高危从业人员新型STF防刺服性能机理探讨

　　我国防刺服的研究和应用前景广阔，当今的防刺服主要有质重、体积大、不灵活等缺点，因此，研制出防护能力和灵活性兼具的防刺服是新时期防刺材料的发展目标和方向。具有剪切增稠行为的非牛顿流体STF，在生产中通常会产生诸如阻碍输送管道、破坏生产设备等这些不利的影响，这是由于其具有不可逆絮凝、粒子团聚等特点引起的。因此，人们一方面为减少负面影响而研究如何降低STF粘度，另一方面也在研究如何利用STF的这种增稠性能化害为利，来为生产服务，如设计阻尼控制设备、用于减震等领域、研究最新的防弹材料或其它防护设备等。本文制备出具有剪切增稠行为的STF，并用其处理传统防护材料UHMWPE及Kevlar纤维织物，以制备出防护性能和灵活性兼备的新型柔性防刺服。

　　1.剪切增稠液体(STF)

　　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)EricWetzel博士和“特拉华州立大学合成物质研究中心”(UDTC)NormanWagner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”(ShearThickeningFluid，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。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，粒子可以是圆盘状、球体、椭圆体和粘土颗粒等形状，以其布朗运动、电荷作用、吸收表面活性剂等稳定分散在介质溶液中，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.STF流变性能和机理分析

　　对STF的研究目前主要有流变性能、剪切增稠机理、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 STF流变性能概述

　　一般认为，具有剪切增稠现象的体系通常是固/液分散体系，如：SiO2分散在聚乙二醇、水、聚丙二醇(polypropyleneglycol:PPG)以及四氢糠醇(HTFFA)等溶液中;经表面修饰后的聚合物-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)分散在折射指数相近的有机溶剂中。

　　STF的流变性能研究主要包括两个方面：稳态和动态。Kalman等研究了PMMA/PEG体系的流变性能，和SiO2/PEG体系一样，该体系会有剪切变稀和剪切增稠现象，但当剪切速率继续增加时，其还会出现一段剪切变稀现象，这可能是因为PMMA粒子比较软，在高剪切速率下软化的表现，该研究表明粒子种类对STF流变性有一定的影响。Wetzel等研究了CaCO3/PEG体系的流变性能，其中CaCO3为不同长径比的椭圆形粒子，研究发现随着长径比的增加STF出现剪切增稠现象时的浓度减小，说明了粒子形状也是影响STF流变性能的因素之一。

　　分散介质作为STF的另一重要组成部分，如乙二醇(EG)、聚乙二醇(PEG)、丙二醇(PG)、丁二醇(BG)、H2O等是目前STF体系常用的分散介质，其也是影响体系流变性能的重要因素。伍秋美等用应力控制流变仪探讨了以SiO2为分散相粒子，EG、PG、BG为分散介质制得的不同STF体系的流变性能，结果表明各体系都具有可逆的剪切变稀和剪切增稠现象，同时发现随分散介质粘度的增加，体系临界剪切应力减小。伍秋美等还比较了分散介质为甘油(GL)和PEG时STF体系的流变性能，实验发现GL体系的临界剪切应力小于PEG体系。

　　STF体系出现剪切增稠现象的一个重要条件是分散相粒子体积分数足够大。Kalman等研究了不同体积分数时PMMA/PEG200体系的流变性能，当体系体积分数较低时，增稠现象不明显，随着体积分数的增加，增稠效果越来越显著，临界剪切速率减小，增稠后的最高粘度增大。LEE等研究了不同体积分数时SiO2/PEG200体系的稳态流变性能，同样出现了随着体积分数增加，临界剪切速率减小的规律，且剪切速率较高时，体积分数大的体系粘度增加的更快更大，说明流变性能受分散相粒子含量影响较大。

　　温度对STF体系的流变性能也存在着一定的影响。J.Lee等研究Si02/四氢糠醇体系时发现，其临界剪切速率随着温度的升高而增加。伍秋美等探讨了在温度分别为10℃、20℃、30℃、40℃时STF体系的稳态流变性能，研究发现体系的流变曲线随着温度的升高而呈现出整体下移的趋势。