分散相和分散介质对剪切增稠胶动态力学性能影响研究

黄俊驰，于国军，刘雅林，周杰

(江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013)

剪切增稠材料一般由分散相和分散介质组成，其一般包括剪切增稠液(STF)和剪切增稠胶(STG)两大类材料[1-4]。由于剪切增稠材料力学性能的高度非线性，其在抗冲减振、人体防护等方面具有应用前景[5-11]。近年来，国内外的研究多集中在STF上，STG的研究相对较少。

STF由于其液体的特质，在实际应用中存在易泄露、易流失、悬浮液体系不稳定等问题。针对这些问题，人们研制出了具有稳定性好、易于封装等优点的STG。蔡亮[12]研究了剪切增稠胶剪切作用下的流变性能。

本文研制出了一种STG的制备方法，分析和研究分散相(纳米二氧化硅)的质量分数、分散介质(硅油)粘度对剪切增稠胶剪切增稠行为及动态力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

纳米二氧化硅(≤100 nm)、硼酸、硅油、油酸均为分析纯。

HTP312电子秤；SN-JJ-1型恒速搅拌器；101-3A型真空干燥箱；MCR302型旋转流变仪。

1.2 STG的制备

分别称取一定质量的纳米二氧化硅、硼酸放入烧杯中并用恒速搅拌器搅拌10 min，使纳米二氧化硅和硼酸充分混合。再称取一定质量的硅油放入烧杯中并搅拌10 min，使其搅拌混合均匀得到悬浮分散体系。将烧杯放入真空干燥箱中，以220 ℃的高温加热5 h。冷却至室温，取出分散体系，用研磨棒手工研磨15 min。研磨至一个整体后加入适量的增塑剂油酸，充分混合，即得到STG。

1.3 STG的动态力学测试

用旋转流变仪对剪切增稠胶的动态力学进行测试，利用旋转流变仪的振荡剪切模式，测试不同材料制备的STG在角频率扫描下剪切储能模量、阻尼因子随角频率的变化规律。

动态力学测试温度为25 ℃、应变为10%，角频率范围为0.1～100 rad/s，对不同工况下制备的STG样品的剪切储能模量(G′)和阻尼因子进行测试，得出剪切储能模量(G′)和阻尼因子与角频率的关系(表1)。

表1 制备STG的不同工况

2 结果与讨论

2.1 STG动态力学性能研究

剪切储能模量反映了单个旋转周期内STG形变能量的存储和释放，是其弹性性能的表征；阻尼因子表示振动周期内STG损耗能量与最大剪切储能模量的比值，是其能量消耗和阻尼性能的评价指标。

2.1.1 剪切储能模量 图1为由不同粘度硅油制备的STG在不同角频率扫描下，STG的剪切储能模量随角频率变化关系。

图1 STG-1～STG-3剪切储能模量与激励角频率关系曲线

由图1可知，随着角频率的增大，STG的剪切储能模量呈增大趋势。在角频率较低时，STG的剪切储能模量随着角频率的增大，呈急剧增大趋势。随着角频率增大到较大时，STG的剪切储能模量增大趋势变缓。由此可得，低角频率对STG剪切储能模量影响较大，高角频率对STG剪切储能模量影响相对较小。在不同角频率下，STG的剪切储能模量都随着角频率的变化而变化，体现出STG的速率敏感特性。STG-1、STG-2、STG-3初始剪切储能模量为1 120，702，1 240 Pa，最大剪切储能模量为363 000，387 000，424 000 Pa。

为比较各剪切增稠胶样品的剪切变硬程度，定义相对剪切硬化效应(RSTe)和绝对剪切硬化效应(ASTe)作为衡量剪切增稠胶性能的指标，具体如下式所示。

表2是图1中各关系曲线根据式(1)计算得出的结果。

表2 STG-1～STG-3的和RSTe

由表2可知，二甲基硅油粘度为500 cst的STG-2，其相对剪切增稠效应远远大于STG-1、STG-3。随着二甲基硅油粘度的提高，STG的最大剪切模量也得到提高。绝对剪切硬化效应的大小与二甲基硅油粘度呈正比关系。STG-2的初始剪切储能模量最低，从而其相对剪切增稠效应最大。STG-2的最大剪切储能模量至初始储能模量变化达三个数量级。

2.1.2 阻尼因子 粘性阻尼材料是靠其内耗来实现振动能的消耗。一定范围内，阻尼性能越高，内耗越大。阻尼因子是表征材料内耗大小的参数，阻尼因子越大。内耗越大。图2为不同粘度硅油制备的STG在不同角频率扫描下，STG的阻尼因子随角频率变化关系。

图2 STG-1～STG-3阻尼因子与激励角频率的关系曲线

由图2可知，随着角频率的增大，STG的阻尼因子呈减小趋势。在低角频率时，随着角频率的增大，STG的阻尼因子急剧减小。在角频率为40 rad/s时，STG的阻尼因子变化趋于平缓。对三组关系曲线分析可得，STG-2的阻尼性能较优。

根据STG的剪切硬化效应和阻尼性能对比分析，可得二甲基硅油粘度为500 cst时制备的STG效果最好。

2.2 分散相质量分数对STG动态力学性能影响

2.2.1 STG的剪切储能模量随角频率变化 为研究分散相质量分数对STG动态力学性能影响，分别用不同质量分数的纳米二氧化硅制备了STG-4、STG-5、STG-6、STG-7。

图3为用不同质量分数的纳米二氧化硅制备的STG在不同角频率扫描下，STG的剪切储能模量随角频率变化关系。

图3 STG-4～STG-7剪切储能模量与激励角频率关系曲线

由图3可知，纳米二氧化硅质量分数最高的样本STG-4在角频率的激励下，剪切储能模量上升趋平缓，无急剧增大趋势。其余三组样品在低角频率时，随着角频率的增大，剪切储能模量急剧增大；在高角频率阶段，随着角频率的增大，剪切储能模量增大趋缓。STG-5、STG-6、STG-7三组样品的率敏特性较好。同一频率时，STG-5、STG-6、STG-7三组样品纳米二氧化硅质量分数越大，剪切储能模量越大。

表3是图3中各关系曲线根据式(1)计算得出的结果。

表3 STG-4～STG-7的和RSTe

由表3中样品STG-5、STG-6、STG-7可得，在一定范围内，分散相纳米二氧化硅的质量分数越高，STG的初始储能模量越小，其相对剪切硬化效应越大；分散相纳米二氧化硅的质量分数越小，STG的初始储能模量越大，越有利于材料的绝对剪切硬化效应。随着分散相纳米二氧化硅的质量分数越高，分散介质二甲基硅油的质量分数相应越低，从而STG的初始剪切模量越低。样品STG-5的剪切储能模量变化达3个数量级。样品STG-4的纳米二氧化硅的质量分数最高，但其初始储能模量最大，相对剪切硬化效应最小，其剪切硬化效应较差。

2.2.2 STG的阻尼因子随角频率变化 图4为用不同质量分数的纳米二氧化硅制备的STG在不同角频率扫描下，STG的阻尼因子随角频率变化关系。

图4 STG-4～STG-7阻尼因子与激励角频率关系曲线

由图4可知，STG-4的阻尼因子随角频率的增大，先增大再减小，其在低角频率的激励下阻尼因子较小。结合表2和图4可得，STG-4剪切增稠作用较差。样品STG-4的纳米二氧化硅质量分数较高，但其剪切增稠效应差、阻尼性能差。从物理角度分析，纳米二氧化硅其颗粒直径为纳米级，纳米颗粒表面能大，纳米粒子极易因此发生团聚现象，从而与聚合物的相容性较差。纳米粒子发生团聚，则无法均匀地分散到二甲基硅油中。STG-4的纳米二氧化硅质量分数较高，纳米粒子在二甲基硅油中发生团聚的概率增加，导致纳米二氧化硅在二甲基硅油中分散不均匀，影响了STG的剪切效应及阻尼性能。

其余三组样品的阻尼因子随角频率的增大急剧减小，角频率在40 rad/s左右时，阻尼因子趋于平缓。分散相纳米二氧化硅的质量分数越大，其阻尼因子越大，样品的阻尼性能越优。可见STG-5阻尼性能较优。在一定范围内，STG的剪切增稠效应和阻尼性能随分散相纳米二氧化硅的质量分数增大而增大。

随着二甲基硅油的质量分数提高，纳米粒子团聚现象减少，STG的剪切效应和阻尼性能呈规律性变化。在一定范围内，纳米二氧化硅质量分数的提高，STG的剪切增稠效应和阻尼性能会随之提高。这是因为随着纳米颗粒的增多，不同颗粒之间的碰撞概率增大，层状结构中颗粒与颗粒的碰撞增多，层状结构更加不稳定，STG的剪切增稠效应和阻尼性能会随之较优。

3 结论

本文制备了7种工况的剪切增稠胶，其中3种基于不同粘度的分散介质二甲基硅油(350，500，1 000 cst)。另外4种基于不同质量分数的分散相纳米二氧化硅(质量分数分别为 9.09%，8.33%，8.00%，7.77%)。通过旋转流变仪测试7个样品的动态力学性能，分析分散介质和分散相对STG动态力学性能的影响。

(1)角频率的激励下，STG呈现出明显的速率敏感特性。低角频率阶段，随着角频率的变化，STG的剪切储能模量和阻尼因子变化急剧，STG剪切增稠效应较大。高角频率阶段，随着角频率的变化，STG的剪切储能模量和阻尼因子变化趋缓，STG剪切增稠效应较小。

(2)在动态力学测试中，基于不同粘度的分散介质二甲基硅油制备成的STG表现出了不同程度较好的剪切增稠效应和阻尼性能，其中二甲基硅油粘度为500 cst的样品效果较优。

(3)从4种基于不同质量分数的分散相纳米二氧化硅制备的STG动态力学测试结果得，分散相质量分数在一定的范围内(纳米二氧化硅质量分数不高于8.33%)提高有利于提高STG的剪切增稠效应和阻尼性能。反之，则对STG的剪切增稠效应和阻尼性能有负面影响。

(4)本文研究了分散相和分散介质对STG性能的影响，在STG材料制备以及配合比设计这两个方面提供了理论依据。

(5)将STG与高性能纤维复合，运用于工程抗震领域具有很好的前景，需进一步研究。