触变性溶胶也叫切力增稠流体,由分散相粒子和液体分散介质组成。正如标题所写,它具有 “遇刚则刚,遇柔则柔”的特性。分散相粒子和液体分散介质之间存在明显的氢键作用。当流体受到高剪切乳化机高速剪切时,其粘度会突然骤增,甚至从液态转变为固态或类固态物质;外力撤去后,又迅速恢复为液态,呈现为可逆的非牛顿流体行为。
一、制备
以nano-SiO2作为分散相,聚丙二醇(PPG400,PPG600),作为分散介质,将两者机械共混后制成剪切增稠流体(PPG-STF)。
首先称取一定质量的液体分散介质(PPG或PEG)和nano-SiO2,在高剪切乳化机的强烈剪切下将nano-SiO2缓慢加入到分散介质中,直至其均勻分散于液体中为止。然后将混合试样用超声波发生器振荡1h以驱除液体中的气泡,并使得分散相在分散介质中的分散更均匀,得到STF样品。
二、结构
采用倒置显微镜观察样品的分散状态。
图中为含10%的SiO2的PPG600-STF倒置显微镜图。从图中可以看出,STF中均勻分布着一些相对孤立的团聚体,粒径大小在10~30um,而图中左上角的团聚体密度明显大于其它部分,说明样品受到高剪切乳化机外力的作用而形成了“粒子簇”。
三、性能
含10%的SiO2的PPG600-STF的粘度曲线如图所示。由上行曲线可知:当STF受到外界较小的高剪切乳化机剪切作用时,STF粘度下降;当外力的高剪切乳化机剪切速率超过临界值时,粘度随着高剪切乳化机剪切速率的增加而变大。由下行曲线可知:随着高剪切乳化机剪切速率的下降,流体的粘度也逐渐减小,最后回到原点处。
然而两条曲线并不重合,其原因是当高剪切乳化机剪切力减小时,由于时间过短,流体的恢复程度无法跟上高剪切乳化机的剪切速率的变化,因此粘度出现了轻微的降低。由此可见这种“粒子簇”是不稳定的,当作用于STF的剪切或冲击消失后,“粒子簇”又能够逐渐解离,与极性液体重新形成网状结构,流体又回复到易于流动的液态。即这种高剪切乳化机剪切增稠现象具有可逆性。
四、应用
切力增稠流体能够用于个体防护领域是由于切力增稠流体在受到刀、刺等物件的冲击时能够粘度迅速变大,流体变成固体,起到防护的作用。通常,切力增稠流体固化后的屈服应力在 10KPa 左右。将切力增稠流体与芳纶机织布等材料复合得到的防护装备具有结构简单,易于制备的特点。
从某种程度而言 “切力增稠”本身就属于一种智能材料。这种防护材料与汽车安全带、安全气囊的激发原理类似,具有 “遇刚则刚,遇柔则柔”的特性。而且该材料在防割、防刺性能均优于传统材料,也使得切力增稠流体材料更具安全性和便捷性,从而使其作为一种防护材料成为了可能。