分散相和分散介質對剪切增稠膠動態力學性能影響研究

黃俊馳，于國軍，劉雅林，周杰

(江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013)

剪切增稠材料一般由分散相和分散介質組成，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性能的高度非線性，其在抗沖減振、人體防護等方面具有應用前景[5-11]。近年來，國內外的研究多集中在STF上，STG的研究相對較少。

STF由于其液體的特質，在實際應用中存在易泄露、易流失、懸浮液體系不穩定等問題。針對這些問題，人們研制出了具有穩定性好、易于封裝等優點的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)的質量分數、分散介質(硅油)粘度對剪切增稠膠剪切增稠行為及動態力學性能的影響。

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型旋轉流變儀。

1.2 STG的制備

分別稱取一定質量的納米二氧化硅、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的動態力學測試

用旋轉流變儀對剪切增稠膠的動態力學進行測試，利用旋轉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律。

動態力學測試溫度為25 ℃、應變為10%，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′)和阻尼因子進行測試，得出剪切儲能模量(G′)和阻尼因子與角頻率的關系(表1)。

表1 制備STG的不同工況

2 結果與討論

2.1 STG動態力學性能研究

剪切儲能模量反映了單個旋轉周期內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。

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系。

圖1 STG-1～STG-3剪切儲能模量與激勵角頻率關系曲線

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(RSTe)和絕對剪切硬化效應(ASTe)作為衡量剪切增稠膠性能的指標，具體如下式所示。

表2是圖1中各關系曲線根據式(1)計算得出的結果。

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遠遠大于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。絕對剪切硬化效應的大小與二甲基硅油粘度呈正比關系。STG-2的初始剪切儲能模量最低，從而其相對剪切增稠效應最大。STG-2的最大剪切儲能模量至初始儲能模量變化達三個數量級。

2.1.2 阻尼因子 粘性阻尼材料是靠其內耗來實現振動能的消耗。一定范圍內，阻尼性能越高，內耗越大。阻尼因子是表征材料內耗大小的參數，阻尼因子越大。內耗越大。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系。

圖2 STG-1～STG-3阻尼因子與激勵角頻率的關系曲線

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。對三組關系曲線分析可得，STG-2的阻尼性能較優。

根據STG的剪切硬化效應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 分散相質量分數對STG動態力學性能影響

2.2.1 STG的剪切儲能模量隨角頻率變化 為研究分散相質量分數對STG動態力學性能影響，分別用不同質量分數的納米二氧化硅制備了STG-4、STG-5、STG-6、STG-7。

圖3為用不同質量分數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系。

圖3 STG-4～STG-7剪切儲能模量與激勵角頻率關系曲線

由圖3可知，納米二氧化硅質量分數最高的樣本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量分數越大，剪切儲能模量越大。

表3是圖3中各關系曲線根據式(1)計算得出的結果。

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，分散相納米二氧化硅的質量分數越高，STG的初始儲能模量越小，其相對剪切硬化效應越大；分散相納米二氧化硅的質量分數越小，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。隨著分散相納米二氧化硅的質量分數越高，分散介質二甲基硅油的質量分數相應越低，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3個數量級。樣品STG-4的納米二氧化硅的質量分數最高，但其初始儲能模量最大，相對剪切硬化效應最小，其剪切硬化效應較差。

2.2.2 STG的阻尼因子隨角頻率變化 圖4為用不同質量分數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系。

圖4 STG-4～STG-7阻尼因子與激勵角頻率關系曲線

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的納米二氧化硅質量分數較高，但其剪切增稠效應差、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生團聚現象，從而與聚合物的相容性較差。納米粒子發生團聚，則無法均勻地分散到二甲基硅油中。STG-4的納米二氧化硅質量分數較高，納米粒子在二甲基硅油中發生團聚的概率增加，導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量分數越大，其阻尼因子越大，樣品的阻尼性能越優?？梢奡TG-5阻尼性能較優。在一定范圍內，STG的剪切增稠效應和阻尼性能隨分散相納米二氧化硅的質量分數增大而增大。

隨著二甲基硅油的質量分數提高，納米粒子團聚現象減少，STG的剪切效應和阻尼性能呈規律性變化。在一定范圍內，納米二氧化硅質量分數的提高，STG的剪切增稠效應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，層狀結構中顆粒與顆粒的碰撞增多，層狀結構更加不穩定，STG的剪切增稠效應和阻尼性能會隨之較優。

3 結論

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二甲基硅油(350，500，1 000 cst)。另外4種基于不同質量分數的分散相納米二氧化硅(質量分數分別為 9.09%，8.33%，8.00%，7.77%)。通過旋轉流變儀測試7個樣品的動態力學性能，分析分散介質和分散相對STG動態力學性能的影響。

(1)角頻率的激勵下，STG呈現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剪切增稠效應較小。

(2)在動態力學測試中，基于不同粘度的分散介質二甲基硅油制備成的STG表現出了不同程度較好的剪切增稠效應和阻尼性能，其中二甲基硅油粘度為500 cst的樣品效果較優。

(3)從4種基于不同質量分數的分散相納米二氧化硅制備的STG動態力學測試結果得，分散相質量分數在一定的范圍內(納米二氧化硅質量分數不高于8.33%)提高有利于提高STG的剪切增稠效應和阻尼性能。反之，則對STG的剪切增稠效應和阻尼性能有負面影響。

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

(5)將STG與高性能纖維復合，運用于工程抗震領域具有很好的前景，需進一步研究。