不同體系剪切增稠液體的流變行為研究

路 瑤，富 蕾，王 丹，趙華蕾，王燕萍，王依民，2

（1.東華大學材料科學與工程學院，上海 201620；2.東華大學纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620）

不同體系剪切增稠液體的流變行為研究

路 瑤1，富 蕾1，王 丹1，趙華蕾1，王燕萍1，王依民1，2

（1.東華大學材料科學與工程學院，上海 201620；2.東華大學纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620）

剪切增稠液體是指其表觀粘度隨剪切速率增加而變大的一類流體。工業生產中，剪切增稠的出現會阻礙輸送管道，破壞生產設備。針對這種情況，人們對如何降低流體粘度造成的不利影響進行了大量研究。另一方面，剪切增稠液體是“液體防彈材料”的關鍵組成部分，并且在減震、控制方面也具有可觀的應用潛力。該文采用原生粒徑為50 nm的SiO2和80～100 nm的CaCO3分別作為分散相，聚乙二醇（PEG）200為分散介質，采用超聲分散法制備得到不同固含量的剪切增稠液。并通過納米粒度儀和掃描電鏡對分散相粒子團聚情況進行分析；通過應力控制流變儀分別對SiO2／PEG200和CaCO3／PEG200懸浮分散體系的穩態流變性能進行分析。結果表明，兩種體系試樣在測試中均出現剪切增稠現象，并且分散相質量分數越高，剪切增稠效果越明顯；而高質量分數的SiO2／PEG200體系的粘度變化范圍更大，增稠現象更為明顯。

剪切增稠液體 二氧化硅 碳酸鈣 超聲分散

Freundilich和Roder于1938年首次在硬質球形分散液中發現了剪切增稠現象，體系粘度會隨著剪切應力或剪切速率的增加而顯著上升［1］。20世紀90年代中期，美國Wetzel博士和Wagner教授研究團隊運用新型微納米技術成功研制出了“剪切增稠流體”（Shear Thickening Fluid，簡稱STF），并開始探索其在個人防護材料領域的應用［2，3］。

STF是分散相粒子穩定分散于連續介質中形成的懸浮分散體系。分散相粒子可以是天然存在的礦物質，也可以是化學合成的聚合物，其中以SiO2最為常用。分散介質可以是水、有機物、礦物油、鹽溶液等單一物質，也可由多種介質復配而成［4］。縱觀國內外剪切增稠液在軟體防護領域的研究，大多數研究主要針對亞微米SiO2分散體系，而關于納米級SiO2分散體系的研究則相對較少。納米級粒子比表面積大，與分散介質間接觸面積更大，能夠形成懸浮穩定的分散體系。同時，由納米級分散相制備得到的STF不易發生沉淀，具有很好的穩定性。

隨著近幾年我國對“三農”投入的不斷加強，土地整治越來越體現出其在解決“三農”問題中的重要作用，受到各級政府的高度重視?！吨泄仓醒雵鴦赵宏P于加大統籌城鄉發展力度進一步夯實農業農村發展基礎的若干意見》(中發[2010]1號)明確提出了要有序開展農村土地整治。土地整治規劃則是保障土地利用總體規劃的目標任務全面落實的重要措施，是規范有序開展土地整治工作的重要依據。近年來,隨著我國農用地整理項目和未利用地開發項目的實施，補充耕地的重點逐漸轉向了農村居民點復墾[1]。因此，科學、合理地進行農村居民點復墾潛力估算以及分區研究是土地整治規劃的重要環節，是規劃方案擬定的基本依據。

尼姑寺的所有建筑朝東而坐，右邊是田野和村舍，左邊是蒼翠的原始森林。站在寺院的院子里放眼望去，雄奇的山川盡收眼底。寺院院子里，各種花卉爭相開放，山風吹過時，陣陣花香混合著從大殿飄來的檀香撲鼻而來。下了早課的尼姑們，身著絳紅色的袈裟，在寺院旁邊的核桃林中閉目念誦。

筆者分別采用納米級二氧化硅（nano-SiO2）和納米碳酸鈣（nano-CaCO3）作為分散相，PEG200為分散介質，制備出剪切增稠液體，并對其穩態流變性能進行了測試研究。

1 試 驗

圖1分別為SiO2和CaCO3納米粒子的粒徑分布圖。Nano-SiO2（圖1a）粒徑峰值在87 nm處，分布范圍為65～101 nm；nano-CaCO3（圖1b）粒徑峰值在92.3 nm處，分布范圍為82.2～116.4 nm。兩種納米粒子都具有較高的表面能，粒子不會孤立存在，而是通過團聚形成團聚體。

nano-SiO2粉體由德固賽公司提供，原生粒徑為50 nm；nano-CaCO3粉體由上海翱輝實業有限公司提供，粒徑80～100 nm；PEG200由國藥集團化學試劑有限公司提供，試劑為分析純。

使用控制應力流變儀（HAAKE RS150L）進行流變試驗。試驗在常溫下進行，使用錐板夾具，板直徑為35 mm，錐角1°，板間距固定為0.053 mm。在剪切速率區間為0.1～10 000 s－1進行穩態掃描。

2.3 nano-CaCO3／PEG200體系穩態流變性能研究

如圖3所示，隨著SiO2含量增大，STF的起始粘度隨之上升，體系增稠效果顯著。40%（w）SiO2的STF體系粘度上升最大，在700 s－1時，粘度達到10 Pa·s，30%（w）SiO2的粘度在1 000 s－1時為4 Pa·s。與30%（w）SiO2／PEG200和40%（w）SiO2／PEG200體系相比，nano-SiO2質量分數為20%（w）的試樣在高速剪切下同樣具有剪切增稠效應，但粘度變化小。當SiO2質量分數較低時，剪切速率作用下生成的粒子簇較小，對流體阻礙作用小，粘度增加有限。當SiO2質量分數進一步增大后，體系中二氧化硅粒子顯著增多，能夠形成更大的粒子簇，使得粒子間能夠進行自由流動的分散介質變少，宏觀上表現為體系流動性下降，粘度顯著上升。

圖2為放大1 000倍下的nano-SiO2粉體（a）和nano-CaCO3粉體（b）的掃描電鏡圖，從圖中可以看出，粒子并非單獨存在，而是形成聚集體，團聚嚴重。筆者在制備過程中采取緩慢加入、快速攪拌、延長超聲時間等方式促進粒子分散，以得到均勻的懸浮體系。

曾經有人舉辦過一場“卓別林模仿大賽”，卓別林自己也偷偷匿名參加，結果只拿了第三名，他覺得這簡直是人生中最大的笑話。

1.4 穩態流變性能測試

1.2 STF的制備

2 結果與討論

2.1 團聚情況分析

1.1 試劑

圖1 納米SiO2和納米CaCO3粒徑分布

采用納米粒度與電位分析儀（Nano ZS）分別對納米SiO2粒子和CaCO3粒子進行粒度測試。采用掃描電鏡（EVO LS25）對兩種納米粒子的分布進行分析。

其次，這兩種思維差異還體現在對動詞種類的使用以及其語態上。正是英語中“以物為主”和漢語中“以人為主”的特點決定了兩種語言在謂語動詞方面的選擇。英語中最具標志性的表達形式之一就是常用“有靈動詞”(animate verb)充當謂語，如bring,drive,find,offer等等，不勝枚舉。而另一重要突出標志則體現在語態上，英語中經常會使用大量的被動語態，如下例：

2.2 nano-SiO2／PEG200體系穩態流變性能研究

圖3為含有不同質量分數SiO2的STF體系的穩態流變圖。從圖中可以看到質量分數分別為20%（w），30%（w），40%（w）的SiO2STF體系在剪切應力作用下均出現剪切增稠現象。STF體系的粘度變化是其內部基團間相互作用和體系微觀結構變化的宏觀體現。低剪切速率下，布朗運動使受到破壞的微觀結構迅速得到恢復，體系粘度變化不大；當剪切速率提升時，布朗運動無法使被破壞的微觀結構及時恢復，空間網絡結構破壞加重，體系出現剪切變??；當剪切速率進一步增大時，流體力學作用力超過了粒子間相互的斥力作用，從而使分散相粒子形成“粒子簇”，嚴重阻礙了流體運動，使得體系粘度急劇上升，出現顯著的剪切增稠現象。

圖2 不同分散相粒子的SEM圖

1.3 納米粒子的表征測試

圖3 不同固含量的nano-SiO2／PEG 200體系穩態流變曲線

按一定質量分數分別稱取PEG200置于燒杯中，另按比例稱取適量納米粉體待用。將燒杯置于超聲波清洗儀中，一邊用玻璃棒攪拌一邊緩慢加入納米粉體。加料完畢后，繼續超聲3 h以確保得到均勻分散的懸浮液。將制得的STF置于25℃真空烘箱中干燥6 h，去除氣泡。

圖4為含有不同質量分數CaCO3的STF體系的穩態流變圖，其中CaCO3分別為：a）20%（w）；b）30%（w）；c）45%（w）。

4.文章字數控制在1500字或3000字左右，末尾附上作者姓名、單位、聯系方式、自我介紹（100字內）。

如圖4所示，不同質量分數的nano-CaCO3／PEG200體系均出現低剪切速率下剪切變稀、高剪切速率下剪切增稠的現象。并且隨著nano-CaCO3質量分數增加，增稠效果越明顯。當nano-CaCO3含量較少時，在剪切速率作用下，體系中能夠形成的“粒子簇”較少，對流體的阻礙作用相對較弱，雖出現剪切增稠，但粘度變化范圍較小。當nano-CaCO3含量進一步提升至45%（w），體系中分散相粒子數量顯著增加，剪切力作用下能夠形成更多更大的粒子簇，嚴重阻礙了流體運動，從而使得粘度大幅上升。

但在高固含量下，同nano-CaCO3／PEG200懸浮液相比，nano-SiO2／PEG200懸浮分散液的剪切增稠效果更為明顯。主要原因是 SiO2表面具有大量Si—O—H鍵，與分散介質PEG200上的氫鍵相互作用，在高剪切力作用下形成的粒子簇更加穩定，對流體阻礙作用更大，粘度變化范圍也更大。同時，納米二氧化硅為剛性球形粒子，具有更好的表面潤滑作用，由其制備而成的懸浮體系流動性好，能夠在較低的剪切速率下形成穩定的粒子簇，使得懸浮液粘度顯著提高。而nano-CaCO3粒子形狀不規則，只有當體系產生更大的流體力學作用力時，才能形成相對穩定的粒子簇，因而只有在更高的剪切速率下體系粘度才會出現大幅度升高。

實踐教學是高校工程教育的核心內容，它強調創新精神與實踐能力有機結合，注重學生的知識、能力和素質協調發展。從2014年9月李克強總理提出“大眾創業、萬眾創新”(簡稱“雙創”)的號召，到2017年10月黨的十九大報告提出“倡導創新文化”，以創新創業教育為導向的高校工科實踐教學被高度重視起來。

圖4 不同固含量的nano-CaCO3／PEG200體系穩態流變曲線

3 結 論

用nano-SiO2粒子和nano-CaCO3粒子分別配置了不同固含量的剪切增稠液體，并對其進行了穩態流變測試。SiO2／PEG200和CaCO3／PEG200體系試樣在低剪切速率下，均出現切力變稀；高剪切速率下，均出現切力增稠。但高固含量下，SiO2／PEG200體系剪切增稠效果更明顯，因此更適合用于與高性能織物復合，制備軟體防刺材料。

［1］ 趙金華.剪切增稠流體的制備及其在軟體防刺材料中的應用研究［D］.哈爾濱工業大學碩士學位論文，2009.

［2］ Y S Lee，E DWetzel，N JWagner.The ballistic impact characteristics of Kevlar woven fabrics impregnated with a colloidal shear thickening fluid［J］.Journal of Materials Science，2003，38：2825－2833.

［3］ N JWagner，J F Brady.Shear thickening in colloidal dispersions［J］.Physics Today，2009，10：27－32.

［4］ M JDecker，C JHalbach，C H Nam，et al.Stab resistance of shear thickening fluid（STF）-treated fabrics［J］.Composites Science and Technology，2007，67：565－578.

Rheological behavior of different shear thickening fluids

Lu Yao1，Fu Lei1，Wang Dan1，Zhao Hualei1，Wang Yanping1，Wang Yim in1，2

（1．College of Material Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2．State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials，Donghua University，Shanghai 201620，China）

Shear thickening fluid（STF）is a system whose apparent viscosity increases with rising shear rate. In recent ten years，studies on STFmainly discuss about its rheological properties and applications as themain component of＂liquid body armor＂.In this article，SiO2powder with the diameter of 50 nm and CaCO3with the diameter of 80～100 nm were used as the dispersed particles，respectively.Further homogeneously dispersing nano particles into polyethylene glycol 200（PEG200）with ultrasonic method，a uniform ly dispersed suspension system was achieved.Here Stress control rheometer was applied to characterize the rheological properties of suspensions under steady shear rate.The results showed that in both two systems，the thickening behavior becamemore obvious with increasing dispersed phase content.Compared with CaCO3／PEG200 system，SiO2／PEG200 sample with high SiO2content has wider viscosity range，and the phenomenon of shear thickening ismore apparent.

shear thickening fluid；SiO2；CaCO3；ultrasonic dispersion

TB383

A

1006-334X（2013）04-0006-04

2013－09－13；

2013－11－23

路瑤（1989—），女，貴州畢節人，碩士研究生，主修材料物理與化學專業。