STF/高性能纤维柔性防护材料的制备及其浸渍工艺与防刺性能的研究(2)
1.2 实验原理
1.2.1 STF简介
STF是在正常状态下呈现略微黏稠状的液体，在受到冲击时，内部颗粒运动形成粒子簇，阻碍相互运动，流体粘度急剧上升，颗粒的运动和摩擦吸收冲击能量，呈现出类固体的抗冲击性能，当冲击力消失之后，又快速回复到原来的柔性状态。因而，这种剪切增稠效应是一种非牛顿流体行为，而且这个过程具有可逆性[2,3]。STF体系由分散相粒子和分散介质共同组成，其中，分散相粒子可以分为两类：一是天然存在的物质；二是人工合成的聚合物，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[4,5]，粒子可以是圆盘状、球体、椭圆体和粘土颗粒等形状，它们通过电荷作用、吸收表面活性剂、布朗运动等单分散、双分散或多分散稳定分散在介质溶液中[4,5,6]；而分散介质可以是水、有机物（甲醇、乙醇或聚乙二醇）、盐溶液（氯化钠溶液等）等单一介质，也可以是多种介质复配在一起的介质溶液。
1.2.2 剪切增稠机理
目前对于剪切增稠的微观机理主要有两种说法：一种是由Whitlock和Metzner最先提出，并由 Hoffman 证实的ODT机理[4,7]（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[1,5]；其二是Bossis和Brady基于Stokesian动力学模拟而提出的“粒子簇”理论[8,9]，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。
粒子从有序到无序转变机理的主要特征为：由于粒子间斥力作用，粒子是有序排列的，在低剪切速率下，有序程度提高，使得体系粘度下降，随着剪切应力的增大，作用在粒子上的流体作用力也增大，到达临界点时，流体作用力成为主要的作用力，粒子间的有序结构受到破坏，变成无序结构，使得体系粘度增大。
对于SiO2/PEG体系中剪切变稀和剪切增稠的现象，伍秋美等[10]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[11]。
1.3 制备方法
1.3.1 分散相的研制
由于二氧化硅性质稳定，粒径小（纳米级），粒径分布均匀集中，硬度高且无毒，实验中一般采用二氧化硅作为分散相。
图1.二氧化硅的扫描电子显微镜图像
在放有磁子的烧杯中，依次加入一定量的无水乙醇，25%的浓氨水，和去离子水水。然后调节磁力搅拌器到适当转速直至充分混合，再将一定量的正硅酸乙酯(TEOS)利用玻璃棒快速加入到烧杯中，反应4h后，正硅酸乙酯在氨水催化作用下经过水解缩合反应形成SiO2晶核。采用晶核持续生长法，向种子乳液中匀速加入一定量的正硅酸乙酯，反应几分钟后，再滴加一定量的去离子水，反应8h，让SiO2晶核不断长大，得到具有一定粒径大小且粒径分布均匀的二氧化硅颗粒悬浮液[12]。
上一篇：海藻酸水凝胶微球的制备及性能研究