二氧化硅粒子在剪切增稠液体中的研究和应用进展
基于高分子聚合物的剪切增稠液的制备及影响因素研究
硕士学位论 文
基于高分子聚合物的剪切增
稠液的制备及影响因素研究
作者姓名： 学科专业： 导师姓名： 完成时间：
祝维 分析化学
江万权 二。一二年五月一日
ＵｎｉＶｅｒｓ时ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ａ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍａｓｔｅｒ，ｓ ｄｅｇｒｅｅ
ｐｒｏｎｏｕｌｌｃｅｄ ｓｈｅａｒ ｔｈｉｃｋｅｌｌｉｎｇ ｅ腑ｃｔ．Ｗ｜ｅ ｉ１１ｖｅＳｔｉｇａｔｅｄ ｍｅ训１ｕｅｎＣｅ ｆａＣｔｏｒ ｏｆ ｓｈｅａｒ
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关键词：剪切增稠液 聚苯乙烯．丙烯酸乙酯 表面活性剂ｐＨ值流变学
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本论文的目的是获得可实用的高分子聚合物剪切增稠体系，明晰影响剪切增 稠液性能的主要因素。本文的主要工作为单分散球形纳米聚合物粒子的制备及表 征、高剪切增稠效应且性质稳定可控的剪切增稠液的制备以及其影响因素的研 究。具体内容如下： １．对剪切增稠液的研究进展进行了较全面的综述。介绍了剪切增稠现象和剪切
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３． Ｆｏｕｒ ｌ【ｉ１１ｄｓ ｏｆ ｓｕｒｆ．ａｃｔａｎｔｓ，ｃｏｎｔ撕ＩｌｉＩ玛ｃａｔｉｏＩｌｉｃ，砌０１１ｉｃ，ｎｏｍｏｌｌｉｃ ａｎｄ ｚ州ｔｔｅｒｉｏｌｌｉｃ
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%。
剪切黏稠液体的制备及其性能
剪切黏稠液体的制备及其性能孙西超;李艳清;詹小芳;刘双双;祝成炎【摘要】剪切黏稠液体(STF)是一种非牛顿流体,采用SiO2作为分散相微粒,极性溶剂聚乙二醇作为分散介质.用流变仪测量了STF分散体系中SiO2固含量为10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％和45％的稳态流变性能以及进行了剪切黏稠性能的可逆性分析.结果表明:随着剪切速率的增加,STF分散体系先出现剪切变稀现象,当剪切速率超过某个临界值时,分散体系出现急剧增稠现象;在剪切速率由小到大和由大到小变化时,2条扫描曲线基本重合,表明STF分散体系的剪切增稠效应具有可逆性.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2014(035)008【总页数】5页(P5-9)【关键词】剪切增稠;工艺;流变性能;二氧化硅【作者】孙西超;李艳清;詹小芳;刘双双;祝成炎【作者单位】浙江理工大学材料与纺织学院,浙江杭州 310018;浙江理工大学材料与纺织学院,浙江杭州 310018;浙江理工大学现代纺织加工技术国家工程技术研究中心,浙江杭州310018;浙江理工大学材料与纺织学院,浙江杭州 310018;浙江理工大学材料与纺织学院,浙江杭州 310018;浙江理工大学材料与纺织学院,浙江杭州310018;浙江理工大学现代纺织加工技术国家工程技术研究中心,浙江杭州310018;浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点试验室,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TB332剪切黏稠液体(STF)在高速的子弹冲击下，其黏度发生巨大的变化，由液相变为固相;当冲击消失后，又快速恢复为液相[1]。
国外对剪切粘稠液体的研究和报道很多，英国BAE系统公司近日研制出一种新型液体弹衣，这个具有革命性的发明采用一种名为“剪切增稠液”的液体。
从20世纪90年代开始，美国合成物质研究中心和武器原料研究理事会合作致力于STF的研究，主要应用于个体防护装甲[2]。
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。
二氧化硅分散体系在应力剪切过程中粘弹性及能耗研究
物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao)September Acta Phys.鄄Chim.Sin.,2006,22(9)：1075~1078二氧化硅分散体系在应力剪切过程中粘弹性及能耗研究伍秋美阮建明*黄伯云周忠诚邹俭鹏(中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙410083)摘要通过动态应力剪切研究了以乙二醇、丙二醇和丁二醇为分散介质的雾化二氧化硅分散体系的粘弹性以及能耗.研究发现,随着应力的增大,体系都经历了线性粘弹区、剪切变稀区以及剪切增稠区.在线性粘弹区,储能模量(G′)、耗能模量(G″)随着应力(σ)的增大保持不变；在剪切变稀区,G′随着σ的增大而减小,且乙二醇、丙二醇、丁二醇分散体系的减小幅度依次递减,而G″基本保持不变；在剪切增稠区,G′、G″都随着σ的增大而增大.在所研究的应力范围内,G″都大于G′,体系主要体现粘性,消耗能量为主.同时还发现在低剪切应力区,体系所消耗的能量(E d)都随着最大应变(γ0)成二次方关系增长,而在剪切增稠区,当n=2.79、4.93、4.88时,EG/SiO2、PG/SiO2、BG/SiO2的E d分别随γ0以指数关系增长.关键词：雾化二氧化硅,分散体系,粘弹性,耗能中图分类号：O648Viscoelastic Behavior and the Ability of Dissipating Energy of SiO2Dispersions under Stress ShearWU,Qiu⁃Mei RUAN,Jian⁃Ming*HUANG,Bai⁃Yun ZHOU,Zhong⁃Cheng ZOU,Jian⁃Peng (State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha410083,P.R.China) Abstract The viscoelastic behavior and the ability of dissipating energy of fumed silica dispersions in ethylene glycol,propylene glycol and butylene glycol have been studied under oscillation stress shear.The systems show linear viscoelastic,shear thinning,and shear thickening behaviors as the shear stress(σ)increasing.In linear viscoelastic region, the storage modulus(G′)and loss modulus(G″)remain unchanged；in shear thinning region,G′decreases and the sequence of the decreasing degree of G′is EG/SiO2>PG/SiO2>BG/SiO2;however G″remains unchanged withσincreasing；in shear thickening region,both G′and G″increase asσincreases.The magnitude of G″is larger than the magnitude of G′over the studied range of stress,indicating that the dispersions mainly possess viscous property,and the energy dissipated is larger than the energy stored.The dissipated energies(E d)of EG/SiO2,PG/SiO2,and BG/SiO2 dispersions increase with the maximum strain(γ0)in a second power relation under low shear stress；however,in the shear thickening region,the E d of EG/SiO2,PG/SiO2,and BG/SiO2dispersions show an exponential increase withγ0by the exponents of n=2.79,4.93,and4.88,respectivily.Keywords：Fumed silica,Dispersion,Viscoelasticity,Dissipated energy雾化二氧化硅是一种多功能的原料,运用于多种行业.在低分子量的介质中,该SiO2是有效的增稠剂和促变剂,已在一些新型行业中得到了应用,例如雾化SiO2,在无机矿物油或硅油中形成的凝胶可用作光纤光缆中的填充剂[1]；锂离子二次电池中也以其悬浮液作为聚合物电解质[2].随着应用范围的扩大,对这类分散体系粘弹性的研究就显得越来越重要.目前有关这类SiO2分散体系粘弹性能的报道较少,主要关注于分散介质的极性与非极性所带来的[Article] Received：March7,2006；Revised：April4,2006.*Correspondent,E⁃mail：jianming@；Tel：0731⁃8876644.鬁Editorial office of Acta Physico⁃Chimica Sinica1075Acta Phys.鄄Chim.Sin.(Wuli Huaxue Xuebao),2006Vol.22差别,如Khan和Yziquel等[3⁃5]在研究雾化SiO2分散在矿物油、石蜡油、聚丙二醇中的粘弹性时,发现其在非极性介质中具有凝胶的性质,而在极性的聚丙二醇中,随着固相含量的增加,有一个从溶胶到凝胶的变化过程.对于分散体系耗能方面的研究,Yziquel[5]考察的只是在低应变条件下,石蜡油分散体系中SiO2间的差别对能耗的影响.而有关极性介质间的差别对体系粘弹性能及能耗的影响未见相关报道.本文考查的主要就是不同的极性分散介质对雾化SiO2分散体系粘弹性能和能耗的影响.1实验部分1.1试剂雾化SiO2(A200)由德国德固萨公司提供.该SiO2的原生粒径为12nm,其BET比表面积为200m2·g-1,表面具有大量的硅烷醇基(Si—OH)而具亲水性.由上海化学试剂公司提供的乙二醇(ethylene glycol,EG)、1,2⁃丙二醇(propylene glycol,PG)以及1,4⁃丁二醇(butylene glycol,BG)为分散介质(分析纯).经流变性测试,这三种分散介质都是低粘度的牛顿流体,在25℃其粘度分别为0.0168、0.0441、0.0719Pa·s.1.2分散体系的制备在一定的分散介质中边搅拌边加入SiO2,搅拌30min后再把样品置于真空度为267Pa的25℃干燥箱中24h,除去其中的气泡.由于介质中的—OH 与SiO2表面的Si—OH相互作用形成氢键,阻止了粒子的进一步团聚和沉降,得到稳定的分散体系.对不同的分散体系,SiO2的质量分数都为12%.1.3流变性能的测试利用AR2000型应力控制流变仪(美国TA公司)测定体系的粘弹性能.实验使用锥板夹具,锥弧度为2°,板直径为40mm.进行如下测试：温度恒定为25℃,频率为20rad·s-1,在0.01~1000Pa区间进行动态应力剪切实验.2结果与讨论2.1粘弹性图1分别为EG/SiO2、PG/SiO2、BG/SiO2分散体系的储能模量(G′)与耗能模量(G″)随剪切应力(σ)的变化曲线,实点为G″,虚点为G′.从图中可见体系共经历了三个区：线性粘弹区、剪切变稀区和剪切增稠区,且在整个应力区间内,对于同一体系G″都大于G′.粘弹性理论认为[6],弹性是体系的固体行为,粘性为体系的液体行为,可用储能模量(G′)和耗能模量(G″)之值表示体系的弹性和粘性的强度.在所研究的应力范围内,G″>G′则表明体系主要表现为粘性,以消耗能量为主.在线性粘弹区内,由于外加作用力较小,布朗运动和分子间作用力能使被破坏的空间结构很快地恢复,因此G′、G″基本为一定值；随着σ的进一步增大,布朗运动和分子间作用力已无法使受到破坏的空间结构很快得到恢复,而这种微观结构的变化主要体现在G′有着明显的减小,布朗运动最为强烈的EG体系减小最多,PG其次,BG最小,这与Bender等[7]的研究结果正好一致,而G″基本保持不变；在G′达到最小值时,流体作用力平衡了布朗作用力和分子间作用力,之后随着σ的增大而增大成为主要的作用力,促使不稳定的“粒子簇”的生成[8⁃10],这种“粒子簇”被薄薄的介质分开,对液相的流动起到很大的阻碍作用,G′、G″都随着σ的增大同步增大.模量开始增大所对应的应力称为临界剪切应力(σc).分散介质粘度越小则布朗运动就越剧烈,这样需要更大的流体作用力才能与之平衡,因此EG/SiO2、PG/SiO2、BG/SiO2三个分散体系的σc随着分散介质粘度的增大而减小.2.2Lissajous曲线为进一步研究体系的粘弹性,剪切过程中所消耗的能量可通过积分动态剪切过程中的应力⁃应变曲线(Lissajous曲线)来获得[11⁃12].图2为EG/SiO2体系在线性粘弹区、剪切变稀区以及剪切增稠区,应力分别为0.1、8.0、500Pa时的Lissajous曲线.在动图1储能模量(G′)、耗能模量(G″)与动态剪切应力(σ)的关系Fig.1Storage modulus(G′)and loss modulus(G″)as functions of oscillation stress(σ)for SiO2dispersions1076No.9阮建明等：二氧化硅分散体系在应力剪切过程中粘弹性及能耗研究态应力剪切实验中,对于任何的应力点σ,都是以该应力为最大应力(σ0)对体系施加正弦波应力：σ=σ0sin(ωt ),这样Lissajous 曲线所包围的面积就是在该应力点剪切一周期时所消耗的能量.对比图2A 、B 、C 三图可以看出,随着剪切应力的增大,曲线所围成的面积也越大,即消耗的能量也越大.从图2可以看出,虽然随着σ的增大,体系所消耗的能量也越大,但Lissajous 曲线形状却有很大的差别.按照Lee 等[12]的做法,对在不同σ条件下的Lissajous 曲线进行归一化处理,即由γ/γ0、σ/σ0分别代替原坐标的γ、σ,其中γ0为在对应应力(σ0)作用下所产生的最大应变,这样处理后的曲线不仅可以把具有数量级差别的应力下所作的曲线作在同一图中进行对比,而且还不会改变曲线的形状.图3为分散介质EG 以及EG/SiO 2体系在剪切应力分别为0.1、1、5、25、100、500和1000Pa 时的归一化Lissajous 曲线,从图中可以看出牛顿流体EG 的归一化Lissajous 曲线接近于一条重合的直线,而对于分散体系,虽然剪切应力不同,但Lissajous 曲线都呈椭圆状,只不过当剪切应力偏离临界剪切应力(σc )越大时,椭圆偏离EG 的直线越远,在剪切应力最接近临界剪切应力(25Pa)时,椭圆最接近直线.与图1进行比较可以看出,当σ=σc 时,G ′处于最小值,体系此时的G ″在复数模量(G *)中的比例比任何别的条件下都高,最接近于流体,因此与牛顿流体EG 的曲线也就最接近.对于PG/SiO 2、BG/SiO 2体系也都具有相同的变化趋势.2.3能量损耗通过数学处理,体系所消耗的能量(E d )与产生的最大应变(γ0)具有如下的关系[8,11]：E d =cycle∫σd γ=πG ″(γ0)2(1)通过式(1)可以看出,如果耗能模量G ″为常数,E d 与最大应变γ0具有二次方关系,而若耗能模量G ″为一变量,E d 就受到γ0与G ″的共同影响.对公式(1)两边取对数得到：lg E d =lg π+lg G ″+2lg γ0当G ″为常数时,lg E d =2lg γ0+A ,lg E d 与lg γ0成线性关系,斜率为2；当G ″也随着γ0的变化而变化时lg E d =lg γx0+2lg γ0+B =(x +2)lg γ0+Blg E d 与lg γ0也成线性关系,斜率为(2+x ),所以设n 为lg E d 对lg γ0作图得到的斜率,即双对数图中曲线的斜率.图4为EG/SiO 2、PG/SiO 2、BG/SiO 2分散体系在不同的应力条件下E d 与γ0间的双对数关系.对比图4和图1可以看出,在低剪切应力作用下(剪切增稠之前),G ″基本不随剪切应力的变化而变化,E d 与γ0基本为二次方关系,这与公式(1)的预测一致.而图3EG 和EG/SiO 2体系在不同应力作用下的归一化Lissajous 曲线Fig.3Scaled Lissajous plot for EG and EG/SiO 2dispersion under different stress amplitudesσ(EG/SiO 2)/Pa:■0.1,●1,▲5,▼25,◆100,◀500,▶1000图2EG/SiO 2在不同应力条件下的Lissajous 曲线Fig.2Lissajous plots for different stress amplitudes for EG/SiO 2dispersion1077Acta Phys.⁃Chim.Sin.(Wuli Huaxue Xuebao ),2006Vol.22在高剪切应力区,即剪切增稠区,G ″随着剪切应力的增大而增大,此时对于EG/SiO 2、PG/SiO 2、BG/SiO 2体系,当n =2.79、4.93、4.88时,E d 随γ0的变化成指数关系增长,可见在增稠区G ″随γ0的增长也基本成指数关系增长.3结论雾化SiO 2在乙二醇等极性有机介质中的分散体系在频率为20rad ·s -1时的应力(σ)剪切过程中,随着σ的增大分别经历线性粘弹区、剪切变稀区以及剪切增稠区,且在所研究的σ区间内,耗能模量(G ″)都大于储能模量(G ′),体系主要体现的为粘性,消耗能量为主.其消耗的能量E d 在低应力区与最大应变γ0成二次方增长关系,而在高应力区,当n =2.79、4.93、4.88时EG/SiO 2、PG/SiO 2、BG/SiO 2的E d 分别随γ0增加呈指数关系增长.References1Bellino,I.;Bergougnoux,L.;Misguich,R.J.Journal of PowerTechnology,2001,115:682Walls,H.J.;Zhou,J.;Yerian,J.A.Journal of Power Sources,2000,89:1563Khan,S.A.;Zoeller,N.J.Journal of Rheology,1993,37:12254Khan,S.A.;Zoeller,N.J.Journal of Rheology,1995,39:13115Yziquel,F.;Carreau,P.J.;Tanguy,P.A.Rheologica Acta,1999,38:146Schramm,G.A.Practical approach to rheology and rheometry.Trans.Li,X.J.Beijing:Petroleum Industry Press,1998:113[实用流变测量学.李晓军译.北京：石油工业出版社,1998：113]7Bender,J.W.;Wagner,N.J.Journal of Colloid and Interface Science,1995,172:1718Maranzano,B.J.;Wagner,N.J.Journal of Chemical Physics,2001,114:105149Maranzano,B.J.;Wagner,N.J.Journal of Chemical Physics,2002,117：1029110Wu,Q.M.;Ruan,J.M.;Zhou,Z.C.;Huang,B.Y.Acta Phys.⁃Chim.Sin.,2006,22:48[伍秋美,阮建明,周忠诚,黄伯云.物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao),2006,22:4811Citerne,G.P.;Carreau,P.J.;Moan,M.Rheologica Acta,2001,40:8612Lee,Y.S.;Wagner,N.J.Rheologica Acta,2003,42:199图4SiO 2分散体系消耗的能量(E d )与测得最大应变力(γ0)间的关系Fig.4Dissipated energy(E d )as a function of measured maximum strain (γ0)for fumed silica dispersionsobtained from integrating the area enclosed in the Lissajousplots1078。
等离子体处理二氧化硅对剪切增稠液体含浸芳纶织物防刺性能的影响
2019,Vol.33,No.8 www.mater⁃ cwlou@.twDOI :10.11896/cldb.18070136基金项目:天津市高等学校创新团队项目(TD13⁃5043);国家自然科学基金项目(51503145;11702187;11602168);天津市自然科学基金(18JCQNJC03400);福建省自然科学基金(2018J01505;2018J01504) This work was financially supported by the University Innovation Team Project of Tianjin (TD13⁃5043),the National Natural Science Foundation of China (51503145,11702187,11602168),the Natural Science Foundation of Tianjin (18JCQNJC03400),the Provincial Natural Science Foundation of Fujian (2018J01505,2018J01504).等离子体处理二氧化硅对剪切增稠液体含浸芳纶织物防刺性能的影响刘 星1,2,霍俊丽1,李婷婷1,2,林佳弘1,2,3,4,楼静文1,2,4,5,1 天津工业大学纺织科学与工程学院,智慧纺织与节能制品创新平台,天津3003872 天津工业大学教育部与天津市共建先进复合材料重点实验室,天津3003873 中国台湾逢甲大学纤维与复合材料学系,纤维应用与制造实验室,中国台中407244 闽江学院海洋学院,福州3501085 中国亚洲大学生物信息与医学工程学系,中国台中41354为了实现柔性防刺装甲的轻量化以提升装甲的可穿戴性,本研究通过等离子体处理剪切增稠液(STF )中的二氧化硅粒子,以增强其剪切增稠性能,从而探讨等离子体处理对剪切增稠液含浸复合织物防刺性能的影响㊂利用PR⁃3型等离子发生器㊁扫描电镜(Gemini SEM500)㊁马尔文旋转流变仪㊁傅里叶变换红外光谱仪㊁体式显微镜(Nikon SMZ⁃10A )㊁万能强力机对等离子体处理二氧化硅(SiO 2)剪切增稠流体的流变性能,及STF 含浸芳纶织物的拉伸㊁刀刺和锥刺性能影响进行研究㊂结果表明,经等离子体处理后,剪切增稠流体的临界剪切速率降至23.2s -1;纯芳纶织物锥刺载荷为23.34N ,经等离子体处理后增加到41.13N ,提高76%㊂经过等离子体处理的SiO 2粒子表面被刻蚀,活性基团数量增加,粒子之间的摩擦阻力也增大,从而使STF 的临界剪切速率减小㊂基于本研究的结果,可成功制备低成本㊁高强度的抗穿刺复合织物㊂关键词 芳纶织物 剪切增稠液 等离子体处理 防刺性能中图分类号:TB332 文献标识码:AEffect of Plasma⁃treated Silica on the Stab Resistance of Shear Thickening Fluid Impregnated Aramid FabricsLIU Xing 1,2,HUO Junli 1,LI Tingting 1,2,LIN Jiahong 1,2,3,4,LOU Chingwen1,2,4,5,1 Innovation Platform of Intelligent and Energy⁃Saving Textiles,School of Textile Science and Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 3003872 Tianjin and Ministry of Education Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 3003873 Department of Fiber and Composite Materials,Feng Chia University China,Taichung 40724,China4 Department of Chemical Engineering and Materials,Ocean College,Minjiang University,Fuzhou 3501085 Department of Bioinformatics and Medical Engineering,Asia University,Taichung 41354,ChinaIn order to obtain the lightweight of flexible stab resistance armor to enhance its wearable,this study uses plasma treatment of silica particles in shear thickening fluid (STF)to enhance its shear thickening performance,so as to explore the impact of plasma treatment on the stab re⁃sistance performance of shear thickening fabric containing immersion.This research use PR⁃3type plasma generator,scanning electron micros⁃copy (Gemini SEM500),malvin rotational rheometer,Fourier transform infrared spectrometer,asana microscope (Nikon SMZ⁃10A),universal power machine on plasma processing silica (SiO 2)the rheological properties of shear thickening fluid,and STF dipped aramid fabric tensile,stab sword and cone performance effects were studied.The results showed that the critical shear rate of shear thickening fluid dropped to 23.2s -1af⁃ter plasma treatment.The cone loading of pure aramid fiber fabric was 23.34N,increased to 41.13N after plasma treatment and increased by 76%.As the plasma treated SiO 2particles are etched,the active groups on the particle surface are increased,and the friction resistance between particles increases,which reduces the critical shear rate.Based on the results of this study,low cost and high strength anti⁃puncture composite fabrics were successfully prepared.Key words aramid fabric,shear thickening fluid,plasma treatment,stab resistance property0 引言随着社会的快速发展以及对防护用品性能要求的日益提高,个体防护装甲的研制和开发得到了极大重视和发展㊂传统个体防护装甲多采用单一材料,产品在功能㊁质量等方面还远未达到轻便㊁柔软和高强高模㊁耐剪切㊁耐冲击的综合性能要求[1⁃2]㊂目前,针对轻质高强防刺材料的研究主要包括两个方面:(1)制备柔性织物的高强高模特种纤维[3⁃9];(2)纤维间的材料和结构[10]㊂目前,用于防刺材料的纤维主要有芳纶纤维㊁聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维㊁超高分子量聚乙烯纤维㊁陶瓷纤维㊁碳纤维㊁聚酯纤维㊁人工蜘蛛丝等[3⁃9],但这些原料成本较高㊂虽然芳纶纤维成本较低,具有轻质(相对密度1.44g /cm 3)㊁超高强度(约3320MPa)和高模量(约75GPa)的特点,但是对在诸如强拉伸㊁刀刺㊁锥刺等强冲击下的耐受能力还有待提高[3]㊂关于纤维间的材料和结构的研究,Baharvandi㊁Haro 和Dong⁃wook 通过探讨剪切增稠液(STF)浸渍织物后纱线摩擦系数对其防刺性能的影响,研究了STF 含浸织物的耐冲击㊁抗弹㊁防刺性能[11⁃13]㊂结果显示:STF 含浸织物的防刺性能得到提升㊂STF 是一种非牛顿流体,具有在剪切应力作用下粘度急速增大的特性㊂关于剪切增稠机理的解释主要有霍夫曼的有序到无序(Order⁃disorder theory,ODT)机制和布雷迪提出的粒子群理论[14⁃15]㊂Srivastava 和Majumdar 等认为,剪9972切增稠液体作为一种非牛顿流体,在常态下呈现浓缩胶质悬浮状;但当液体受到剧烈冲击,被搅乱呈现有序⁃无序状态时,体系粘度迅速上升,最终由液态变成固态;当冲击消失后,又恢复到液态[12]㊂为提高STF体系中分子间的相互作用,对STF体系进行复配[13],如加入多壁碳纳米管㊁陶瓷添加剂㊁碳化物或改用芯⁃壳结构的SiO2颗粒等[18⁃21],以增强STF体系的剪切增稠性能㊂为了获得具有更好防刺效果的织物,本研究对STF中的粒子进行表面改性㊂等离子体是一种以自由电子和带电离子为主要成分的集合体,具有很高的电导率,与电磁场存在极强的耦合作用,近年来已有人采用等离子体处理对SiO2进行表面修饰,以改善SiO2的性能[22⁃23]㊂采用冷等离子体可以对物质表面进行物理刻蚀或化学改性,从而改善材料的物理性能[24]㊂目前,对于织物防刺机理研究的文献不多,芳纶与STF复合织物的研究尚处于初级阶段[25]㊂本实验以芳纶织物作为载体,采用等离子体处理的SiO2制备了STF⁃芳纶织物复合材料,探究了等离子体处理对STF 中SiO2的分散㊁STF临界剪切速率的影响,以及等离子体处理前后STF⁃芳纶织物的静态抗拉伸㊁防刀刺和防锥刺性能㊂1 实验实验材料:粒径为75nm的SiO2(利洁化工);聚乙二醇200(天津三江科技);200g/m2的平纹芳纶织物,经纬密度为50根/10cm(宜兴市中碳科技有限公司)㊂采用PR⁃3型等离子发生器对SiO2进行等离子体处理,功率为100W,压强为120Pa,氧气流速为30mL/min,时间为300s[19]㊂利用扫描电镜和FTIR对等离子体处理后的SiO2表面形态和基团变化进行分析㊂STF溶液制备:首先在250mL的烧杯中加入一定量的聚乙二醇200,然后边搅拌边加入等离子体处理前后的纳米SiO2;将分散相粒子与分散介质搅拌均匀后置于真空干燥箱中干燥24h,除去其中的气泡,得到稳定的分散体系㊂其中,未经等离子体处理的SiO2制备的STF体系记为STF⁃1,经等离子体处理的SiO2制备的STF体系记为STF⁃2㊂STF流变性能研究:采用马尔文旋转流变仪对STF⁃1和STF⁃2的流变性能进行测试,选用pp40型平板,其直径为4cm,板间距为3mm㊂测试条件:流变速率为0.1~1000r/min,温度为25℃㊂防刺芳纶织物的制备及性能测试:将织物裁成尺寸为40cm×50cm的试样放在真空干燥箱里,150℃干燥2h后称重[2];将STF⁃1和STF⁃2分别与无水乙醇按照体积比1∶1进行稀释,稀释后的体系记为STF⁃1’和STF⁃2’,再分别将干燥后的芳纶织物浸渍在其中㊂为了保证含浸量的稳定性和一致性,选用规格和尺寸相同的芳纶织物分别同时浸入相同体积的STF⁃1’和STF⁃2’中,浸渍同样的时间㊂浸渍过程中用超声振荡仪持续振荡10min后取出样品,真空干燥8h后称重㊂其中,浸渍于STF⁃1’的为STF1⁃芳纶织物,浸渍于STF⁃2’的为STF2⁃芳纶织物,取未浸渍的芳纶织物作为对照㊂对上述三种织物进行防刺性能测试㊂试样规格为180mm×50mm,拉伸尺寸标准为ASTMD⁃5035⁃1995,拉伸间距为76mm,拉伸速度为200mm/min㊂抗拉伸㊁防刀刺㊁防锥刺实验根据标准GA68⁃2008使用万能强力机进行㊂图1 (a)刺刀和(b)锥形针的规格和示意图Fig.1 Specifications and drawings of(a)knife stab and(b)spike stab 2 结果与讨论2.1 等离子体处理的STF的性能分析2.1.1 SEM观察图2是等离子体处理前和处理后的SiO2表面形态,放大倍数为15000㊂从图2a可以看出,未经等离子体处理的SiO2粒子呈球形;从图2b可以看出,经等离子体处理后的SiO2粒子表面凹凸不平,表明等离子体处理可以对SiO2粒子表面进行刻蚀㊂图2 (a)等离子体处理前和(b)等离子体处理后的SiO2SEM照片Fig.2 SEM images of SiO2(a)before plasma treatment and(b)after plasma treated2.1.2 FTIR分析图3为等离子处理前和处理后的SiO2的傅里叶变换红外光谱㊂从图3可以看出,未经等离子处理的SiO2粒子曲线分别在812cm-1㊁1057cm-1㊁2986cm-1处出现明显的特征峰,对应于Si⁃O弯曲振动㊁Si⁃O⁃Si对称伸缩振动以及CH2反对称收缩㊂经等离子体处理后的SiO粒子在3380cm-1处出图3 未经等离子体处理与经过等离子体处理的SiO2傅里叶红外光谱图(电子版为彩图)Fig.3 FTIR spectra of untreated silica and plasma⁃treated silica0082材料导报(B),2019,33(8):2799⁃2803现新的特征峰,主要是由⁃OH伸缩引起;同时,其在3380cm-1处的峰较强,主要原因是等离子体处理时的气氛为氧气,在处理过程中产生了大量羟基㊂FTIR结果证明,经过等离子体处理的SiO2表面产生了大量的活性官能团,从而提高了SiO2的表面活性[26],这为增强STF的流变性能提供了基础㊂2.1.3 流变性能测试图4为STF⁃1和STF⁃2的流变性能测试结果㊂从图4中可知,STF⁃1和STF⁃2的粘度均随着剪切速率的增大先减小再增大然后减小;两者的临界剪切速率分别为33.78s-1㊁23.2s-1,临界粘度分别为0.3547Pa㊃s㊁0.3106Pa㊃s,最大粘度分别为0.5878Pa㊃s㊁0.6346Pa㊃s㊂可见STF⁃2的临界剪切速率比STF⁃1减小了31.32%,剪切增稠效果明显增加㊂在一定温度和剪切应力作用下,流体的粘度增大,即液体流动时表现出的内摩擦增大,其宏观表现为STF的剪切增稠现象[27]㊂当剪切应力或剪切速率发生变化时,非牛顿流体的粘度会随之改变㊂从流变性能测试结果可知,经过等离子体处理后的SiO2制备的STF剪切增稠性能提高㊂这是因为经等离子体处理后的SiO2表面有凹坑,增大了粒子之间的摩擦阻力;同时,等离子处理使得SiO2表面有活性官能团产生,有利于粒子的均匀分散,上述两种因素综合作用,增大了流动过程中的粘度,降低了临界剪切速率㊂图4 未经等离子体处理和经等离子体处理的SiO2流变性能Fig.4 Rheological properties of untreated and plasma⁃treated SiO22.2 等离子体处理STF⁃芳纶织物性能分析2.2.1 拉伸性能测试图5a㊁b分别为体视显微镜(Nikon SMZ⁃10A)拍摄的芳纶织物(未含浸于STF⁃2’体系)和STF2⁃芳纶织物(含浸于STF⁃2’体系)图片㊂由图5可知,未浸渍于STF⁃2’体系的芳纶织物表面结构疏松,而浸渍于STF⁃2’中的STF⁃芳纶织物则呈暗黄色,光泽度下降,但织物表面结构紧实㊂图5 (a)浸渍STF⁃2’体系前㊁(b)后的芳纶织物的体视显微镜观察图Fig5 Stereoscopy microscope observations of aramid fabrics(a)before and(b)after STF⁃2’immersion图6为芳纶织物㊁STF1⁃芳纶织物和STF2⁃芳纶织物的拉伸断裂曲线以及芳纶织物与STF2⁃芳纶织物的断裂图像㊂如图6a所示,在拉伸初始阶段,拉伸载荷从大到小依次为:STF2⁃芳纶织物>STF1⁃芳纶织物>芳纶织物㊂其中,STF1⁃芳纶织物和STF2⁃芳纶织物的最大拉伸载荷分别为97.5N和135.8N(提升了39.2%);断裂伸长率分别为34%和38%㊂由此可见,相比浸渍于未经等离子体改性的SiO2制备的STF中的织物,浸渍于经等离子体改性的SiO2制备的STF中的织物性能更优㊂图6b㊁c分别为芳纶织物和STF2⁃芳纶织物的拉伸断裂破坏图,可以看出两种织物的横向断裂长度分别为32mm和28mm,表明含浸于STF⁃2’体系的STF2⁃芳纶织物的拉伸性能比芳纶织物(未浸渍)更优㊂这是因为浸渍于STF⁃2’体系增大了芳纶织物中纤维与纤维之间㊁纱线与纱线之间的粘附和摩擦作用㊂同时,STF体系中粒子的表面形态对织物拉伸断裂强力也有影响[28],经等离子体处理的SiO2表面出现刻蚀凹陷(如图2所示),增加了粒子间的摩擦,从而使得等离子处理的STF2⁃芳纶织物的拉伸性能较好㊂图6 (a)三种芳纶织物的拉伸位移与载荷关系曲线;(b)芳纶织物和(c)STF2⁃芳纶织物的拉伸破坏图(电子版为彩图)Fig.6 (a)Relation curves of tensile displacement and load for three kindsof aramid fabrics;tensile failure planes of(b)aramid fabrics and(c)STF⁃aramid fabrics2.2.2 刀刺性能测试图7a c分别为芳纶织物㊁STF1⁃芳纶织物和STF2⁃芳纶织物的刀刺载荷⁃位移曲线和芳纶织物与STF2⁃芳纶织物的刀刺破坏图像㊂从图7a中可知,STF1⁃芳纶织物最大刀刺载荷最大,等离子体处理STF2⁃芳纶织物次之,芳纶织物最差㊂其中,STF2⁃芳纶织物的刀刺载荷最大为11.6N,芳纶织物为8.4N㊂由图7b㊁c可以看出,芳纶织物的刀刺破损面积明显大于STF2⁃芳纶织物的刀刺破损面,说明经过浸渍处理(含浸于STF⁃2’体系)的芳纶织物的防刀刺性能更优㊂这是因为当刀尖穿透织物时,STF2⁃芳纶织物中STF的剪切增稠作用使织物粘度增大,从而有效阻碍了织物中纤维和纱线的相互滑移,使得纤维和纱线能更大限度地承受刺刀的作用力,而芳纶织物则由于纤维和纱线的相互滑移,在开始受力时便被推挤到一边,从而更容易被刺穿[29⁃31]㊂另外,当受到刀刺载荷时,STF2⁃芳纶织物中的SiO2粒子会进入纱线内部,随着刀刺载荷的增加,SiO2粒子被拖拽成纵向排列,增加了纱线的抗刀刺性能[32]㊂在8~15mm位移段,STF2⁃芳纶织物的防刀刺性能优于STF1⁃芳纶织物,这是因为等离子体处理过的SiO2表面较粗糙,增大了织物受到冲击时SiO2颗粒与颗粒之间㊁1082等离子体处理二氧化硅对剪切增稠液体含浸芳纶织物防刺性能的影响/刘 星等颗粒与纤维之间的摩擦力,增强了织物的冲击吸收能力;同时SiO 2表面粗糙的结构增大了STF 的粘度,从而增强了织物的抗刀刺能力㊂但随着位移的增大,STF1⁃芳纶织物的刀刺载荷明显增大㊂综上所述,STF1⁃芳纶织物防刺性能明显提高,STF2⁃芳纶织物在低载荷下的防刀刺性能优异㊂图7 (a)三种芳纶织物的刀刺位移与载荷关系曲线;(b)芳纶织物和(c)STF2⁃芳纶织物的刀刺破坏图(电子版为彩图)Fig.7 (a)Relation curves of knife displacement and load of aramid fabric and knife failure planes of (b)aramid fabrics and (c)STF2⁃aramid fabrics2.2.3 锥刺性能测试图8a 为芳纶织物㊁STF1⁃芳纶织物㊁STF2⁃芳纶织物锥刺位移与载荷的关系,可以看出,STF2⁃芳纶织物的锥刺载荷最大(41.13N),STF1⁃芳纶织物次之(26.14N),纯芳纶织物最小(23.34N)㊂相比于芳纶织物,STF2⁃芳纶织物的锥刺载荷增加76.22%,STF1⁃芳纶织物的锥刺载荷增加12%,优于其他研究[33]中复配STF 涂敷织物后锥刺载荷增加的7.13%㊂STF1⁃芳纶织物㊁STF2⁃芳纶织物的最大锥刺载荷大于芳纶织物的原因:一方面是芳纶织物在受到顶破强力时,首先发生的是纤维之间的相对滑移,因此纤维间的摩擦力起主导作用,在平衡状态下,STF 体系分散相粒子均匀地依附在纤维表面或纤维之间,当受到外部冲击作用时,STF 剪切增稠,其黏度提高,纤维之间的分散相粒子迅速集聚,纤维之间的摩擦力也随之增大,纤维之间的联系更加紧密,从而导致纤维之间不易发生相对滑移,需要更大的作用力才能将纤维刺穿[34]㊂另一方面,图9为作用力与能量在STF1⁃芳纶复合织物中的锥形传导示意图,可以看出,当STF1⁃芳纶织物受到锥刺局部应力时,由于剪切增稠效应,局部应力向周围织物传图8 (a)三种芳纶织物的锥刺位移与载荷关系曲线;(b)芳纶织物和(c)STF⁃1的锥刺破坏图(电子版为彩图)Fig.8 (a)Relation curves of spike displacement and load of aramid fabric and spike failure planes of (b)aramid fabrics and (c)STF1⁃aramidfabrics图9 作用力与能量在STF1⁃芳纶复合织物中锥形传导示意图Fig.9 Spike conduction of force and energy in STF1⁃aramid composite fab⁃ric播[32]㊂图8b㊁c 为芳纶织物与STF1⁃芳纶织物的锥刺破坏图,可以看出,STF1⁃芳纶织物的锥刺破孔较小,说明经过浸渍处理的织物纤维间相对滑移较小,防锥刺性能较好[35⁃39]㊂从图8a 还可以看出,STF2⁃芳纶织物的防锥刺性能优于STF1⁃芳纶织物,原因是经氧等离子体处理后的SiO 2能在STF 中均匀分散,等离子体处理后的STF 能填补纤维的缝隙,还能将活性官能团引入到纤维表面[34],从而增强了STF2⁃芳纶织物的防锥刺性能㊂3 结论(1)利用SEM 可以看出,等离子体处理后的SiO 2表面出现凹坑,增加了粒子间相互运动时的摩擦力㊂FTIR 测试结果显示,等离子体处理后的SiO 2表面有大量活性官能团生成,增加了SiO 2粒子在STF 中的分散性㊂(2)流变性能测试结果显示,等离子体处理后STF 的临界剪切速率降低了31.32%,临界剪切速率的降低使剪切增稠性能增强㊂(3)拉伸性能测试结果表明,STF2⁃芳纶织物的拉伸断裂强力比STF1⁃芳纶织物增加了39.2%㊂刀刺性能测试结果显示:在拉伸的初始阶段,STF2⁃芳纶织物比STF1⁃芳纶织物的刀刺载荷大50%㊂锥刺性能测试结果表明:STF2⁃芳纶织物的最大锥刺载荷比芳纶织物增大76.22%㊂(4)防刺性能测试结果表明,等离子体处理STF⁃芳纶织物防刺性能在测试初期优于STF⁃芳纶织物和芳纶织物㊂等离子体处理芳纶织物防锥刺性能明显提高㊂这一结论可应用于增加织物强度和防破损性能及防护纺织品㊁抗冲击织物领域㊂参考文献1 Nascimento L F C,Louro L H L,Monteiro S N,et al.JOM ,69(10),2052.2 Croitoro E M,Boros I E.S anctions of the Canadian Society for Mechani⁃cal Engineering ,2007,31(2),157.3 Miao X H,Kong X Y,Jiang G M.Journal of Industrial ,2013,43(2),281.4 Flambard X,Polo J.Advanced Materials ,2014,36(1),30.5 Sun L L,Xiong D S,Xu C Y.Journal of Applied Polymer Science ,2013,129(4),1922.6 Hou L G,Liu Y C,Zeng L K.China Ceramics Industry ,2013,20(1),25(in Chinese).侯来广,刘艳春,曾令可.中国陶瓷工业,2013,20(1),25.7 Peng C Y.Preparation and performance of shear thickening liquid⁃carbonfiber composites.Master’s Thesis,Dalian University of Technology,Chi⁃2082材料导报(B ),2019,33(8):2799⁃2803na,2015(in Chinese).彭传玉.剪切增稠液⁃碳纤维复合材料的制备与性能研究.硕士学位论文,大连理工大学,2015.8 Miao X,Kong X,Jiang G.Industrial Textile,2012,43(2),281. 9 Lepore E,Bosia F,Bonaccorso F,et al.2D Materials.2018,5(4), 049501.10Laha A,Majumdar A.Materials&Design,2016,89,286.11Baharvandi H R,Saeedi H M,Kordani N,et al.The Journal of the Tex⁃tile Institute,2016,108(3),397.12Haro E E,Szpunar J A,Odeshi A posites Part A:Applied Science and Manufacturing,2016,87,54.13Dong⁃wook K,Satoshi K.Advanced Power Technology,2018,29(1), 168.14Hoffman R.Theory and Experimental Tests,1972,16,155.15Brady J F.The Journal of Chemical Physics,1989,91,1866.16Srivastava A,Majumdar A,Butola B.Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences,2012,37(2),115.17Gürgen S,Li W,Kuᶊhan M C.Materials&Design,2016,104,312. 18Majumdar S,Krishnaswamy R,Sood A K.Proceedings of the Nation Academy of Sciences of the United States of America,2011,108(22), 8996.19Gurgen S,Li W H,Kushan M C.Materials&Design,2016,104,312. 20Gurgen S,Kushan M C,Li W H.Korea⁃Australia Rheology Journal, 2016,28(2),121.21Sun L,Zhu J,Wei M H,Zhang C W.Materials Research Express,2018, 5(5),025702.22Dai L T,Maurin I,Foldyna M,et al.Nanotechnology,2018,29(43), 095201.23Williams K R.Gupta K,Wasilik M.Journal of Microelectromechanical Systems,2003,12(6),761.24Zhang Y C,Zhu H Y,Huang J N,et al.Acta Physica Sinica,2009,58 (S1),292(in Chinese).张迎晨,朱海燕,黄婧南,等.物理学报,2009,58(S1),292. 25Hansen T S,West K,Hassager O,et al.Advanced Functional Materials, 2007,17,3069.26Lei B H.Research on modified fibers and fabrics of silicon nanowires.Master’s Thesis,Southwest Petroleum University,China,2016(in Chi⁃nese).雷兵航.硅纳米线改性纤维和织物的研究.硕士学位论文,西南石油大学,2016.27Xie Y Y,Yang H L,Ruan J M.Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy,2010,15(1),1(in Chinese).谢元彦,杨海林,阮建明.粉末冶金材料科学与工程,2010,15 (1),1.28Yu K J,Sha X F,Cao H J,et al.Glass Steel/Composite Material,2012 (6),47(in Chinese).俞科静,沙晓菲,曹海建,等.玻璃钢/复合材料,2012(6),47. 29Kang T J,Hong K H,Yoo M R.Fibers and Polymers,2010,11(5), 719.30Kang T J,Kim C Y,Hong K H.Journal of Applied Polymer Science, 2012,124(2),1534.31Hasanzadeh M,Mottaghitalab V.Journal of Materials Engineering and Performance,2014,23(4),1182.32Decker M J,Halbach C J,Nam C H,et posites Science and Tech⁃nology,2007,67,565.33Yu K J,Sha X F,Qian K,et al.Journal of Functional Materials,2012, 43(23),3300(in Chinese).俞科静,沙晓菲,钱坤,等.功能材料,2012,43(23),3300. 34Sha X F.Preparation and properties research of shear thickening liquid. Master’s Thesis,Jiangnan University,China,2014(in Chinese).沙晓菲.剪切增稠液体的制备与性能研究.硕士学位论文,江南大学,2014.35Mahfuz H,Clements F,Rangari V.Journal of Applied Physics,2009, 105(6),064307.36Laha A,Majumdar A.Materials&Design,2016,89,286.37Gurgen S,Kushan M C,Li W H.Progress in Polymer Science,2017, 75,48.38Xu Y,Chen X G,Wang posite Structures,2017,163,465. 39He Q Y,Cao S S,Wang Y P,et posites Part A⁃Applied Science and Manufacturig,2018,106,82.(责任编辑 荆秋叶)Xing Liu received her M.S.degree and Ph.D.degreein advanced material science and engineering from theKumoh National Institute of Technology in South Koreafrom March2003to March2009.She was appointed tothe faculty upon graduation,and is currently a lecturerof Tian Jin Polytechnic University.She was selected forDistinguished Young Educator of College inTianjin”in2012.She has published more than20journal pa⁃pers,applied6national invention patents and3of themwere authorized.Her research interests focus on the smart and functional newmaterials with national research priority,and the fundamental theory&appli⁃cation about the advanced processing and microstructure&property control ofthe flexible smart materials.刘星,天津工业大学讲师,入选2012年度天津市高等学校优秀教师人才项目㊂2003年3月至2009年3月,在韩国国立金乌工业大学获得高分子材料专业硕士博士学位,毕业后回国于天津工业大学任教㊂在国内外学术期刊上发表论文20余篇,申请国家发明专利6项,其中授权3项㊂研究工作主要围绕国家重点发展的功能智能新材料,开展关于柔性智能材料的先进制备技术以及结构性能控制相关的基础理论和应用研究,主持包括国家自然科学基金青年项目㊁教育部博士点基金项目以及企业合作项目等㊂Chingwen Lou,a specially appointed professor anddoctoral supervisor,received a doctoral degree in textileengineering from Feng Chia University(China)in2002.She is a specially appointed professor of Tianjinthousand people plan of Tianjin Polytechnic University,a lecture professor of Minjiang Scholar of Minjiang Uni⁃versity(China),and a Professor in Department of Fi⁃ber and Composite Materials,Feng Chia University(China).She is also a member of more than20SCIinternational journals such as Textile Research Journal,Composite A Journaland Composite B Journal.Academic research achievements over the years:439academic journal papers(including243SCI journals),718internationalacademic seminar papersand92cross⁃disciplinary and industrial research pro⁃jects.She has30technical patents and directedmore than100master’s anddoctoral graduate students.楼静文,特聘教授,博士研究生导师,2002年取得中国台湾逢甲大学纺织工程学博士学位,同时任职于天津工业大学之天津市 千人计划”特聘教授,闽江学院 闽江学者”讲座教授,中国台湾逢甲大学纤维与复合材料学系教授,Textile Research Journal㊁Composite A Journal㊁Com⁃posite B Journal等20余家SCI国际期刊审查委员㊂总计发表有439篇学术期刊论文(其中SCI期刊243篇)㊁国际学术研讨会论文718篇,执行92件跨领域及产学研究项目,拥有30项技术专利㊁已指导培育硕士及博士超过百人㊂3082等离子体处理二氧化硅对剪切增稠液体含浸芳纶织物防刺性能的影响/刘 星等。
剪切增稠液的制备及其在涤纶织物中的应用
剪切增稠液的制备及其在涤纶织物中的应用范佳慧;徐山青;曹海建;陈红霞;黄晓梅【摘要】文章以直径为12 nm的SiO2粒子作为分散相,PEG 200作为分散介质,通过机械搅拌和超声振荡的方法分别制备出20%、22%、24%、26%、28%五种质量分数的剪切增稠液(STF)体系.并对纳米SiO2粒子的外观形貌及团聚情况、STF的稳态流变性能进行了测试,并将STF与涤纶织物复合进行防刺实验.结果表明,纳米SiO2粒子的团聚现象明显,部分团聚体呈现网状结构;STF的黏度随着剪切速率的增加呈现先变稀、再增稠的现象,表现为非牛顿流体特性;STF的临界黏度随着纳米SiO2粒子浓度的增加而增加;STF有利于提高涤纶织物的防刺性能.%Nano-SiO2 particles with diameter of 12 nm were used as dispersed phase and PEG 200 was used as the dispersed medium in the paper. Shear thickening fluid(STF) system with mass fraction of 20%,22%,24%,26% and 28% was prepared by mechanical stirring and ultrasonic oscillation. The morphology and agglomeration of nano-SiO2particles,and the steady-state rheological properties of STF were tested. Anti-stab test of STF and polyester fabric composite was conducted. The results show that the agglomeration of nano-SiO2particles is obvious, and some of the aggregates show network structure. The viscosity of STF firstly thins and then thickens with the increase of shear velocity,which manifests non-Newtonian fluid properties. The critical viscosity of STF increases with the increase in the concentration of nano-SiO2particles. STF is beneficial to improve stab-resistant properties of polyester fabrics.【期刊名称】《丝绸》【年(卷),期】2018(055)005【总页数】6页(P38-43)【关键词】剪切增稠液;纳米SiO2粒子;临界黏度;涤棉织物;应用【作者】范佳慧;徐山青;曹海建;陈红霞;黄晓梅【作者单位】南通大学纺织服装学院,江苏南通226019;南通大学纺织服装学院,江苏南通226019;南通大学纺织服装学院,江苏南通226019;南通大学分析测试中心,江苏南通226019;南通大学纺织服装学院,江苏南通226019【正文语种】中文【中图分类】TS102.65;TB332剪切增稠液(STF)是近年来研究的一个热点，它的显著特征是：在常态下STF呈现出胶状悬浮液形式，但是在一定剪切速率范围内，STF的黏度会随着剪切速率的变化而变化[1]。
硅微粉对剪切增稠液流变性能的影响
硅微粉对剪切增稠液流变性能的影响俞科静;张涵;田美玲;梁付巍;王永键;张雪;黄晓华;师卓卓【摘要】以聚乙二醇为分散介质,二氧化硅作为第一分散相粒子,硅微粉作为第二分散相粒子制备增稠效果显著的新型复合剪切增稠液(STF).基于PEG-SiO2基础体系,研究不同比例第二分散相粒子对新型体系的流变性能的影响并探讨其作用机理.结果表明:随着添加硅微粉含量的增加,剪切增稠效果大幅提升,临界剪切速率变小,最大黏度上升.但当第二分散相粒子比例达到3％后,临界剪切速率和最大黏度受其影响变小,其相应数值始终保持在0.21/s和2000Pa·s左右,外观由接近透明变得偏向灰色.【期刊名称】《材料科学与工程学报》【年(卷),期】2019(037)003【总页数】5页(P431-435)【关键词】剪切增稠液;流变性能;增稠机理;硅微粉【作者】俞科静;张涵;田美玲;梁付巍;王永键;张雪;黄晓华;师卓卓【作者单位】江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122;江南大学生态纺织教育部重点实验室,江苏无锡214122【正文语种】中文【中图分类】TQ027.31 前言剪切增稠液(STF)的是一种非牛顿流体，一般由分散相粒子与分散介质组成[1-2]。
在常态下，STF表现为流动的分散胶体状态，在受到冲击或剪切作用力时，它的黏度会急剧上升，表现为固体状态，从而吸收外部的冲击力，当这种外力消失时，它又会回到流体状态[3-4]。
国内外关于剪切增稠的作用机理主要有以下三种理论：第一种是ODT机理(有序到无序)，现已较少提及；第二种是“粒子簇理论”[5]，目前受到学者广泛认同；第三种是“Jamming”理论，为Eric Brown在2013年提出[6]。