剪切增稠液体研究现状
摘要：本文主要介绍了剪切增稠液体（STF ）的研究现状，并以常用的SiO 2/PEG体系为例，对STF 流变性能和应用作简单分析。
关键字：剪切增稠；STF ；SiO 2/PEG；流变；
1、前言
据英国GIZ 杂志报道，20世纪90年代中期，美国在“陆军研究实验室”（ARL ）Eric Wetzel博士和“特拉华州立大学合成物质研究中心”（UDTC ）Norman Wagner教授指导下，运用新型纳米技术成功地研制出了“剪切增稠液体”[1,2]（Shear Thickening Fluid，简称STF ）。STF 是一种新型功能材料，其在正常状态下是略微黏稠的液体，而当受冲击作用时，表观粘度会急剧增加，呈现出固体的抗冲击性能，当冲击力消失之后，又迅速回复到原来的柔性状态，由此可见，这种剪切增稠效应是一种非牛顿流体行为，并且此过程具有可逆性[3-5]。分散相粒子和分散介质共同组成了STF 体系，其中，分散相粒子可以分为两类：一是天然存在的矿物质；二是化学合成的聚合物，如二氧化硅和其它氧化物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA ）、碳酸钙等[6,7]，粒子可以是圆盘状、球体、椭圆体和粘土颗粒等形状，其以布朗运动、电荷作用、吸收表面活性剂等稳定分散在介质溶液中[2,6,7]，分散方式有单分散、双分散或多分散；而分散介质可以是水、有机物（乙醇、乙烯基乙醇或聚乙二醇）、盐溶液（缓冲液或氯化钠溶液等）等单一介质，也可以是多种介质的复配体。
2、国内外研究现状
对STF 的研究目前主要剪切增稠机理、有流变性能、应用研究三个方面。其中，关于前两个方面研究的文献较多，而对于其应用研究才刚起步，已报道的主要是在防震及防护领域上的应用：Fischer 等人应用STF 设计出三明治梁，达到控制振动响应的目的；美国Wagner 博士等人制备出STF-Kevlar 复合织物，不仅具有优异的防弹性能，同时显著地提高了材料的灵活性。
2.1、剪切增稠机理研究
尽管对于STF 体系的剪切增稠行为特点的研究历史已经不短，并一直受到许多学者的重视，但是由于实验手段等各方面的限制，对其了解仍不够深入。近年来，随着各种光学手段以及控制应力流变仪的应用，许多学者提出了一些机理，试图解释在剪切增稠区域所观察到的现象[8]。对于剪切增稠的微观机理，目前主要有两种说法：其一是最先由Whitlock 和Metzner 提出，并由 Hoffman 证实的ODT 机理[6,9]（有序到无序），即体系受到较小外力作用时，粒子的有序程度得到了提高，出现剪切变稀行为，而当外力更大时，有序结构被破坏，则会出现剪切增稠现象[1,7]；其二是Bossis 和Brady 基于Stokesian 动力学模拟而提出的“粒子
簇”理论[10-12]，即剪切变稀是由于连续的空间网络结构被破坏，而剪切增稠是由于体系中形成“粒子簇”，体系粘度增大，从而出现了增稠现象。
对于SiO 2/PEG体系中剪切变稀和剪切增稠的现象，伍秋美等[13]认为用“粒子簇”机理解释更为合理。即剪切作用较小时，受到破坏的空间网络结构在粒子间作用力下能很快得到恢复，因此粘度基本不变；随着剪切作用的增大，当受到破坏的空间网络结构不能在粒子间作用力下得到修复时，体系粘度开始下降；随着剪切作用的进一步增大，空间网络结构受到越来越大程度的破坏，使得粘度继续减小，当达到某个临界点时，流体作用力成为体系中主要作用力，由此生成了“粒子簇”，随后随着流体作用力的增大，“粒子簇”变大，其对流体的阻碍作用也随之变大，因此流体的粘度增大[14]。
2.2、STF 流变性能
2.2.1、流变性能分析
图1 690nm SiO2/PEG-200体系流变曲线
图1为ω(SiO2)=时SiO 2/PEG-200分散体系的稳态剪切增稠流变图。从图中可以看出，随着剪切应力的增大，粘度起初下降不明显，之后随剪切力增大而明显下降，到转折点b （临界剪切速率）之后，粘度随着剪切力的增大急剧增大。可以看出该体系属于复杂的非牛顿流体。
2.2.2、浓度对稳态流变性能的影响
由图2可知，STF 临界剪切速率随着浓度的增加而减小。同时也可以看出，随着浓度的增加，体系的起始粘度和最大粘度都会增加，但增加幅度有所区别，前者增加较为平缓，而后者增加比较迅速，并远远大于前者，体系出现明显的增稠现象。由此推论，SiO 2质量分数越大，体系粘度越大，且增稠现象越明显。形
成这一规律的主要原因是：体系中固液间的作用力随着固体粒子的增加而得到了增强，粘度增加，从而使得形成的“粒子簇”也更多或更大，对体系流动阻力也就增加，所以增稠效果就越明显[15]。
图2 690nm SiO2/PEG-200体系流变曲线(a)45%, (b50%, (c)55%
2.2.3、PEG 分子量对STF 流变性能的影响
图3 PEG不同分子量STF 流变性能曲线(a)200, (b)400, (c)600
图3为 SiO2粒径为690nm ，PEG 分子量分别为200、400、600时的STF 粘度随剪切速率变化的双对数曲线，即曲线a 、b 、c ，其中SiO 2质量分数均为45%。由图可知，随着剪切速率的增大，体系粘度先减小，过了临界点后又增大，三条曲线变化趋势基本一致，但c 体系在临界剪切速率后粘度的增加趋势不如a 和b 体系，且在此过程中，b 体系的粘度甚至超过了c 体系。同时可以看出，随着PEG
分子量的增加，临界剪切速率减小，起始粘度和最大粘度增加，但c 体系最大粘度并没有比起始粘度增加很多，增稠效果不如a 、b 体系。这是因为体系中含有的SiO 2量是一样的，对于PEG 而言，由其分子式可知，-OH 基团只位于长链分子的两端，则随着分子量增大，分子链增长，相同质量的PEG 中含有的羟基减少，则与二氧化硅团聚体形成的氢键数也减少，这样固液间的作用力弱，只需要较小的流体作用力，就能使SiO 2摆脱液相束缚参与到“粒子簇”的生成，因此，其临界剪切速率随着PEG 分子量的增大而减小。但对于c 体系来说，由于PEG 分子量更大，分子链也更长，则形成的氢键数也更少，形成相对孤立SiO 2团聚体也就更多，当流体作用力在体系中成为主要作用力时，太多的SiO 2团聚体削弱了流体作用力，导致体系中二次团聚形成的“粒子簇”数量减少，所以其增稠效果不是很好。
2.2.4、SiO 2粒径对STF 流变性能的影响
图4 不同SiO 2粒径STF 体系流变曲线(a)80nm, (b)250nm, (c)690nm
图4为PEG 分子量为200，SiO2质量分数为26%，粒径分别为80nm 、250nm 、690nm 时的STF 体系粘度随剪切速率变化的双对数曲线，即曲线a 、b 、c 。实验过程中发现，a 体系的质量分数最高能配制到26%，且此时其已不能很好的流动。由图可知，a 体系的起始粘度明显高于b 、c 体系，这可能是因为小粒径时，粒子靠的紧密，使得体系不易流动，从而表现为起始粘度较大。同时，相同质量分数下，a 体系发生了剪切增稠现象且粘度始终大于b 、c 体系，而对于大粒径的b 、c 体系，质量分数为26%，对其来说固含量相对较低，没有出现增稠现象，但b 体系的粘度始终高于c 体系。这是因为大粒径时，相同质量的SiO 2含有的粒子数少，使得增稠后形成的“粒子簇”也就少，还不足以发生增稠现象。如果体系都能出现剪切增稠现象，则临界剪切速率会随着粒径的减小而增大，这是因为小粒径时，要产生剪切增稠现象，需要更大的剪切速率才能生成“粒子簇”。
3、STF 在个体防护装备中的应用
近年来随着高性能纤维材料的发展，个体防护装甲也取得了长足进展，逐渐由原来的硬质、半硬质产品，发展到目前的软质产品。这种转变不仅减轻了装甲质量，而且改善了其舒适性。尽管如此，人们对于个体防护装甲的研究仍未停止，仍再不断寻求更加舒适与轻便的材料。近来，有关研究表明，给生产带来负面影响的剪切增稠液体（STF ），被用于浸渗高性能防护材料时，在不改变材料防弹和防刺性能的情况下，可显著提高防护装甲的舒适性，并进一步减轻装甲质量。
STF 在个体防护装甲上的应用始于2000年，美国特拉华州立大学合成物质研究中心与美国陆军研究试验室下属的“武器原料研究理事会”合作，拟通过STF 浸渗高性能纤维材料，来增加个体防护装甲的柔软性，并就此减轻装甲质量。他们先后提出了针对STF 和防护织物的研究要求。如①STF 中粒子的各向异性；粒子尺寸、粒子种类和粒子表面自由能与提高防护装甲能量吸收的关系。②防护织物中织物的结构、纤维的种类和细度。③ STF-织物复合材料中STF 加入的模式、STF 的加入量和织物铺层的先后顺序等[16]。
虽然国外关于STF 在个体防护装甲上的应用已开展了许多研究，并取得了一定成果。但其所用的STF 和纤维织物种类比较单一，而且对STF-纤维织物复合材料防护性能的机理研究比较浅显。有必要继续开展以下几方面的研究工作：①STF 中分散相粒子的种类、粒度分布及分散介质对液体流变特性的影响；②织物种类与结构对STF-纤维织物复合材料防护性能的影响；③STF 流变特性与STF-织物复合材料防护性能的关系。
参考文献：
[1] 庞娟. 纳米药水制造超级防弹衣[J]. 现代物理知识, 2008, 20(1): 51.
[2] 汤胜博, 孙建科, 常鹏北, 等. 纳米材料在防弹衣上的应用[J]. 材料开发与应
用,2009, 24(2): 60-61.
[3] Raghavan S R, Khan S A. Shear-thickening response of fumed silica suspensions
understeady and oscillatory shear[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1997, 185(1):57-67.
[4] Hoffman R L. Discontinuous and dilatant viscosity behavior in concentrated
suspensions. Ⅱ . Theory and experimental tests[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1974, 46(3): 491-506.
[5] Barnes H A. Shear-thickening („„dilatancy‟‟) in suspensions of nonaggregating
solid particles dispersed in Newtonian liquids[J]. J Rheol, 1989, 33(2): 329-366.
[6] 徐素鹏, 张玉芳. 剪切增稠液体在个体防护装甲上的应用进展[J]. 高科技纤
维与应用, 2008, 33(3): 40-42.
[7] 郑景新, 陈芳, 钟婷婷. 二氧化硅粒子在剪切增稠液体中的研究和应用进[J].
有机硅氟资讯, 2009, (9): 132-136.
[8] 莫小刚, 张春光, 刘尚营, 等. 低剪切速率下聚乙二醇/KCl/蒙脱土分散体系
的剪切稠化现象[J]. 化学学报, 2003, 61(1): 129-132.
[9] Hoffman R L. Explanations for the cause of shear thickening in concentrated
dispersions[J]. J Rheol, 1998, 42(1): 111-125.
[10] L ee Y S, Wetzel E D, Egres R G , et al. Advanced body armor utilizing shear
thickening fluids[R]. Orlando, FL: Proceedings of the 23rd Army science conference, 2002.
[11] E gres R G , Lee Y S, Kirkwood J E, et al. Novel flexible body armor utilizing
shear thickening fluid (STF) composites[C]. San Diego, CA: Proceedings of the 14th International conference on composite materials, 2003.
[12] W etzel E D, Wagner N J. Protective fabrics utilizing shear thickening fluids
(STFs)[R].Pittsburgh, PA: Proceedings of the 4th International conference on safety and protectivefabrics, 2004.
[13] 伍秋美, 阮建明, 黄伯云, 等. 低固相含量SiO2分散体系流变性研究[J]. 化
学学报, 2006, 64(15): 1543-1547.
[14] 赵金华. 剪切增稠流体的制备及其在软体防刺材料中的应用研究[D]. 哈尔
滨: 哈尔滨工业大学, 2009.
[15] 伍秋美, 阮建明, 周忠诚, 等. SiO 2/聚乙二醇非牛顿流体流变性能研究[J]. 物
理化学学报, 2006, 22(1): 48-52.
[16] L EEL Y S. Advanced body armor utilizing shear thickening fluids[Z]. 23rd
army science conference. Orlando, FL, 2002: 2-5.
剪切增稠液体研究现状
摘要：本文主要介绍了剪切增稠液体（STF ）的研究现状，并以常用的SiO 2/PEG体系为例，对STF 流变性能和应用作简单分析。
关键字：剪切增稠；STF ；SiO 2/PEG；流变；
1、前言
据英国GIZ 杂志报道，20世纪90年代中期，美国在“陆军研究实验室”（ARL ）Eric Wetzel博士和“特拉华州立大学合成物质研究中心”（UDTC ）Norman Wagner教授指导下，运用新型纳米技术成功地研制出了“剪切增稠液体”[1,2]（Shear Thickening Fluid，简称STF ）。STF 是一种新型功能材料，其在正常状态下是略微黏稠的液体，而当受冲击作用时，表观粘度会急剧增加，呈现出固体的抗冲击性能，当冲击力消失之后，又迅速回复到原来的柔性状态，由此可见，这种剪切增稠效应是一种非牛顿流体行为，并且此过程具有可逆性[3-5]。分散相粒子和分散介质共同组成了STF 体系，其中，分散相粒子可以分为两类：一是天然存在的矿物质；二是化学合成的聚合物，如二氧化硅和其它氧化物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA ）、碳酸钙等[6,7]，粒子可以是圆盘状、球体、椭圆体和粘土颗粒等形状，其以布朗运动、电荷作用、吸收表面活性剂等稳定分散在介质溶液中[2,6,7]，分散方式有单分散、双分散或多分散；而分散介质可以是水、有机物（乙醇、乙烯基乙醇或聚乙二醇）、盐溶液（缓冲液或氯化钠溶液等）等单一介质，也可以是多种介质的复配体。
2、国内外研究现状
对STF 的研究目前主要剪切增稠机理、有流变性能、应用研究三个方面。其中，关于前两个方面研究的文献较多，而对于其应用研究才刚起步，已报道的主要是在防震及防护领域上的应用：Fischer 等人应用STF 设计出三明治梁，达到控制振动响应的目的；美国Wagner 博士等人制备出STF-Kevlar 复合织物，不仅具有优异的防弹性能，同时显著地提高了材料的灵活性。
2.1、剪切增稠机理研究
尽管对于STF 体系的剪切增稠行为特点的研究历史已经不短，并一直受到许多学者的重视，但是由于实验手段等各方面的限制，对其了解仍不够深入。近年来，随着各种光学手段以及控制应力流变仪的应用，许多学者提出了一些机理，试图解释在剪切增稠区域所观察到的现象[8]。对于剪切增稠的微观机理，目前主要有两种说法：其一是最先由Whitlock 和Metzner 提出，并由 Hoffman 证实的ODT 机理[6,9]（有序到无序），即体系受到较小外力作用时，粒子的有序程度得到了提高，出现剪切变稀行为，而当外力更大时，有序结构被破坏，则会出现剪切增稠现象[1,7]；其二是Bossis 和Brady 基于Stokesian 动力学模拟而提出的“粒子
簇”理论[10-12]，即剪切变稀是由于连续的空间网络结构被破坏，而剪切增稠是由于体系中形成“粒子簇”，体系粘度增大，从而出现了增稠现象。
对于SiO 2/PEG体系中剪切变稀和剪切增稠的现象，伍秋美等[13]认为用“粒子簇”机理解释更为合理。即剪切作用较小时，受到破坏的空间网络结构在粒子间作用力下能很快得到恢复，因此粘度基本不变；随着剪切作用的增大，当受到破坏的空间网络结构不能在粒子间作用力下得到修复时，体系粘度开始下降；随着剪切作用的进一步增大，空间网络结构受到越来越大程度的破坏，使得粘度继续减小，当达到某个临界点时，流体作用力成为体系中主要作用力，由此生成了“粒子簇”，随后随着流体作用力的增大，“粒子簇”变大，其对流体的阻碍作用也随之变大，因此流体的粘度增大[14]。
2.2、STF 流变性能
2.2.1、流变性能分析
图1 690nm SiO2/PEG-200体系流变曲线
图1为ω(SiO2)=时SiO 2/PEG-200分散体系的稳态剪切增稠流变图。从图中可以看出，随着剪切应力的增大，粘度起初下降不明显，之后随剪切力增大而明显下降，到转折点b （临界剪切速率）之后，粘度随着剪切力的增大急剧增大。可以看出该体系属于复杂的非牛顿流体。
2.2.2、浓度对稳态流变性能的影响
由图2可知，STF 临界剪切速率随着浓度的增加而减小。同时也可以看出，随着浓度的增加，体系的起始粘度和最大粘度都会增加，但增加幅度有所区别，前者增加较为平缓，而后者增加比较迅速，并远远大于前者，体系出现明显的增稠现象。由此推论，SiO 2质量分数越大，体系粘度越大，且增稠现象越明显。形
成这一规律的主要原因是：体系中固液间的作用力随着固体粒子的增加而得到了增强，粘度增加，从而使得形成的“粒子簇”也更多或更大，对体系流动阻力也就增加，所以增稠效果就越明显[15]。
图2 690nm SiO2/PEG-200体系流变曲线(a)45%, (b50%, (c)55%
2.2.3、PEG 分子量对STF 流变性能的影响
图3 PEG不同分子量STF 流变性能曲线(a)200, (b)400, (c)600
图3为 SiO2粒径为690nm ，PEG 分子量分别为200、400、600时的STF 粘度随剪切速率变化的双对数曲线，即曲线a 、b 、c ，其中SiO 2质量分数均为45%。由图可知，随着剪切速率的增大，体系粘度先减小，过了临界点后又增大，三条曲线变化趋势基本一致，但c 体系在临界剪切速率后粘度的增加趋势不如a 和b 体系，且在此过程中，b 体系的粘度甚至超过了c 体系。同时可以看出，随着PEG
分子量的增加，临界剪切速率减小，起始粘度和最大粘度增加，但c 体系最大粘度并没有比起始粘度增加很多，增稠效果不如a 、b 体系。这是因为体系中含有的SiO 2量是一样的，对于PEG 而言，由其分子式可知，-OH 基团只位于长链分子的两端，则随着分子量增大，分子链增长，相同质量的PEG 中含有的羟基减少，则与二氧化硅团聚体形成的氢键数也减少，这样固液间的作用力弱，只需要较小的流体作用力，就能使SiO 2摆脱液相束缚参与到“粒子簇”的生成，因此，其临界剪切速率随着PEG 分子量的增大而减小。但对于c 体系来说，由于PEG 分子量更大，分子链也更长，则形成的氢键数也更少，形成相对孤立SiO 2团聚体也就更多，当流体作用力在体系中成为主要作用力时，太多的SiO 2团聚体削弱了流体作用力，导致体系中二次团聚形成的“粒子簇”数量减少，所以其增稠效果不是很好。
2.2.4、SiO 2粒径对STF 流变性能的影响
图4 不同SiO 2粒径STF 体系流变曲线(a)80nm, (b)250nm, (c)690nm
图4为PEG 分子量为200，SiO2质量分数为26%，粒径分别为80nm 、250nm 、690nm 时的STF 体系粘度随剪切速率变化的双对数曲线，即曲线a 、b 、c 。实验过程中发现，a 体系的质量分数最高能配制到26%，且此时其已不能很好的流动。由图可知，a 体系的起始粘度明显高于b 、c 体系，这可能是因为小粒径时，粒子靠的紧密，使得体系不易流动，从而表现为起始粘度较大。同时，相同质量分数下，a 体系发生了剪切增稠现象且粘度始终大于b 、c 体系，而对于大粒径的b 、c 体系，质量分数为26%，对其来说固含量相对较低，没有出现增稠现象，但b 体系的粘度始终高于c 体系。这是因为大粒径时，相同质量的SiO 2含有的粒子数少，使得增稠后形成的“粒子簇”也就少，还不足以发生增稠现象。如果体系都能出现剪切增稠现象，则临界剪切速率会随着粒径的减小而增大，这是因为小粒径时，要产生剪切增稠现象，需要更大的剪切速率才能生成“粒子簇”。
3、STF 在个体防护装备中的应用
近年来随着高性能纤维材料的发展，个体防护装甲也取得了长足进展，逐渐由原来的硬质、半硬质产品，发展到目前的软质产品。这种转变不仅减轻了装甲质量，而且改善了其舒适性。尽管如此，人们对于个体防护装甲的研究仍未停止，仍再不断寻求更加舒适与轻便的材料。近来，有关研究表明，给生产带来负面影响的剪切增稠液体（STF ），被用于浸渗高性能防护材料时，在不改变材料防弹和防刺性能的情况下，可显著提高防护装甲的舒适性，并进一步减轻装甲质量。
STF 在个体防护装甲上的应用始于2000年，美国特拉华州立大学合成物质研究中心与美国陆军研究试验室下属的“武器原料研究理事会”合作，拟通过STF 浸渗高性能纤维材料，来增加个体防护装甲的柔软性，并就此减轻装甲质量。他们先后提出了针对STF 和防护织物的研究要求。如①STF 中粒子的各向异性；粒子尺寸、粒子种类和粒子表面自由能与提高防护装甲能量吸收的关系。②防护织物中织物的结构、纤维的种类和细度。③ STF-织物复合材料中STF 加入的模式、STF 的加入量和织物铺层的先后顺序等[16]。
虽然国外关于STF 在个体防护装甲上的应用已开展了许多研究，并取得了一定成果。但其所用的STF 和纤维织物种类比较单一，而且对STF-纤维织物复合材料防护性能的机理研究比较浅显。有必要继续开展以下几方面的研究工作：①STF 中分散相粒子的种类、粒度分布及分散介质对液体流变特性的影响；②织物种类与结构对STF-纤维织物复合材料防护性能的影响；③STF 流变特性与STF-织物复合材料防护性能的关系。
参考文献：
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[8] 莫小刚, 张春光, 刘尚营, 等. 低剪切速率下聚乙二醇/KCl/蒙脱土分散体系
的剪切稠化现象[J]. 化学学报, 2003, 61(1): 129-132.
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[11] E gres R G , Lee Y S, Kirkwood J E, et al. Novel flexible body armor utilizing
shear thickening fluid (STF) composites[C]. San Diego, CA: Proceedings of the 14th International conference on composite materials, 2003.
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[13] 伍秋美, 阮建明, 黄伯云, 等. 低固相含量SiO2分散体系流变性研究[J]. 化
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[14] 赵金华. 剪切增稠流体的制备及其在软体防刺材料中的应用研究[D]. 哈尔
滨: 哈尔滨工业大学, 2009.
[15] 伍秋美, 阮建明, 周忠诚, 等. SiO 2/聚乙二醇非牛顿流体流变性能研究[J]. 物
理化学学报, 2006, 22(1): 48-52.
[16] L EEL Y S. Advanced body armor utilizing shear thickening fluids[Z]. 23rd
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