㊃011㊃第3期李聃阳等:剪切增稠液对不同结构芳纶织物防刺性能的影响㊀㊀㊀刺载荷再次出现小幅度的震荡,直至完全穿过织物,刀刺载荷急剧下降且不再变化㊂图11(b)示出3种芳纶织物及STF /芳纶复合织物的最大抗刀刺载荷和刀刺过程吸收的能量㊂可以看出,未经STF 浸渍时,3种织物抗刀刺性能相差较大,2#织物抗刀刺性能最好,最大抗刀刺载荷达221.86N㊂从图3可以看出刀面宽度远远大于锥的直径,因此,刺刀难以从纱线缝隙间穿过㊂2#织物具有最高的经纬密度,较多的交织点对刀尖的阻力更大;而1㊁3#织物交织点较少,刀尖的冲击作用使纱线滑移,刀体容易穿过织物㊂经STF 浸渍后,3种织物的刀刺性能都有明显提高㊂STF -2#织物展现出最高的抗刀刺性(687.50N),与2#纯芳纶织物相比提高了210%㊂STF -3#织物的抗刀刺性能提高最为明显,比3#织物提升了387%㊂图11㊀纯芳纶和STF /芳纶复合织物的抗刀刺性能Fig.11㊀Stab resistance of aramid and STF /aramid fabrics.(a)Force-displacement curves for quasi-static knifestab;(b)Energy dissipation during impactprocess and peak force3种纯芳纶和STF /芳纶复合织物刀刺后破损图见图12㊂从图12(a)~(c)看出:1#和3#织物刀刺后的织物由纱线滑移产生大范围的开窗效应 ,几乎观察不到纱线的断裂;2#织物产生的破损面积较小,且在刀刃一侧可以观察到断裂的纱线㊂由图12(d)~(f)分析3种STF /芳纶复合织物刀刺后的破损形式,观察到织物开窗破损范围明显缩小,并且在刀刃一侧可以清晰看到断裂的纱线㊂由此可以分析STF 提高织物抗刀刺性能的原因:一方面是当刀尖接触织物时,外加应力使复合织物中的STF 发生剪切增稠作用吸收部分能量,同时渗透在纤维中缝隙的SiO 2聚集成粒子簇对刀也起到一定的磨蚀和钝化作用[15];另一方面,纤维间增大的摩擦力限制纱线的滑移,有效地阻碍刀尖的刺入过程㊂为穿透织物,刀刃的一侧不断地切割纱线,而刀尖另一侧不断挤压㊁推移纱线,促进刀尖冲击能量在纤维束间的传递和扩散,增加织物对刀尖冲击能量的吸收㊂而且,STF -3#织物在增大纱线间摩擦力的前提下,较长的浮长线可以有效地抵抗刀刃一侧的切割作用,有效缓解应力集中的现象[16-17],因此,STF -3#织物抗刀刺性能提升最为显著㊂图12㊀纯芳纶和STF /芳纶复合织物刀刺后破损图Fig.12㊀Damage diagram of aramid and STF /aramid fabricafter stabbing3㊀结㊀论本文利用剪切增稠率(STF)浸渍芳纶织物制备了STF /芳纶防刺复合织物,探究并分析了不同织物结构对防刺性能的影响,得到如下结论㊂1)STF 的静态流变性能随着体系中SiO 2质量分数的增加而增强㊂SiO 2质量分数从20%增加到35%,初始黏度㊁最大黏度提高1个数量级,临界剪切速率降低65.15%㊂2)3种芳纶织物经过STF 浸渍后,纱线抽拔力都有明显提高,且纱线抽拔力随着织物交织点数目的增加而变大㊂其中经纬密度较小的平纹织物抽拔力提升最为显著,提高了近770%㊂3)未经STF 浸渍时,3种芳纶织物的抗锥刺性能相差不大㊂经STF 浸渍后,平纹织物的抗锥刺性都优于斜纹织物,且随着织物交织点数目的增多而增强㊂斜纹织物由于较长的浮长线,展现出最差的㊃111㊃㊀㊀㊀纺织学报第41卷抗锥刺性能㊂4)未经STF浸渍时,3种芳纶织物的抗刀刺性能随着交织点数目的增多而增强㊂经过STF浸渍后,交织点数目最多的STF-2#表现出较好的抗刀刺性能,其最大抗刀刺载荷为687.50N,提高了210%;而斜纹织物抗刀刺性能提升最为明显,提升了387%㊂这是因为浮长线能较好地抵抗刀刃切割作用,缓解应力集中㊂FZXB 参考文献:[1]㊀邢京京,钱晓明.织物的防刺机制及刀具形状对防刺性能的影响[J].纺织学报,2017,38(8):55-61.XING Jingjing,QIAN Xiaoming.Stab-resistntmechanism of fabrics and influence of cutter shape onstab resistance[J].Jouranl of Textile Research,2017,38(8):55-61.[2]㊀HASANZADEH M,MOTTAGHITALAB V,BABAEIH,et al.The influence of carbon nanotubes on quasi-static puncture resistance and yarn pull-out behavior ofshear-thickening fluids(STFs)impregnated wovenfabrics[J].Composites Part A:Applied Science andManufacturing,2016,88:263-271.[3]㊀LAHA A,MAJUMDAR A.Shear thickening fluids usingsilica-halloysite nanotubes to improve the impactresistance of p-aramid fabrics[J].Applied 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剪切增稠流体冲击防护应用综述

剪切增稠流体冲击防护应用综述摘要：本文对剪切增稠液体的剪切增稠的行为进行了讨论，并对剪切增流液在防护方面的应用进行了探究。

通过本文可以知道，在防护材料中复合进剪切增稠液后，可以显著增加其抗震，抗冲击性能。

关键词：剪切增稠液；复合材料；抗冲击性能Abstract：In this paper, the shear thickening behavior of shear thickening fluid is discussed, and the application of shear thickening fluid in protection is explored. It can be seen from this paper that the anti-seismic and anti impact properties of the protective materials can be significantly increased after the shear thickening fluid is added into the protective materials.Keywords: shear thickening fluid; composite materials; protection property0 前言牛顿流体，即剪切速率和剪切应力呈线性函数关系，剪切应力增加，黏度也会随之线性增长，剪切增稠，是指随剪切速率或剪切应力的增加，粘度也增加的非牛顿流体行为，也称为胀流型。

具有剪切增稠效应的悬浮体系被称为剪切增稠液（STF，shear thickening fluid）。

当处于低应力作用下，这种悬浮体系呈流体状态，而处于高应力作用下突然变得粘稠甚至呈现固体状态，当撤去外力作用时又呈现流体状态。

对STF进行流变测试，发现在达到临界剪切速率之前，STF粘度随剪切速率增加而下降，当达到临界剪切速率后，粘度急剧上升。

剪切增稠液体

剪切增稠液
Shear Thickening Fluid
目录
背景原理制备及表征应用
背景
自从有战争以来，盔甲（战斗服）的研发就从未停息。
背景
但盔甲的轻便性和防护性一直是一对不可调和的矛盾，即使是目前最先进的防弹背心，其实也没比中世纪的盔甲在原理上高明多少，起主要防护作用的，还是插在里面的那块金属板。
制备及表征
纯Kevlar和STF/Kevlar的扫描电镜图经过一次针刺测试后的纯Kevlar 和STF/Kevlar复合材料图
应用
液体防护服（中央一套《我爱发明》之液体防护服）液体增稠液减震器
背景
又轻又软又薄又刀枪不入的衣服，一直都只存在于神话和小说中，如黄蓉的软猬甲
背景
由“美国特拉华州立大学合成物质研究中心” 和“美国陆军研究实验室”下属的“武器和原料研究理事会”共同开发了一种“剪切增稠液体” ，利用它制造的防护服通常被叫做“液体装甲”
背景
“剪切增稠液体”渗入织物中，通常状态下是以液态形式存在，但是，织物一旦受到冲击、压紧，“剪切增稠液体”就变成坚硬的固体，使织物更强韧，难以被穿透。
两种机理： 1，从有序到无序； 2，流体作用形成“原子簇”
制备
1，分散相； 2，分散介质 3，混合
制备及表征
质量分数为70%的二氧化硅—溶剂体系剪切增稠的可逆性曲线。结论：频率增大和减小的两条扫描曲线基本重合，表明硅质量分数越高，其实粘度越大，剪切变稀和剪切增稠的临界增稠的频率越大，剪切增稠的增稠阶段的增稠效果越强。
背景入的衣服一直都只存在于神话和小说中如黄蓉的软猬甲背景由美国特拉华州立大学合成物质研究中心和美国陆军研究实验室下属的武器和原料研究理事会共同开发了一种剪切增稠液体利用它制造的防护服通常被叫做液体装甲背景剪切增稠液体渗入织物中通常状态下是以液态形式存在但是织物一旦受到冲击压紧剪切增稠液体就变成坚硬的固体使织物更强韧难以被穿透

剪切增稠液体研究现状

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（ARL）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”Eric Wetzel博士和“特拉华州立大学合成物质研究中心”（UDTC）Norman Wagner 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]（Shear Thickening Fluid，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（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。

剪切增稠液研究进展及应用

剪切增稠液研究进展及应用摘要：剪切增稠液（STF）是一种由分散相颗粒和分散介质组成的非牛顿流体。

受到剪切作用时，STF可迅速做出响应，发生剪切增稠现象。

表观黏度随着剪切速率的增加呈现非线性增长，可在短时间内增长到几十倍，并且过程可逆。

STF作为一种智能材料，由于具有剪切增稠、响应迅速、过程可逆、稳定性高等特点，受到了广泛关注，并且已经获得了大量的研究成果及应用。

本文概述了剪切增稠液的研究进展，并对剪切增稠液在耗能减振领域中的应用进行总结与展望。

关键词：剪切增稠;智能材料;耗能减振1STF材料概述剪切增稠液是一种具有剪切增稠特性的非牛顿流体，由分散相颗粒和分散介质组成。

分散相颗粒一般为微米或者纳米级别的颗粒，分散介质为有机溶剂。

在常态下，剪切增稠液表现为流体状态；在受到剪切作用或冲击荷载时，它的黏度会迅速提高，表现为类固体状态，从而承受外部荷载，吸收伴随而来的能量；当荷载消失时，它重新恢复流体状态。

在此过程中，其黏度的提高可以达到几十倍，甚至上百倍，并且剪切增稠效应具有过程可逆、响应速度快的特点。

目前，主要用两种理论来解释剪切增稠现象。

一种是Hoffman[1]所证实的ODT 机制，该理论将剪切增稠现象归因于STF内部结构的转变。

剪切速率逐渐增大，STF内部颗粒结构由有序层状结构变为无序结构，从而导致颗粒摩擦增加，黏度上升。

另一种是Brady[2]提出的粒子簇理论。

剪切作用发生时，体系中粒子相互靠近，产生了相互作用力。

在较大的剪切速率下，颗粒进一步相互靠近，STF内部的局部颗粒浓度上升，形成粒子簇，从而导致黏度增加。

通常，主要使用粒子簇理论来解释STF剪切增稠现象。

2 STF材料性能改进STF流变性能的主要影响因素是分散相颗粒、分散介质、添加剂、催化剂、外加场、温度、PH值等。

现可以改变以上因素，来增强剪切增稠液的流变性能和耗能能力。

周浩[3]利用石墨烯提高了剪切增稠液的增稠能力和抗压承载能力，其峰值黏度与基础体系相比提高了74%。