分散相和分散介質(zhì)對剪切增稠膠動態(tài)力學(xué)性能影響研究

黃俊馳，于國軍，劉雅林，周杰

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

剪切增稠材料一般由分散相和分散介質(zhì)組成，其一般包括剪切增稠液(STF)和剪切增稠膠(STG)兩大類材料[1-4]。由于剪切增稠材料力學(xué)性能的高度非線性，其在抗沖減振、人體防護等方面具有應(yīng)用前景[5-11]。近年來，國內(nèi)外的研究多集中在STF上，STG的研究相對較少。

STF由于其液體的特質(zhì)，在實際應(yīng)用中存在易泄露、易流失、懸浮液體系不穩(wěn)定等問題。針對這些問題，人們研制出了具有穩(wěn)定性好、易于封裝等優(yōu)點的STG。蔡亮[12]研究了剪切增稠膠剪切作用下的流變性能。

本文研制出了一種STG的制備方法，分析和研究分散相(納米二氧化硅)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分散介質(zhì)(硅油)粘度對剪切增稠膠剪切增稠行為及動態(tài)力學(xué)性能的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

納米二氧化硅(≤100 nm)、硼酸、硅油、油酸均為分析純。

HTP312電子秤；SN-JJ-1型恒速攪拌器；101-3A型真空干燥箱；MCR302型旋轉(zhuǎn)流變儀。

1.2 STG的制備

分別稱取一定質(zhì)量的納米二氧化硅、硼酸放入燒杯中并用恒速攪拌器攪拌10 min，使納米二氧化硅和硼酸充分混合。再稱取一定質(zhì)量的硅油放入燒杯中并攪拌10 min，使其攪拌混合均勻得到懸浮分散體系。將燒杯放入真空干燥箱中，以220 ℃的高溫加熱5 h。冷卻至室溫，取出分散體系，用研磨棒手工研磨15 min。研磨至一個整體后加入適量的增塑劑油酸，充分混合，即得到STG。

1.3 STG的動態(tài)力學(xué)測試

用旋轉(zhuǎn)流變儀對剪切增稠膠的動態(tài)力學(xué)進(jìn)行測試，利用旋轉(zhuǎn)流變儀的振蕩剪切模式，測試不同材料制備的STG在角頻率掃描下剪切儲能模量、阻尼因子隨角頻率的變化規(guī)律。

動態(tài)力學(xué)測試溫度為25 ℃、應(yīng)變?yōu)?0%，角頻率范圍為0.1～100 rad/s，對不同工況下制備的STG樣品的剪切儲能模量(G′)和阻尼因子進(jìn)行測試，得出剪切儲能模量(G′)和阻尼因子與角頻率的關(guān)系(表1)。

表1 制備STG的不同工況

2 結(jié)果與討論

2.1 STG動態(tài)力學(xué)性能研究

剪切儲能模量反映了單個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)STG形變能量的存儲和釋放，是其彈性性能的表征；阻尼因子表示振動周期內(nèi)STG損耗能量與最大剪切儲能模量的比值，是其能量消耗和阻尼性能的評價指標(biāo)。

2.1.1 剪切儲能模量 圖1為由不同粘度硅油制備的STG在不同角頻率掃描下，STG的剪切儲能模量隨角頻率變化關(guān)系。

圖1 STG-1～STG-3剪切儲能模量與激勵角頻率關(guān)系曲線

由圖1可知，隨著角頻率的增大，STG的剪切儲能模量呈增大趨勢。在角頻率較低時，STG的剪切儲能模量隨著角頻率的增大，呈急劇增大趨勢。隨著角頻率增大到較大時，STG的剪切儲能模量增大趨勢變緩。由此可得，低角頻率對STG剪切儲能模量影響較大，高角頻率對STG剪切儲能模量影響相對較小。在不同角頻率下，STG的剪切儲能模量都隨著角頻率的變化而變化，體現(xiàn)出STG的速率敏感特性。STG-1、STG-2、STG-3初始剪切儲能模量為1 120，702，1 240 Pa，最大剪切儲能模量為363 000，387 000，424 000 Pa。

為比較各剪切增稠膠樣品的剪切變硬程度，定義相對剪切硬化效應(yīng)(RSTe)和絕對剪切硬化效應(yīng)(ASTe)作為衡量剪切增稠膠性能的指標(biāo)，具體如下式所示。

表2是圖1中各關(guān)系曲線根據(jù)式(1)計算得出的結(jié)果。

表2 STG-1～STG-3的和RSTe

由表2可知，二甲基硅油粘度為500 cst的STG-2，其相對剪切增稠效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于STG-1、STG-3。隨著二甲基硅油粘度的提高，STG的最大剪切模量也得到提高。絕對剪切硬化效應(yīng)的大小與二甲基硅油粘度呈正比關(guān)系。STG-2的初始剪切儲能模量最低，從而其相對剪切增稠效應(yīng)最大。STG-2的最大剪切儲能模量至初始儲能模量變化達(dá)三個數(shù)量級。

2.1.2 阻尼因子 粘性阻尼材料是靠其內(nèi)耗來實現(xiàn)振動能的消耗。一定范圍內(nèi)，阻尼性能越高，內(nèi)耗越大。阻尼因子是表征材料內(nèi)耗大小的參數(shù)，阻尼因子越大。內(nèi)耗越大。圖2為不同粘度硅油制備的STG在不同角頻率掃描下，STG的阻尼因子隨角頻率變化關(guān)系。

圖2 STG-1～STG-3阻尼因子與激勵角頻率的關(guān)系曲線

由圖2可知，隨著角頻率的增大，STG的阻尼因子呈減小趨勢。在低角頻率時，隨著角頻率的增大，STG的阻尼因子急劇減小。在角頻率為40 rad/s時，STG的阻尼因子變化趨于平緩。對三組關(guān)系曲線分析可得，STG-2的阻尼性能較優(yōu)。

根據(jù)STG的剪切硬化效應(yīng)和阻尼性能對比分析，可得二甲基硅油粘度為500 cst時制備的STG效果最好。

2.2 分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)對STG動態(tài)力學(xué)性能影響

2.2.1 STG的剪切儲能模量隨角頻率變化 為研究分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)對STG動態(tài)力學(xué)性能影響，分別用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米二氧化硅制備了STG-4、STG-5、STG-6、STG-7。

圖3為用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米二氧化硅制備的STG在不同角頻率掃描下，STG的剪切儲能模量隨角頻率變化關(guān)系。

圖3 STG-4～STG-7剪切儲能模量與激勵角頻率關(guān)系曲線

由圖3可知，納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的樣本STG-4在角頻率的激勵下，剪切儲能模量上升趨平緩，無急劇增大趨勢。其余三組樣品在低角頻率時，隨著角頻率的增大，剪切儲能模量急劇增大；在高角頻率階段，隨著角頻率的增大，剪切儲能模量增大趨緩。STG-5、STG-6、STG-7三組樣品的率敏特性較好。同一頻率時，STG-5、STG-6、STG-7三組樣品納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，剪切儲能模量越大。

表3是圖3中各關(guān)系曲線根據(jù)式(1)計算得出的結(jié)果。

表3 STG-4～STG-7的和RSTe

由表3中樣品STG-5、STG-6、STG-7可得，在一定范圍內(nèi)，分散相納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，STG的初始儲能模量越小，其相對剪切硬化效應(yīng)越大；分散相納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，STG的初始儲能模量越大，越有利于材料的絕對剪切硬化效應(yīng)。隨著分散相納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，分散介質(zhì)二甲基硅油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)越低，從而STG的初始剪切模量越低。樣品STG-5的剪切儲能模量變化達(dá)3個數(shù)量級。樣品STG-4的納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，但其初始儲能模量最大，相對剪切硬化效應(yīng)最小，其剪切硬化效應(yīng)較差。

2.2.2 STG的阻尼因子隨角頻率變化 圖4為用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米二氧化硅制備的STG在不同角頻率掃描下，STG的阻尼因子隨角頻率變化關(guān)系。

圖4 STG-4～STG-7阻尼因子與激勵角頻率關(guān)系曲線

由圖4可知，STG-4的阻尼因子隨角頻率的增大，先增大再減小，其在低角頻率的激勵下阻尼因子較小。結(jié)合表2和圖4可得，STG-4剪切增稠作用較差。樣品STG-4的納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，但其剪切增稠效應(yīng)差、阻尼性能差。從物理角度分析，納米二氧化硅其顆粒直徑為納米級，納米顆粒表面能大，納米粒子極易因此發(fā)生團聚現(xiàn)象，從而與聚合物的相容性較差。納米粒子發(fā)生團聚，則無法均勻地分散到二甲基硅油中。STG-4的納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，納米粒子在二甲基硅油中發(fā)生團聚的概率增加，導(dǎo)致納米二氧化硅在二甲基硅油中分散不均勻，影響了STG的剪切效應(yīng)及阻尼性能。

其余三組樣品的阻尼因子隨角頻率的增大急劇減小，角頻率在40 rad/s左右時，阻尼因子趨于平緩。分散相納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，其阻尼因子越大，樣品的阻尼性能越優(yōu)。可見STG-5阻尼性能較優(yōu)。在一定范圍內(nèi)，STG的剪切增稠效應(yīng)和阻尼性能隨分散相納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大。

隨著二甲基硅油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，納米粒子團聚現(xiàn)象減少，STG的剪切效應(yīng)和阻尼性能呈規(guī)律性變化。在一定范圍內(nèi)，納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，STG的剪切增稠效應(yīng)和阻尼性能會隨之提高。這是因為隨著納米顆粒的增多，不同顆粒之間的碰撞概率增大，層狀結(jié)構(gòu)中顆粒與顆粒的碰撞增多，層狀結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定，STG的剪切增稠效應(yīng)和阻尼性能會隨之較優(yōu)。

3 結(jié)論

本文制備了7種工況的剪切增稠膠，其中3種基于不同粘度的分散介質(zhì)二甲基硅油(350，500，1 000 cst)。另外4種基于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分散相納米二氧化硅(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 9.09%，8.33%，8.00%，7.77%)。通過旋轉(zhuǎn)流變儀測試7個樣品的動態(tài)力學(xué)性能，分析分散介質(zhì)和分散相對STG動態(tài)力學(xué)性能的影響。

(1)角頻率的激勵下，STG呈現(xiàn)出明顯的速率敏感特性。低角頻率階段，隨著角頻率的變化，STG的剪切儲能模量和阻尼因子變化急劇，STG剪切增稠效應(yīng)較大。高角頻率階段，隨著角頻率的變化，STG的剪切儲能模量和阻尼因子變化趨緩，STG剪切增稠效應(yīng)較小。

(2)在動態(tài)力學(xué)測試中，基于不同粘度的分散介質(zhì)二甲基硅油制備成的STG表現(xiàn)出了不同程度較好的剪切增稠效應(yīng)和阻尼性能，其中二甲基硅油粘度為500 cst的樣品效果較優(yōu)。

(3)從4種基于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分散相納米二氧化硅制備的STG動態(tài)力學(xué)測試結(jié)果得，分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定的范圍內(nèi)(納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于8.33%)提高有利于提高STG的剪切增稠效應(yīng)和阻尼性能。反之，則對STG的剪切增稠效應(yīng)和阻尼性能有負(fù)面影響。

(4)本文研究了分散相和分散介質(zhì)對STG性能的影響，在STG材料制備以及配合比設(shè)計這兩個方面提供了理論依據(jù)。

(5)將STG與高性能纖維復(fù)合，運用于工程抗震領(lǐng)域具有很好的前景，需進(jìn)一步研究。