滌綸短絨在剪切增稠膠中的增韌性

譚宇豪 李毓陵 馬顏雪

1. 東華大學 紡織學院(中國)2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室(中國)

剪切增稠膠(shear thickening gel， STG)是一類新型功能材料，受到外力沖擊時會迅速變硬，同時其性質穩定且易于封裝，作為一種防護材料應用于民用領域[1-2]。STG與織物復合制備柔性防護材料已被廣泛研究[3]，但產品的優異表現大多依賴于織物織造選用的高性能纖維，STG由于其剪切增稠性能仍不夠顯著，在復合材料中的重要性還不夠明顯[4-5]，因此亟待采取一些措施去改善其性能。目前橡膠、混凝土等產業已采取摻雜短纖維的方式來起到增韌的作用，從而提高產品的力學性能[6-7]，但在STG中還未有嘗試。

滌綸短絨是在電場力作用下被垂直植附到帶有黏合劑織物上的短纖維，其長度整齊、細度均勻，具有一定強度，同時原料易得、成本低廉[8]，是一類常見的纖維資源，但其在靜電植絨領域外的利用率仍不高。

本文選用具有一定強伸性能的滌綸短絨，將其摻雜在以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為分散相和模具硅膠為連續相的經機械混煉制得的STG中，通過測試STG的動態力學性能，研究滌綸短絨在STG中的增韌性。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

滌綸：靜電植絨用，直徑為20 μm，嘉善奇達紡織品有限公司。

分散相：PMMA，標稱粒徑為5 nm，球形粉，東莞市樟木頭金運來塑膠原料經營部。

連續相：模具硅膠，825型半透明硅膠，深圳市昌達順貿易有限公司。

1.2 滌綸強伸性能測試

根據GB/T 14337—2008《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》，采用電子單纖維強力儀(LLY-068型，萊州市電子儀器有限公司)對滌綸進行強伸性能測試。

測試條件：夾持隔距為20 mm，測試速度為20 mm/min，預加張力為0.2 cN，測試次數為50根，結果取平均值。

1.3 樣品制備

利用化纖切斷機(HY 900C型，青州市航宇機械有限公司)將滌綸切斷成長度為0.6、0.8和1.0 mm的3類短絨。向燒杯中加入相同質量的PMMA顆粒與模具硅膠，采用機械混煉方式[3]進行處理，并將滌綸短絨少量逐次加入，滌綸質量占總質量的5%。

1.4 動態力學性能測試

采用動態機械分析儀(DMA，TA Q800型，美國TA儀器公司)和新型DMA測試模具[9]，測試STG的動態模量與頻率之間的關系，并由式(1)計算損耗因子。測試頻率范圍為0～150 Hz，溫度為25 ℃。

tanδ=G″/G′

(1)

式中：tanδ為損耗因子；G′為儲能模量，kPa；G″為損耗模量，kPa。

2 結果與討論

2.1 滌綸強伸性能

滌綸的強伸性能測試結果如表1所示。由表1可知，所選用的滌綸具有一定的強力，同時斷裂伸長率適中。

表1 滌綸的強伸性能

2.2 動態力學性能分析

不同長度滌綸短絨對STG動態力學性能的影響如圖1所示。由圖1a)和1b)可以看出，3種長度滌綸短絨摻雜的STG的儲能模量與損耗模量都隨著剪切頻率的增加而增大。當頻率為0.1～10 Hz時，摻雜1.0 mm 滌綸短絨的STG儲能模量高于其他兩組，說明其具有更高的彈性。當頻率高于10 Hz后，3組試樣的儲能模量均快速上升，但摻雜0.6 mm 滌綸短絨的STG上升更快。圖2c)反映了摻雜不同長度滌綸短絨的STG損耗因子隨剪切頻率的變化。

a) 儲能模量

b) 損耗模量

c) 損耗因子

當頻率為0.1～10 Hz時，摻雜1.0 mm滌綸短絨的STG損耗因子明顯低于另外兩組，而當頻率高于10 Hz后，摻雜0.6 mm 滌綸短絨的STG損耗因子下降，并且小于短絨長度較大的兩組。由此說明，低頻率下滌綸短絨長度大的STG彈性更大，較高頻率時滌綸短絨長度小的STG彈性更大。

Brady等[10]提出的“粒子簇”機理認為：剪切增稠膠在剪切應力作用下，其微觀自組裝粒子簇生成，使體系黏度增大。STG體系內摻雜滌綸短絨后，隨剪切頻率逐漸增大，PMMA粒子會在模具硅膠中運動并出現團聚，形成粒子簇。由于模具硅膠具有一定黏附性，滌綸短絨受到模具硅膠黏附力的作用，依靠自身力學性能可增強體系的韌性。同時，當PMMA粒子團聚形成粒子簇時，滌綸短絨也會將各粒子簇鏈接或者與各粒子簇關聯起來(圖2)，從而阻礙粒子簇運動，進一步增強剪切增稠效果。

圖2 摻雜滌綸短絨后的粒子簇模型

根據以上機理進一步分析可知：低頻率時STG內部PMMA粒子流動性小，形成粒子簇現象不明顯，此時滌綸短絨的存在可以起到良好的增韌作用，且短絨長度越大，作用越顯著；當頻率較高時，PMMA粒子流動加速，粒子簇形成概率快速增加，滌綸短絨發揮增韌作用時，其長度越大對PMMA粒子運動的阻礙作用越強，在一定程度上影響體系動態力學性能的增強效果。

3 結論

在剪切增稠膠中摻雜一定強伸性能的滌綸短絨可增強其動態力學性能，發揮增韌作用。在低頻率下長度大的滌綸短絨增韌性更好，較高頻率下則相反。剪切增稠膠產品在防護裝備上應用時，長度為0.6 mm的滌綸短絨更符合低頻柔軟、高頻堅硬的人體防護需求。