剪切增稠液体增强织物防刺性能的机理研究
剪切增稠液复合三维织物抗高速冲击性能的研究
剪切增稠液复合三维织物抗高速冲击性能的研究
随着科技的不断进步，人们对于材料性能的要求也越来越高。
在一些
特定的领域，比如航空航天、汽车工业等，对于材料的抗高速冲击性能要
求尤为严格。
而复合材料作为一种新型的材料，在这方面有着独特的优势。
本文将针对剪切增稠液复合三维织物的抗高速冲击性能展开研究，希望通
过实验验证，为相关领域提供一些参考。
首先，我们需要明确剪切增稠液的定义。
剪切增稠液是一种具有剪切
增稠特性的流体，其粘度随着剪切应力的增加而增加。
这种特殊的流变性
质使其在一些特定领域具有广泛的应用前景。
而将剪切增稠液与三维织物
结合起来，可以在一定程度上提升复合材料的性能，尤其是在抗高速冲击
方面。
接下来，我们将进行一系列实验来验证剪切增稠液复合三维织物的抗
高速冲击性能。
首先，我们将制备一定比例的剪切增稠液，并将其浸泡在
三维织物中，确保其充分渗透到纤维之间。
然后，我们将通过冲击试验仪
对样品进行高速冲击测试，测量其在不同冲击速度下的抗冲击性能。
实验结果显示，与普通三维织物相比，剪切增稠液复合三维织物在抗
高速冲击性能上表现更为出色。
在较高冲击速度下，其破坏形态更加均匀，且冲击吸收能力更强。
这说明剪切增稠液的加入有效提升了复合材料的抗
冲击性能，为相关领域的应用提供了新的可能性。
综上所述，剪切增稠液复合三维织物在抗高速冲击性能方面具有较好
的潜力。
通过进一步研究和优化，相信这种新型复合材料将在航空航天、
汽车工业等领域发挥重要作用，为我国相关产业的发展做出贡献。
防弹防刺材料的研究与技术发展
防弹防刺材料的研究与技术发展黄献聪【摘要】The major emphasis of this article is on three kinds ofballistic&stab resistant material, which are shear thickening fluid (STF)-aramid fiber composite, thermoplastic–aramid fiber composite and multi-direction UHMWPE UD. Both the technical characters and researching status of these materials have been illustrated. The development trend of ballistic&stab resistant material has also been discussed.% 防弹防刺材料的研究近年来受到广泛关注。
本文以剪切增稠(STF)防弹防刺材料、热塑性树脂基芳纶复合材料片材以及多向超高分子量聚乙烯(UHMWPE)单向层(UD)材料为重点，对其研究动态进行了综述，并分析了其技术特点，探讨了防弹防刺材料的发展方向。
【期刊名称】《纺织导报》【年(卷),期】2013(000)001【总页数】5页(P87-91)【关键词】防弹;防刺;剪切增稠;对位芳纶(PPTA);超高分子量聚乙烯纤维【作者】黄献聪【作者单位】中国人民解放军总后勤部军需装备研究所【正文语种】中文【中图分类】TB3031 引言“911”事件以后，随着国际范围内反恐形势的日益恶化，国内外对同时具备防弹和防刺功能的军警用防弹防刺服需求呈上升趋势。
随着防弹防刺服新需求的提出，新型防弹防刺材料的研究也日益得到关注。
防弹防刺材料的目标性能是：在尽可能保留织物原有的防弹性能的基础上，同时具备防尖锐刀具穿刺的性能，以便获得最高的“性能/质量”比。
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。
剪切增稠流体浸渍Kevlar复合材料的防刺性能
好 ， 防刺性能 检测 。 备
１ ３ 防刺性能检 测 ．
：
图 １ 系 统 结构 示 意 图
。 。 。 ’ ’ 一 ： 一 一 ’ 一 ’ ’ 一 一 一 ： 一 一 一 一 一 一 。 。 ’ 一 一 一 一 一 ’ 一 ’ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一
： ｉ瞬态冲击力测量系统 ： ｉ
受 力情 况 。每 种试 样进 行 ３次试 验 ， 验 后立 即 试 测 量刺穿 深度 ， 取最深 者作为 最终数 据 。
ＳＯ／ Ｅ ｉ２Ｐ Ｇ分散 体系 ， 以体 系 １２和 ３标 识 。制备 、
方法是 在适量 Ｐ Ｇ 中边搅 拌边 加 入 纳米 ＳＯ 粉 Ｅ ｉ
末 。高速搅拌 １ｈ后 ， 为保 证充 分分 散 ， 用超 声波 清洗器 （ Ｑ Ｏ 上海 超声 波仪器 厂 ） Ｃ５， 继续 分散 ３ｈ 。
上 。ＮＷａｎｒ ｇｅ 等人 发 现 ， Ｓ Ｆ浸渍 的 Ｋ ｖａ 经 Ｔ ｅｌ ｒ 纤维 布 的防弹道 冲 击性 能 显 著 提 高。Ｖ ＢＣＴｎ ａ 等人 研究 了用 Ｓ （ ＷＳ 纳米 ＳＯ ｉ 分散在水 中的胶
体溶 液 ） 渍后 Ｔ ａｏ Ｔ １ 纹编织 布 弹道性 浸 ｗ ｒｎＣ ６ ５平
防刺性 能 的瞬 态受 力响应过 程 和刺 穿深度 ， 以及 Ｓ Ｆ Ｋ ｖ ｒ复合 材料 的吸 能机 理 。 实验 结 果 Ｔ — ｅｌ ａ
表明， 经浸 渍 的 Ｋ ｖａ 织物 防刺 穿力峰 值提 高到 约 ４０Ｎ， 合材 料 的第 一层 受 力响 应 时 间 缩 ｅｌ ｒ ０ 复 短到 ３５ｍ ， ． ｓ而刺 穿深 度 降低 较 小。其 中以 １０ｎ ｉ 配制 的 中间 浓度 的 分 散 体 系浸 渍 后 ， ２ ｍ ＳＯ
剪切增稠流体材料,抗外力防护的能手
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
剪切增稠流体材料，抗外力防护的能手
在剪切增稠材料是一种新型功能材料，优异的力学性能使其成为抗外力防护领域最重要的材料之一。
中国粉体网讯剪切增稠流体(Shear Thickening Fluid，STF)是由纳米粒子分散在高聚物中或长链高分子聚合而形成的一种混合流体，由于纳米粒子能自由运动，因此STF 呈液态;当受到迅猛的外来剪切应力时，体系黏度骤增，受力
区域呈类固态，极大地损耗了外来应力的能量。
当外力撤去后，体系状态逐渐恢复，表现出可逆性质。
剪切增稠材料是一种新型功能材料，优异的力学性能使其成为抗外力防护领域最重要的材料之一。
纳米粒子/聚合物悬浮体系
这类剪切增稠液是一种具有特殊性能的悬浮体系，主要由纳米至微米量级颗
粒的分散相和分散介质组成。
分散相粒子可分为天然存在的矿物质和化学合成的聚合物，如二氧化硅、碳酸钙、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 等。
目前，针对此类体系的制备及性能研究工作在整个剪切增稠材料的研究领域所占比重较大。
高分子溶液体系
疏水缔合高分子
在具有剪切增稠性质的高分子体系中，最常见和最具有代表性的是疏水缔合
型高分子。
在接触浓度C*(溶液状与胶状的分界浓度)附近或者以下，疏水基团相互作用缔合在一起，导致高分子链产生分子内或者分子间的聚集，高分子以分子内缔合为主。
在剪切流场中，随着剪切速率的增加，高分子链将被拉伸，导致高分子间形成缔合，因此溶液的黏度迅速升高，出现剪切增稠行为。
劣溶剂中的高分子。
防弹防刺材料的研究与技术发展
即采用 Ｓ Ｔ Ｆ 悬浮 液 对 芳纶 防 弹织 物 进行 浸轧 处 理 ， 挥 发 多余的溶 液 后获得 的防弹 防剌 材料 。 （ ４ ） Ｐ Ｐ Ｔ Ａ 增强树 脂基片材 防弹 防刺材 料 这 类防 弹 防刺材 料 通常是将 芳纶 防弹 织物 与具 有一定 强 韧性 的树 脂膜 进 行复合 ， 或 直 接 以树 脂对 芳 纶 防弹 织物 进行 浸胶处 理制成 片材 。 （ ５ ） 多向ＵＨ ＭＷＰ Ｅ 单 向层 （ Ｕ Ｄ ） 结 构防弹 防刺 材料 这 类防 弹 防 刺材 料 采用 多层浸 胶Ｕ ＨＭＷＰ Ｅ 纤 维 纱片 相互 以不 同方 向进行叠 合后 制成 。
材 料
服需求呈上升趋 势。 随着防弹防刺服新需求 的提出， 新型
防弹防 刺材 料 的研 究也 日 益得到关 注。
防弹防刺材料的目标性能是 ： 在尽可能保留织物原有 的防弹性 性能／ 质量” 比。 早 期 的防刺 材料 通常采用金 属 片 拼接 成 片或 金 属 丝、 金 属 环经 编织 物 串接 制 备成 的金 属 网实现对入 刺刀刃的 阻挡。 但这 类材料 的防弹能 力较低 ， 因此逐步 被高 强高模纤 维制 备 的非金 属防 弹防 刺材 料所 替 代。 目 前， 非 金属 防弹防 刺材 料主要 有以下 ５ 种形 式 。 （ １ ） 高密度防 弹织物 即采 取 高密 织物 结 构 阻挡 刃具 的割 裂 。 由于对 位芳 纶
（ Ｐ Ｐ Ｔ Ａ） 、 超高分子量聚乙烯 （ Ｕ Ｈ ＭＷＰ Ｅ ） 纤维等 目 前普 遍采用的防弹纤维进行高密织造的技术难度较大， 纤维在 织造过程 中强度损失 明显 ， 且高密结构织物的防弹性能不
上述 ５种形式中， 国外的研究多围绕 （ ３ ） 和（ ４ ） 类防弹 防刺材料进行， 国内则涉及 （ ３ ） 、（ ４ ） 、（ ５ ） 这 ３类材料。 在实
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。
剪切增稠胶流变性能及其抗冲击性能研究
第４７卷第１期２０１９年１月塑料工业ＣＨＩＮＡＰＬＡＳＴＩＣＳＩＮＤＵＳＴＲＹ剪切增稠胶流变性能及其抗冲击性能研究∗付倩倩１ꎬ俞科静１ꎬ∗∗ꎬ王㊀萍１ꎬ曾㊀瑶１ꎬ高㊀虹２ꎬ钱㊀坤１(１.江南大学生态纺织教育部重点实验室ꎬ江苏无锡２１４１２２ꎻ２.北京普凡防护科技有限公司ꎬ北京１０００００)㊀㊀摘要:介绍了剪切增稠胶(ＳＴＧ)的研制ꎬ在不同温度条件下制备ＳＴＧ来探究ＳＴＧ性能ꎮ采用流变仪测试ＳＴＧ性能ꎬ分析不同压力下的蠕变―回复曲线ꎬ表明随着施加压力的增加ＳＴＧ具有较大的蠕变量ꎬ卸载应变后ＳＴＧ应变随时间基本不变ꎻ对ＳＴＧ进行频率扫描得到材料在外界高频率条件刺激下其储能模量增大了将近４个数量级ꎬ材料表现出了典型的剪切变硬性能ꎻ对ＳＴＧ进行振幅扫描ꎬ得到材料的线性极限为３％ꎬ该应变为材料从线性到非线性转变的临界应变点ꎬ对于大多数样品来说ꎬ在应变幅值扫描范围内Ｇᶄ始终大于Ｇᵡꎬ表明ＳＴＧ在整个形变范围内呈现出固态特性ꎻ对ＳＴＧ进行落锤冲击测试ꎬ对其力学行为进行了探讨ꎬ结果表明随着冲击速度的增大ꎬＳＴＧ的能量吸收系数变大６０％ꎬ说明ＳＴＧ具有较好的能量吸收特性及良好的抗冲击性能ꎮ关键词:剪切增稠胶ꎻ蠕变流变性能ꎻ振幅扫描ꎻ频率扫描ꎻ落锤冲击ｄｏｉ:１０ ３９６９/ｊ ｉｓｓｎ １００５－５７７０ ２０１９ ０１ ０１７中图分类号:ＴＱ３９２㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００５－５７７０(２０１９)０１－００７９－０５ＳｔｕｄｙｏｆＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄＩｍｐａｃｔＲｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆＳｈｅａｒＴｈｉｃｋｅｎｉｎｇＧｅｌＦＵＱｉａｎ￣ｑｉａｎ１ꎬＹＵＫｅ￣ｊｉｎｇ１ꎬＷＡＮＧＰｉｎｇ１ꎬＺＥＮＧＹａｏ１ꎬＧＡＯＨｏｎｇ２ꎬＱＩＡＮＫｕｎ１ꎬ(１.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｃｏ￣ＴｅｘｔｉｌｅｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎꎬＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＷｕｘｉ２１４１２２ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＢｅｉｊｉｎｇＰｕｆａｎＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｓｈｅａｒｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇｇｅｌ(ＳＴＧ)ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＳＴＧｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ.ＴｈｅｒｈｅｏｍｅｔｅｒｗａｓｕｓｅｄｔｏｔｅｓｔｔｈｅＳＴＧｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬａｎｄｔｈｅｃｒｅｅｐ￣ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｃｕｒｖｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.ＩｔｗａｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｓｈｅａｒｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇｇｅｌｈａｄｌａｒｇｅｒｃｒｅｅｐａｓｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇꎬａｎｄｔｈｅＳＴＧｓｔｒａｉｎｗａｓｂａｓｉｃａｌｌｙｕｎｃｈａｎｇｅｄｗｉｔｈｔｉｍｅａｆｔｅｒｕｎｌｏａｄｉｎｇｔｈｅｓｔｒａｉｎ.ＴｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｃａｎｏｆｔｈｅＳＴＧｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｈｉｇｈ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔｉｍｕｌａｔｅｄｓｔｏｒａｇｅｍｏｄｕｌｕｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｎｅａｒｌｙｆｏｕｒｏｒｄｅｒｓｏｆｍａｇｎｉｔｕｄｅꎬａｎｄｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｅｘｈｉｂｉｔｅｄｔｙｐｉｃａｌｓｈｅａｒｈａｒｄｅｎｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ.ＡｎｄｔｈｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｓｃａｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅＳＴＧｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｌｉｎｅａｒｌｉｍｉｔｗａｓ３％.Ｔｈｅｓｔｒａｉｎｗａｓｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｔｒａｉｎｐｏｉｎｔｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｌｉｎｅａｒｔｏｎｏｎｌｉｎｅａｒ.ＦｏｒｍｏｓｔｓａｍｐｌｅｓꎬＧᶄｗａｓａｌｗａｙｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎＧᵡｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｔｒａｉｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｓｗｅｅｐｒａｎｇｅ.ＩｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＳＴＧｅｘｈｉｂｉｔｅｄｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｒａｎｇｅ.ＴｈｅｄｒｏｐｗｅｉｇｈｔｉｍｐａｃｔｔｅｓｔｗａｓａｐｐｌｉｅｄｏｎｔｈｅＳＴＧｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｓｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｉｍｐａｃｔｖｅｌｏｃｉｔｙꎬｔｈｅｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅＳＴＧｃｏｕｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｏ６０％.ＩｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔＳＴＧｈａｓｇｏｏｄｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｇｏｏｄｉｍｐａｃｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＳｈｅａｒＴｈｉｃｋｅｎｉｎｇＧｅｌꎻＣｒｅｅｐＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎻＡｍｐｌｉｔｕｄｅＳｗｅｅｐꎻＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｗｅｅｐꎻＤｒｏｐＨａｍｍｅｒＩｍｐａｃｔ剪切增稠材料是一种具有防护作用的材料ꎬ其最大特点在于当其受到外界应力的速率达到某一临界值以后ꎬ材料的黏度或者模量迅速增大ꎬ呈现出由柔性态急速转变为坚硬固态的特性[１－５]ꎬ其中主要包含剪切增稠液和剪切增稠胶体材料ꎮ剪切增稠胶(ＳＴＧ)由于稳定性好㊁便于封装㊁制备简单等特性ꎬ因此在９７ ∗国家重点研发计划项目(２０１８ＹＦＣ０８１０３００)ꎬ江苏省产学研联合创新资金－前瞻性联合研究项目(ＢＹ２０１６０１１７㊁ＢＹ２０１６０２２－０７)ꎬ 十三五 国家重点研发计划项目(２０１６ＹＦＣ￣０３０４３０１)ꎬ中央高校基本科研业务费专项资金资助(ＪＵＳＲＰ５１７１８Ａ)ꎬ江苏高校优势学科建设工程资助项目(ＰＡＰＤ)㊀㊀∗∗通信作者ｙｕｋｅｊｉｎｇ＠ｊｉａｎｇｎａｎ ｅｄｕ ｃｎ作者简介:付倩倩ꎬ女ꎬ１９９４年生ꎬ硕士研究生ꎬ主要研究方向为纺织复合材料ꎮ１５８５３８２６３４＠ｑｑ ｃｏｍ塑㊀料㊀工㊀业２０１９年㊀㊀防护领域有着较多的应用ꎮ这种材料在不受力的情况下ꎬ柔软而富有弹性ꎬ一旦受到剧烈的冲击ꎬ分子会迅速相互锁定ꎬ迅速收紧变硬形成一层防护层ꎬ当外界作用力消失ꎬ胶体又恢复到原来的柔软状态ꎬ与其他材料相结合应用时ꎬ可有效地防止纳米粒子从材料表面脱落[６]ꎮＳＴＧ是一种硼硅氧烷的聚合物ꎬ由聚二甲基硅氧烷和硼酸等制得ꎬ蔡亮等[７]研究了ＳＴＧ在剪切条件下的力学性能ꎬ基于ＳＴＧ设计出刚度自我协调的ＳＴＧ非线性弹簧ꎮＧｏｅｒｔｚ等[８]采用显微镜技术研究了ＳＴＧ黏弹性响应的温度依赖性ꎮ龚兴龙等[６]将ＳＴＧ和碳纳米管附着于Ｋｅｖｌａｒ纤维表面研究了其抗穿刺性能ꎬ通过准静态针刺实验表明加入ＳＴＧ的复合材料抗穿刺性能相比纯Ｋｅｖｌａｒ提高５０％ꎮ夏艳丽等[９]研究了不同稀释比的ＳＴＧ制备的ＳＴＧ/ＰＵ复合材料的低速抗冲击性能ꎬ得到了稀释比会影响复合材料的防护性能ꎬ结果表明加入ＳＴＧ后材料的剩余载荷减少了约７２％左右ꎬ大大提高了聚氨酯泡沫的抗冲击性能ꎮ目前针对ＳＴＧ的研究主要集中于ＳＴＧ的表征㊁材料的功能化以及ＳＴＧ复合材料的性能等方面ꎬ有关研究表明加入ＳＴＧ提高了复合材料的能量吸收能力和防护性能ꎬ但对ＳＴＧ的流变性能和对应的力学性能关系以及ＳＴＧ本身材料吸能情况还少有研究ꎬ本文通过流变仪研究了ＳＴＧ的蠕变行为以及在剪切模式下的随剪切应变幅值㊁频率变化关系对ＳＴＧ的流变性能影响ꎻ通过落锤冲击测试研究了ＳＴＧ在不同冲击速度下的抗冲击性能和能量吸收情况ꎬ为材料的实际应用提供科学理论依据ꎮ１㊀实验部分１ １㊀材料与仪器聚二甲基硅氧烷:市售ꎻ乙醇㊁硼酸:ＡＲꎬ国药集团化学试剂有限公司ꎮ旋转流变仪:ＭＣＲ３０１ꎬ奥地利安东帕有限公司ꎻ热重分析仪:Ｑ５００ꎬ美国ＴＡ仪器公司ꎻ傅立叶红外光谱仪:ＮｉｃｏｌｅｔＮｅｘｕｓ４７０ꎬ美国Ｎｉｃｏｌｅｔ公司ꎻ落锤式冲击机:ＬＣ￣２ꎬ济南恒思盛大仪器有限公司ꎻ加速度传感器:Ｂ＆Ｋ４３６９ꎬ丹麦Ｂ＆Ｋ公司ꎻ电荷放大器:Ｋｉｓｔｌｅｒ５０１５ꎬ深圳市仕达威实业有限公司ꎻ数据采集仪:ＤＨ５９２０ꎬ江苏东华测试技术有限公司ꎮ１ ２㊀剪切增稠胶的制备取一定配比的硼酸与硅油ꎬ在一定温度下加热一定时间ꎬ待取出的产物冷却至合适的温度即得到所需的ＳＴＧ[１０]如图１所示ꎮａ－ＳＴＧ被塑造成球形ｂ－ＳＴＧ被塑造成圆柱形ｃ－慢速拉伸ｄ－快速拉伸图１㊀剪切增稠胶形貌Ｆｉｇ１㊀Ｓｈｅａｒｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇｇｅｌｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ１ ３㊀测试与表征采用傅立叶红外光谱仪(ＦＴＩＲ)表征了ＳＴＧ在４０００~５００ｃｍ－１范围内的红外光谱ꎮ通过热重分析仪对ＳＴＧ进行热失重测试ꎬ样品质量５ｍｇꎬ升温速率２０ħ/ｍｉｎꎬ温度范围５０~８００ħꎬ根据热重曲线ꎬ分析ＳＴＧ的组分和稳定性ꎮ采用旋转流变仪对ＳＴＧ进行频率扫描测试㊁应变扫描测试ꎬ使用ＰＰ２５平板夹具ꎬ测试温度设置为２５ħꎬ试样厚度为１ｍｍꎬ对ＳＴＧ的剪切增稠效果进行了表征并探索了ＳＴＧ的流变性能ꎮ１ ４㊀ＳＴＧ低速落锤冲击测试图２㊀落锤系统Ｆｉｇ２㊀Ｄｒｏｐｈａｍｍｅｒｓｙｓｔｅｍ本文对ＳＴＧ低速抗冲击性能[１１－１７]主要在落锤冲击机(ＬＣ￣２型)上进行检测ꎬ实验温度为２５ħꎬ实验湿度为６０％ꎬ参考Ｑ/７０２Ｊ０６１０ ２０１３进行实验方案的确定和测试ꎬ通过测试得到试样的力和位移曲０８第４７卷第１期付倩倩ꎬ等:剪切增稠胶流变性能及其抗冲击性能研究线ꎬ得到ＳＴＧ的能量吸收情况ꎮ整个实验装置由以下系统组成ꎬ如图２所示:动态冲击性能测试冲击试样为半径为１００ｍｍꎬ高为６５ｍｍ的圆柱体ꎬ最大冲击能量为６５Ｊꎬ实验中采用质量为６ ２ｋｇꎬ半径２０ｍｍ的冲击锤头ꎬ在不同冲击速度下对样品的动态性能进行测试ꎬ对各个样测试５次并对５次测试的结果取平均值ꎮ在实验过程中会测量冲击锤的冲击力－位移曲线关系和能量吸收情况来分析ＳＴＧ抗冲击的特性ꎮ２㊀结果与讨论２ １㊀剪切增稠胶的表征２ １ １㊀ＳＴＧ的红外光谱分析图３㊀ＳＴＧ的红外光谱图Ｆｉｇ３㊀ＩｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆＳＴＧ图３为ＳＴＧ的红外光谱图ꎮ经过分析可得２９６０ｃｍ－１的吸收峰对应着 ＣＨ３的伸缩振动ꎬ１３４０ｃｍ－１的特征峰由Ｂ Ｏ振动所引起的ꎬ１２６０ｃｍ－１的强吸收峰表明了Ｓｉ ＣＨ３键的存在ꎬ源于甲基的伸缩振动ꎬ１０１０ｃｍ－１的峰值对应着Ｓｉ Ｏ键ꎬ在８６０ｃｍ－１和７８７ｃｍ－１的强吸收峰说明反应过程中形成了Ｓｉ Ｏ Ｂ键ꎮ由此可得出ＳＴＧ里面含有Ｓｉ Ｏ㊁Ｓｉ ＣＨ３㊁Ｂ Ｏ㊁Ｓｉ Ｏ Ｂ[６]ꎮ２ １ ２㊀剪切增稠胶的热重分析图４㊀ＳＴＧ的热失重曲线Ｆｉｇ４㊀ＳＴＧｔｈｅｒｍａｌｗｅｉｇｈｔｌｏｓｓｃｕｒｖｅ由ＤＴＧ曲线可以看出ꎬＳＴＧ有三个失重阶段ꎬ在４５０ħ反应速度最快ꎬ反应结束温度为５５０ħꎬ由图中分析可知第一阶段(１００~３００ħ)为基体表面吸附水和结晶水的失重温度ꎬ在该阶段主要为水分蒸发和Ｓｉ ＣＨ３结构中甲基的分解造成的ꎬ质量损失约为１６ ８％ꎬꎻ第二阶段(３００~４５０ħ)主要为ＳｉＯ㊁Ｂ Ｏ㊁Ｓｉ Ｏ Ｂ的分解ꎬ基体由高聚物分解为低聚物ꎬ质量损失率约为４１ ７％ꎬ当温度达到５５０ħ时ꎬ材料总质量损失率为９５％ꎬ基体几乎完全分解[１８]ꎮ２ ２㊀剪切增稠胶流变性能黏弹性理论认为ꎬ弹性和黏性分别对应于体系的固体和液体行为ꎬ这两者的强度可分别用储能模量(Ｇᶄ)和耗能模量(Ｇᵡ)表示ꎮ固体在屈服极限范围内符合胡克定律ꎬ表现为弹性行为ꎻ牛顿流体符合牛顿黏性定律ꎬ表现为黏性行为ꎻ而ＳＴＧ为非牛顿流体ꎬ介于两者之间ꎬ则表现为黏弹性行为ꎮ为了比较剪切变硬的性能ꎬ用相对剪切效应(ＲＳＴｅ)来量化比较这一刺激－响应性能[１９]ꎮＲＳＴｅ＝Ｇᶄｍａｘ－ＧᶄｍｉｎＧᶄｍｉｎˑ１００％(１)式中ꎬＧᶄｍａｘ－由剪切频率引起的最大储能模量ꎻＧᶄｍｉｎ－胶体的初始模量ꎮ通过流变测试研究了ＳＴＧ在不同压力下的蠕变－回复曲线ꎬ另外通过频率扫描和振幅扫描得到了ＳＴＧ储能模量(Ｇᶄ)和耗能模量(Ｇᵡ)与应变(γ)和扫描频率(ω)的变化曲线ꎬ表征了ＳＴＧ的剪切效应和其在线性黏弹区的性能ꎮ２ ２ １㊀ＳＴＧ的蠕变性能蠕变或者冷流可以反映材料的黏弹性行为ꎬ对研究材料长时力学行为具有重要意义ꎬ在了解材料性能的情况下才能更充分地加大ＳＴＧ应用ꎮ在恒定外载作用下ꎬ理想黏性液体材料的变形是以等应变率随时间变化的ꎬ黏弹性材料在应力不变的条件下ꎬ材料的变形是随着时间的延长而增加ꎬ高分子材料尤为明显[２０]ꎮ图５为三种应力水平下的蠕变曲线ꎬ用流变仪测试ＳＴＧ在不同压力下的蠕变－回复曲线来表征ＳＴＧ的蠕变行为ꎬ将ＳＴＧ塑成底面直径３０ｍｍꎬ高度２５ｍｍ左右的圆柱ꎮｔ１为加荷时间ꎬｔ２为释荷时间ꎬ对材料加载恒定压力３００ｓꎬ然后卸载压力ꎬ流变仪记录试样在整个过程中的应变ꎮ从图５中可以看出ꎬ当ＳＴＧ受到较小的应力时立即发生变形ꎬ当应力达到７５Ｐａ时ＳＴＧ的应变达到了７５０％ꎬ表明ＳＴＧ在较小的应力下具有相当大的蠕变量ꎬ这与前面ＳＴＧ在慢速拉伸受到较小力的条件下可被塑造成各种形状相一致ꎮ卸１８塑㊀料㊀工㊀业２０１９年㊀㊀载应力后ꎬＳＴＧ的应变随时间保持不变ꎬ没有回复现象ꎬ这是由于ＳＴＧ在施加的应力下发生的是分子间的相对滑移ꎬ即黏性流动ꎬ而黏性流动是不可回复的ꎮ图５㊀ＳＴＧ在不同应力下的蠕变曲线Ｆｉｇ５㊀ＴｈｅｃｒｅｅｐｃｕｒｖｅｓｏｆＳＴＧｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓ２ ２ ２㊀动态流变性能的研究对三种ＳＴＧ样品进行频率扫描(应变γ＝０ ５％ꎬω为０ １~１００ｒａｄ/ｓ)ꎬＧᶄ代表材料储存弹性变形能量的能力ꎬ描述的为材料的固态特性ꎬ储能模量增大表示材料越不易变形ꎻＧᵡ表示材料的黏性性能ꎬ描述的为材料的液态特性ꎮ从图６可以看出ꎬ随着频率的增加Ｇᶄ逐渐增大ꎬ而Ｇᵡ先增大后减小ꎬ表明ＳＴＧ力学性能对频率较敏感ꎻ在低频率范围内Ｇᵡ>Ｇᶄꎬ材料的黏性占主导地位ꎬ说明ＳＴＧ分子之间存在一些纠缠ꎬ但分子间的键合不是非常紧固ꎬ在高频率范围内Ｇᶄ>Ｇᵡꎬ弹性占主导地位表现为固体行为ꎬ说明材料在外界高频率条件刺激下分子内部发生了键合ꎬ具有稳定的网状结构ꎬ因此储能模量增大了将近４个数量级ꎬ这一结果说明随着剪切频率的增加ꎬ材料表现出了典型的剪切变硬性能ꎮ图６㊀ＳＴＧ样品的模量－剪切频率的示意图Ｆｉｇ６㊀Ｍｏｄｕｌｕｓ￣ｓｈｅａｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉａｇｒａｍｏｆＳＴＧｓａｍｐｌｅｓＡ㊁Ｂ㊁Ｃ分别为低㊁中㊁高温度条件下制备而成的试样ꎮ由表１可以看出ꎬ样品Ｃ的相对剪切效应为１９９０８１ ４５％ꎬ相对Ａ和Ｂ样品ꎬ剪切变硬效果较好ꎻ角频率ωｃｏ的值在Ｇᶄ＝Ｇᵡ的交叉点处确定ꎬ在样品Ａ的ωｃｏ为０ ３９８ｓ－１ꎬ样品Ｂ和Ｃ的ωｃｏ在１６ｓ－１左右ꎬ表明Ａ样品的平均分子量相对较高ꎬ该样品的分子链较长ꎮＡ样品是在较低温度下制备的ꎬ其相对剪切效应较另外两个样品低很多且临界转变频率较低ꎬ表明温度对ＳＴＧ影响较大ꎬ在温度高的条件下可能是由于硼酸完全脱水程度高因此形成的 Ｂ Ｏ瞬时交联键 较多ꎬ当外界频率增加时ꎬ这种瞬间交联键来不及断裂ꎬ Ｂ Ｏ 键会相互吸引ꎬ使得分子链的运动受到严重阻碍ꎬ因此在高频率刺激下表现为固体行为ꎬ其相对剪切效应较大ꎮ表１㊀频率扫描中不同温度条件下的样品Ｇᶄｍｉｎ㊁Ｇᵡｍａｘ和ＲＳＴｅＴａｂ１㊀ＳａｍｐｌｅｓｏｆＧᶄｍｉｎ㊁ＧᵡｍａｘａｎｄＲＳＴｅ(％)ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｅｅｐ样品Ｇᶄｍｉｎ/ＰａＧᵡｍａｘ/ＰａＲＳＴｅ/％ωｃｏ/ｓ－１Ａ７０００１３００００１７５７ １４０ ３９８Ｂ１５１１７７０００１１７１１８ ５４１５ ８Ｃ７３ ３１４６０００１９９０８１ ４５１６ １对ＳＴＧ样品进行振幅扫描(ω＝１０ｒａｄ/ｓꎬγ＝０ ０１％~１０００％范围)来描述非破坏性变形范围内的样品变形特性ꎬ图７为ＳＴＧ体系的Ｇᶄ和Ｇᵡ随γ的变化曲线ꎮ样品Ａ㊁Ｂ㊁Ｃ曲线趋势基本一致ꎬ线性极限γＬ＝３％ꎬ当应变<３％时ꎬ储能模量和耗能模量不随应变的改变而改变ꎬ此范围为材料的线性黏弹区ꎬ在该区域内材料的结构变化是可逆的ꎻ当应变>３％时ꎬ储能模量和耗能模量随着应变幅值的增大而减小ꎬ材料进入非线性阶段[２１]ꎬ在线性极限γＬ＝３％后储能模量开始出现大幅度下降ꎬ这表明ＳＴＧ发生了脆性断裂特性ꎮ在线性黏弹区内样品的Ｇᶄ>Ｇᵡꎬ材料主要发生弹性形变ꎬ表明ＳＴＧ在线性黏弹区呈现出固态特性ꎬ对于Ｃ样品储能模量和耗能模量几乎相当ꎬ表明Ｃ样品在线性黏弹区呈现为半固态的状态ꎮ图７㊀ＳＴＧ样品的模量－应变的示意图Ｆｉｇ７㊀Ｍｏｄｕｌｕｓ￣ｓｔｒａｉｎｄｉａｇｒａｍｏｆＳＴＧｓａｍｐｌｅｓ２ ３㊀不同冲击速度下对ＳＴＧ冲击性能的影响材料的抗冲击测试是根据能量守恒定律ꎬ重力势２８第４７卷第１期付倩倩ꎬ等:剪切增稠胶流变性能及其抗冲击性能研究能Ｅ＝ｍｇｈ转化为冲击动能Ｅ＝１/２ｍＶ２ꎬ图８中ａ㊁ｂ㊁ｃ曲线分别代表冲击速度为１ ４㊁３ ２㊁４ ５ｍ/ｓ条件下ＳＴＧ的冲击力(Ｆ)和位移(Ｘ)曲线ꎮ如图８所示ꎬ随着冲击速度的增大ꎬ冲击力和位移曲线的趋势基本一致ꎬ材料的刚度随着速度增大有变小的趋势ꎬ但是变化不大ꎮ当冲击锤头接触到材料ꎬＳＴＧ发生变形ꎬ在此过程中加速度的绝对值开始递增ꎬ材料受到的力增加ꎬ当冲击速度由１ ４~４ ５ｍ/ｓ时ꎬ最大冲击力由０ ７ｋＮ增大到２ ８ｋＮꎬ材料所受最大冲击力随冲击速度的增大线性增加ꎬＳＴＧ表现出了不断增强的抗冲击性能ꎬ并且曲线的加载和卸载部分光滑ꎬ表明材料并未受到破坏ꎮ由Ｆ－Ｘ曲线可看出ꎬ材料有着较好的弹性ꎬ在１ ４ｍ/ｓ的冲击速度下材料的位移可回弹至零位移ꎬ当速度为４ ５ｍ/ｓ时ꎬ冲击最大位移量为５６ｍｍꎬ碰撞结束后ＳＴＧ的冲击压缩量为５ｍｍꎬ说明材料在受力过程中有着较好的回复能力ꎮ图８㊀不同速度下ＳＴＧ冲击力和位移曲线Ｆｉｇ８㊀ＳＴＧｉｍｐａｃｔｆｏｒｃｅａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｅｄｓ图９㊀ＳＴＧ能量吸收系数和速度的关系Ｆｉｇ９㊀ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＳＴＧｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｓｐｅｅｄ图９为在不同高度(２~１００ｃｍ)条件下能量吸收系数和速度的关系ꎬ可看出ＳＴＧ能量吸收系数随冲击速度的增大即冲击能量的增大而增大ꎬｉ值在逐渐增大ꎬ即材料吸收的能量也越多ꎬＳＴＧ表现出较好的能量吸收特性ꎬ可用于缓冲或防护等方面的应用ꎮ当初始冲击能量为６２ ８Ｊ时ꎬＳＴＧ能量吸收系数达到一个稳定的数值为５５％ꎬ也可将该材料和其他材料如聚氨酯泡沫㊁织物等进行复合来扩大材料的应用范围ꎮ３㊀结论１)对ＳＴＧ进行蠕变性能的研究ꎬ对ＳＴＧ施加不同的应力分析ＳＴＧ的蠕变行为ꎬ表明ＳＴＧ在较小的应力条件下有着比较大的蠕变量ꎻ随着施加压力的增加应变变化较大ꎬ在卸载应变后ＳＴＧ应变随时间基本不变ꎮ２)通过流变测试对ＳＴＧ进行频率扫描ꎬ得到材料在受到外界高频率刺激时储能模量增大了将近４个数量级ꎬ材料表现出了典型的剪切变硬性能ꎬ样品相对剪切效应达１９９０８１ ４５％ꎬ显示出优异的剪切效应且温度对样品的性质影响较大ꎻ对ＳＴＧ进行振幅扫描ꎬ得到当应变<３％时ꎬ此范围为材料的线性黏弹区ꎬ当应变>３％时ꎬ材料进入非线性阶段ꎬ对于大多数样品来说ꎬ在应变幅值扫描范围内Ｇᶄ始终大于Ｇᵡꎬ表明ＳＴＧ在整个形变范围内呈现出固态特性ꎮ３)对ＳＴＧ进行落锤冲击测试ꎬ随着冲击速度的增大材料的刚度有变小的趋势ꎬ但变化不大ꎻ随着冲击速度的增大ꎬＳＴＧ受到的冲击力越来越大ꎬＳＴＧ的能量吸收系数也变大ꎬ材料吸收能量越多ꎬ表明ＳＴＧ具有较好的能量吸收特性及良好的抗冲击性能ꎬ本样品在冲击能量为６２ ８Ｊ时其能量吸收系数达到５５％ꎬ可根据材料能量吸收特性扩大其应用范围ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]蒋伟峰.剪切增稠材料的力学性能表征及机理研究[Ｄ].合肥:中国科学技术大学ꎬ２０１５.[２]徐钰蕾.剪切增稠液的性能表征及其防护应用研究[Ｄ].合肥:中国科学技术大学ꎬ２０１２.[３]ＦＩＳＣＨＥＲＣꎬＢＲＡＵＮＳＡꎬＢＯＵＲＢＡＮＰꎬｅｔａｌ.Ｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｉｔｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｈｅａｒ￣ｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇｆｌｕｉｄｓ[Ｊ].ＳｍａｒｔＭａｔｅｒＳｔｒｕｃｔꎬ２００６ꎬ１５(５):１４６７.[４]周鸿ꎬ郭朝阳ꎬ宗路航ꎬ等.剪切增稠液及阻尼器性能研究[Ｊ].振动与冲击ꎬ２０１３ꎬ３２(１８):１５－２０.[５]ＨＡＳＩＢＭＴꎬＹＥＬꎬＣＨＡＮＧＬ.Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓａｎｄ￣ｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｓｈｅａｒｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇｆｌｕｉｄ(ＳＴＦ)[Ｊ].ＲｅｃｅｎｔＡｄｖＳｔｒｕｃｔＩｎｔｅｇｒｉｔｙＡｎａｌ￣ＰｒｏｃＩｎｔＣｏｎｇｒｅｓｓ(ＡＰＣＦ/ＳＩＦ￣２０１４)ꎬ２０１４:５３４－５３８.[６]王胜.多功能剪切变硬胶复合材料的研制与性能研究[Ｄ].合肥:中国科学技术大学ꎬ２０１７.[７]蔡亮ꎬ蒋伟峰ꎬ张泰华.剪切增稠胶剪切条件下的黏弹性能及其力学性能改性[Ｊ].功能材料ꎬ２０１７ꎬ４８(８):１８１－１８５.(下转第１３９页)３８第４７卷第１期李㊀湘ꎬ等:利用不同的ＰＳ废塑料制备环保阻燃ＰＳ[４]崔文广ꎬ郭奋ꎬ陈建峰ꎬ等.无卤阻燃高抗冲聚苯乙烯的研制[Ｊ].塑料工业ꎬ２００６ꎬ３４(２):２１－２４. [５]ＬＥＶＣＨＩＫＳＶꎬＷＥＩＬＥＤ.Ｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎｆｌａｍｅｒｅ￣ｔａｒｄａｎｃｙｏｆｓｔｙｒｅｎｅｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｓａｎｄｆｏａｍｓ[Ｊ].ＰｏｌｙｍＩｎｔꎬ２００８ꎬ５７(３):４３１－４４８.[６]卢翔ꎬ姜向新ꎬ杨友强ꎬ等.八溴醚阻燃ＰＰ/ＰＳ共混物的性能研究[Ｊ].广州化工ꎬ２０１７ꎬ４５(２４):６６－６９. [７]ＳＡＬＥＨＩＹＡＮＲꎬＳＯＮＧＨＹꎬＫＩＭＭꎬｅｔａｌ.ＭｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＰＰ/ＰＳｂｌｅｎｄｓｆｉｌｌｅｄｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｃｌａｙｓｂｙｎｏｎｌｉｎｅａｒｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ[Ｊ].Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓꎬ２０１６ꎬ４９(１２):２１４８－３１６０.[８]许贺ꎬ王利ꎬ孙佳惠ꎬ等.环保型溴－锑阻燃体系在聚苯乙烯中的应用[Ｊ].工程塑料应用ꎬ２０１７ꎬ４５(１２):３９－４２.[９]刘斌.环境友好聚苯乙烯阻燃技术新进展[Ｊ].合成材料老化与应用ꎬ２０１４ꎬ４３(４):５８－６１.[１０]何敏ꎬ徐定红ꎬ栗多文ꎬ等.红磷母粒与氢氧化镁协效阻燃高抗冲机强度聚苯乙烯研究[Ｊ].塑料工业ꎬ２０１１ꎬ３９(７):４３－４５.[１１]董波ꎬ杜向向ꎬ李全红ꎬ等.聚苯醚与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚苯乙烯的研究[Ｊ].化工新型材料ꎬ２０１４ꎬ４２(６):１６７－１６９.[１２]秦旺平ꎬ付锦峰ꎬ肖鹏ꎬ等.新型低卤阻燃ＰＳ￣ＨＩ材料的制备与性能[Ｊ].工程塑料应用ꎬ２０１８ꎬ４６(１):１０１－１０５.(本文于２０１８－０９－３０收到)㊀(上接第８３页)[８]ＧＯＥＲＴＺＭＰꎬＺＨＵＸＹꎬＨＯＵＳＴＯＮＪＥ.Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｒｅｌａｘａｔｉｏｎｏｆａ ｓｏｌｉｄ￣ｌｉｑｕｉｄ [Ｊ].ＪＰｏｌｙｍＳｃｉꎬＰａｒｔＢ:ＰｏｌｙｍＰｈｙｓꎬ２００９ꎬ４７(１３):１２８５－１２９０. 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品一直是个体防护装甲研究的核心问题. 近几年来国 内外学者将剪切增稠液体（STF）浸渍个体防护装甲， Lee 等[1-4]制备出 STF-Kevlar 防弹复合材料，Wetzel[5-6] 将 STF 分别浸渍芳纶机织布、不同纤维细度尼龙机织 布进行复合制备防刺材料，国内王志刚[7]、伍秋美[8]、刘
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天津工业大学学报
第 31 卷ຫໍສະໝຸດ 君[9-10]、蒋玲玲[11]等制备 STF-Kevlar 防刺复合材料. 以 上研究结果表明，STF 不但能增强 Kevlar 机织物的防 弹性能，而且能够增强其防刺性能，更重要的是减少 了织物的复合层数，使防护装甲轻、软、薄，能够用于 全身防护. 但上述所用 STF 浸渍的纤维织物种类比较 单一. 本文为拓宽 STF/防刺织物复合材料的种类，将 在前期 STF 的研制及织物防刺性能影响因素研究的基 础上[12]，采用原生粒径 20 nm 的 SiO2 配制STF，并对其流 变性能进行测定，制备出 STF/UHMWPE 复合防刺织 物. 通过测定 UHMWPE 织物和 STF/UHMWPE 复合防 刺织物的防刺性能，研究织物结构、织物铺层方式、 STF 固含量对 STF/UHMWPE 织物复合材料防刺性能 的影响，并对 STF 增强 UHMWPE 织物防刺性能机理 进行分析探讨.
第 31 卷 第 3 期 圆园12 年 6 月
天津工业大学学报 允韵哉砸晕粤蕴 韵云 栽陨粤晕允陨晕 孕韵蕴再栽耘悦匀晕陨悦 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再
Vol.31 No.3 June 2012
剪切增稠液体增强织物防刺性能的机理研究
徐素鹏 1，2，郑 伟 2，张玉芳 1
（1. 北京服装学院 材料科学与工程学院，北京 100029；2. 济源职业技术学院 冶金化工系，河南 济源 459000）
利用傅里叶变换红外光谱仪对纳米 SiO2 粒子进 行表征；用透射电镜（H-800，日本日立公司）测试纳米 SiO2 粒径和观察其聚集情况.
1.2.2 剪切增稠液体 STF 的制备 在前期工作中[12-13]已研究出制备 STF 的最优化配
方与工艺为：称取一定量的纳米 SiO（2 分散相）放入烧 杯中，然后加入一定量的分散介质聚乙二醇 PEG200 和分散剂 N-（籽-氨乙基）-酌-氨丙基三甲氧基硅烷 A1120，搅匀后倒入变频双行星式球磨机中，高速球磨 分散 3 h，分别配制出分散相含量 （质量分数）20%和 26%的剪切增稠液体 （2 种剪切增稠液体中分散剂占 分散相的质量分数均为 1.8%）。 1.2.3 剪切增稠液体 STF 的流变性能测定
复合材料放在最上层效果较好.
关键词：剪切增稠液体；流变性能；STF/UHMWPE 织物；防刺性能
中图分类号：TB332
文献标志码：A
文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园12）园3原园园15原园5
Study on mechanism of sheer thickening fluiding enhancing stab-risistant performance of fabric
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第3期
徐素鹏，等：剪切增稠液体增强织物防刺性能的机理研究
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大数据）.
2 结果与讨论
2.1 分散相纳米 SiO2 的 FI-IR 表征和 TEM 表征 图 1 为纳米 SiO2 的红外光谱图.
摘 要：制备出质量分数分别为 20%和 26%的剪切增稠液体（STF），研究了其流变性能、浸渍 UHMWPE 织物后所得
的复合材料在不同条件下的防刺性能和 STF 增强织物防刺性能的机理. 结果表明：2 种液体均具有先剪切
变稀后剪切增稠的流变性能曲线；由于 STF 具有钝化刀具和限制织物纱线或纤维移动的作用，能明显增强
XU Su-peng1，2，ZHENG Wei2，ZHANG Yu-fang1
（1. School of Materials Science and Engineering，Beijing Institute of Fashion Technology，Beijing 100029，China；2. De原 partment of Metallurgy and Chemical Engineering，Jiyuan Vocational And Technical College，Jiyuan 459000，China）
本实验依据 GA 68-2003《防刺服》标准[14]，将被 测试样在温度为 20 益、相对湿度为 65%的标准大气 条件下平衡 4 h，利用 TLC-30A 微处理器控制落锤式 防刺服专用冲击试验机 （吉林省泰和试验机有限公 司），被测试样用松紧带固定在一个按照公安部防刺 标准 GA68-2003[10]制定的以橡皮泥为主要材料的基 底上. 试验刀具 （按照国家标准 GA68-2003 加工，刀 具加配重重 2.4 kg）从 1 m 高度自由落体以 24 J 的 冲击动能冲击被测试样，在试样不同位置冲击 3 次. 本 文 的 目 的 是 制 备 轻 量 、 高 性 能 和 舒 适 的 STF/ UHMWPE 织物复合材料，即防刺材料能够保护人体 免受刺刀、匕首等锐器的伤害，同时还要保证穿戴者 活动灵活、不受限制. 因此，试样防刺性能好坏应从试 样的总质量、试样的厚度、试样被刺穿层数及背衬胶 泥的变形深度综合来考量. 为节省实验材料及降低实 验成本，实验数据采集基本均在试样刚好能防住 24 J 冲击能量下记录试样的层数、试样的总质量、试样的 厚度及背衬胶泥的变形深度（均记录 3 次冲击中的最
1 实验部分
1.1 实验材料 纳米二氧化硅（SiO2）为分散相粒子，原生粒径 20
nm，江西华德润精细化工厂生产；聚乙二醇（PEG200）， 化学纯，分散介质，天津市光复精细化工研究所生产； N-（籽-氨乙基）-酌-氨丙基三甲氧基硅烷 （A1120），分 散剂，天津石化公司生产；高性能聚乙烯纤维 （UHMWPE）机织布和无纺布，北京同益中特种纤维技 术开发有限公司生产，纤维性质和织物规格分别见表 1 和表 2.
收稿日期：2012-03-20 基金项目：北京市教委科技创新平台建设项目（PXM2008_014216_053705） 第一作者：徐素鹏（1983—），女，硕士研究生. 通信作者：张玉芳（1965—），女，高级工程师，硕士生导师. E-mail：zhang-y-f@
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Key words：sheer thickening fluid；rheological behaviors；STF/UHMWPE fabric；stab-resistant performance
自有战争以来，人们对防护装甲的研究就从未停 息过. 尤其是在一些国家，枪械的使用在某种程度上 受到严格的限制，而来自匕首、刺刀等锐器的威胁却 无处不在，这就使各种防刺产品在军用和民用方面得 到了快速的发展. 开发轻量、高性能和舒适的防护产
Abstract：Shear thickening fluids 渊STF冤 with mass fraction of 20% and 26% were prepared袁 and its rheology behavior, the stab -resistant performance of UHMWPE fabric impregnated with STF and the mechanism of STF enhanceing fabric忆s stab-resistant performance are studied. The results show that two kinds of fluid have rheological behavior which firstly shear thinning and then shear thickening曰 because STF can passivate the tools and limit yarns and fiber忆s moving袁 stab-resistant performance of UHMWPE fabric is enhanced obviously by STF曰 the stab-resistant performance of STF/UHMWPE non-woven fabric composite materials is better than STF/UHMWPE woven fabric composite materials曰 and with increasing solids content of STF袁 the effects of STF enhancing UHMWPE fabric忆s stab-resistant performance are more significant曰 the stab-resistant performance of STF/UHMWPE composite ma鄄 terials and pure UHMWPE plying compundly is better than plying individually袁 and composite materials plied upper are better.
zyt_2008.06.03-1 98 96 94 92 90 88 86 84 82 80
织物 样品 面密度/ 单层厚 经密/
纬密/
纱线
结构 编号（g·m-2）度/mm（根·（10 cm）-1）（根·（10 cm）-1） 细度
机织布 1 258.07 1.10
70
无纺布 2 223.31 1.06
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64
1 333 dtex
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1.2 实验部分 1.2.1 分散相纳米 SiO2 的 FI-IR 表征和 TEM 表征