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        分散相和分散介質(zhì)對剪切增稠膠動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響研究

        2021-10-18 12:20:52黃俊馳于國軍劉雅林周杰
        應(yīng)用化工 2021年9期
        關(guān)鍵詞:角頻率硅油二氧化硅

        黃俊馳,于國軍,劉雅林,周杰

        (江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

        剪切增稠材料一般由分散相和分散介質(zhì)組成,其一般包括剪切增稠液(STF)和剪切增稠膠(STG)兩大類材料[1-4]。由于剪切增稠材料力學(xué)性能的高度非線性,其在抗沖減振、人體防護(hù)等方面具有應(yīng)用前景[5-11]。近年來,國內(nèi)外的研究多集中在STF上,STG的研究相對較少。

        STF由于其液體的特質(zhì),在實(shí)際應(yīng)用中存在易泄露、易流失、懸浮液體系不穩(wěn)定等問題。針對這些問題,人們研制出了具有穩(wěn)定性好、易于封裝等優(yōu)點(diǎn)的STG。蔡亮[12]研究了剪切增稠膠剪切作用下的流變性能。

        本文研制出了一種STG的制備方法,分析和研究分散相(納米二氧化硅)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、分散介質(zhì)(硅油)粘度對剪切增稠膠剪切增稠行為及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 試劑與儀器

        納米二氧化硅(≤100 nm)、硼酸、硅油、油酸均為分析純。

        HTP312電子秤;SN-JJ-1型恒速攪拌器;101-3A型真空干燥箱;MCR302型旋轉(zhuǎn)流變儀。

        1.2 STG的制備

        分別稱取一定質(zhì)量的納米二氧化硅、硼酸放入燒杯中并用恒速攪拌器攪拌10 min,使納米二氧化硅和硼酸充分混合。再稱取一定質(zhì)量的硅油放入燒杯中并攪拌10 min,使其攪拌混合均勻得到懸浮分散體系。將燒杯放入真空干燥箱中,以220 ℃的高溫加熱5 h。冷卻至室溫,取出分散體系,用研磨棒手工研磨15 min。研磨至一個(gè)整體后加入適量的增塑劑油酸,充分混合,即得到STG。

        1.3 STG的動(dòng)態(tài)力學(xué)測試

        用旋轉(zhuǎn)流變儀對剪切增稠膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)進(jìn)行測試,利用旋轉(zhuǎn)流變儀的振蕩剪切模式,測試不同材料制備的STG在角頻率掃描下剪切儲(chǔ)能模量、阻尼因子隨角頻率的變化規(guī)律。

        動(dòng)態(tài)力學(xué)測試溫度為25 ℃、應(yīng)變?yōu)?0%,角頻率范圍為0.1~100 rad/s,對不同工況下制備的STG樣品的剪切儲(chǔ)能模量(G′)和阻尼因子進(jìn)行測試,得出剪切儲(chǔ)能模量(G′)和阻尼因子與角頻率的關(guān)系(表1)。

        表1 制備STG的不同工況

        2 結(jié)果與討論

        2.1 STG動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

        剪切儲(chǔ)能模量反映了單個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)STG形變能量的存儲(chǔ)和釋放,是其彈性性能的表征;阻尼因子表示振動(dòng)周期內(nèi)STG損耗能量與最大剪切儲(chǔ)能模量的比值,是其能量消耗和阻尼性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

        2.1.1 剪切儲(chǔ)能模量 圖1為由不同粘度硅油制備的STG在不同角頻率掃描下,STG的剪切儲(chǔ)能模量隨角頻率變化關(guān)系。

        圖1 STG-1~STG-3剪切儲(chǔ)能模量與激勵(lì)角頻率關(guān)系曲線

        由圖1可知,隨著角頻率的增大,STG的剪切儲(chǔ)能模量呈增大趨勢。在角頻率較低時(shí),STG的剪切儲(chǔ)能模量隨著角頻率的增大,呈急劇增大趨勢。隨著角頻率增大到較大時(shí),STG的剪切儲(chǔ)能模量增大趨勢變緩。由此可得,低角頻率對STG剪切儲(chǔ)能模量影響較大,高角頻率對STG剪切儲(chǔ)能模量影響相對較小。在不同角頻率下,STG的剪切儲(chǔ)能模量都隨著角頻率的變化而變化,體現(xiàn)出STG的速率敏感特性。STG-1、STG-2、STG-3初始剪切儲(chǔ)能模量為1 120,702,1 240 Pa,最大剪切儲(chǔ)能模量為363 000,387 000,424 000 Pa。

        為比較各剪切增稠膠樣品的剪切變硬程度,定義相對剪切硬化效應(yīng)(RSTe)和絕對剪切硬化效應(yīng)(ASTe)作為衡量剪切增稠膠性能的指標(biāo),具體如下式所示。

        表2是圖1中各關(guān)系曲線根據(jù)式(1)計(jì)算得出的結(jié)果。

        表2 STG-1~STG-3的和RSTe

        由表2可知,二甲基硅油粘度為500 cst的STG-2,其相對剪切增稠效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于STG-1、STG-3。隨著二甲基硅油粘度的提高,STG的最大剪切模量也得到提高。絕對剪切硬化效應(yīng)的大小與二甲基硅油粘度呈正比關(guān)系。STG-2的初始剪切儲(chǔ)能模量最低,從而其相對剪切增稠效應(yīng)最大。STG-2的最大剪切儲(chǔ)能模量至初始儲(chǔ)能模量變化達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)。

        2.1.2 阻尼因子 粘性阻尼材料是靠其內(nèi)耗來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能的消耗。一定范圍內(nèi),阻尼性能越高,內(nèi)耗越大。阻尼因子是表征材料內(nèi)耗大小的參數(shù),阻尼因子越大。內(nèi)耗越大。圖2為不同粘度硅油制備的STG在不同角頻率掃描下,STG的阻尼因子隨角頻率變化關(guān)系。

        圖2 STG-1~STG-3阻尼因子與激勵(lì)角頻率的關(guān)系曲線

        由圖2可知,隨著角頻率的增大,STG的阻尼因子呈減小趨勢。在低角頻率時(shí),隨著角頻率的增大,STG的阻尼因子急劇減小。在角頻率為40 rad/s時(shí),STG的阻尼因子變化趨于平緩。對三組關(guān)系曲線分析可得,STG-2的阻尼性能較優(yōu)。

        根據(jù)STG的剪切硬化效應(yīng)和阻尼性能對比分析,可得二甲基硅油粘度為500 cst時(shí)制備的STG效果最好。

        2.2 分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)對STG動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響

        2.2.1 STG的剪切儲(chǔ)能模量隨角頻率變化 為研究分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)對STG動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響,分別用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米二氧化硅制備了STG-4、STG-5、STG-6、STG-7。

        圖3為用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米二氧化硅制備的STG在不同角頻率掃描下,STG的剪切儲(chǔ)能模量隨角頻率變化關(guān)系。

        圖3 STG-4~STG-7剪切儲(chǔ)能模量與激勵(lì)角頻率關(guān)系曲線

        由圖3可知,納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的樣本STG-4在角頻率的激勵(lì)下,剪切儲(chǔ)能模量上升趨平緩,無急劇增大趨勢。其余三組樣品在低角頻率時(shí),隨著角頻率的增大,剪切儲(chǔ)能模量急劇增大;在高角頻率階段,隨著角頻率的增大,剪切儲(chǔ)能模量增大趨緩。STG-5、STG-6、STG-7三組樣品的率敏特性較好。同一頻率時(shí),STG-5、STG-6、STG-7三組樣品納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,剪切儲(chǔ)能模量越大。

        表3是圖3中各關(guān)系曲線根據(jù)式(1)計(jì)算得出的結(jié)果。

        表3 STG-4~STG-7的和RSTe

        由表3中樣品STG-5、STG-6、STG-7可得,在一定范圍內(nèi),分散相納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,STG的初始儲(chǔ)能模量越小,其相對剪切硬化效應(yīng)越大;分散相納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小,STG的初始儲(chǔ)能模量越大,越有利于材料的絕對剪切硬化效應(yīng)。隨著分散相納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,分散介質(zhì)二甲基硅油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)越低,從而STG的初始剪切模量越低。樣品STG-5的剪切儲(chǔ)能模量變化達(dá)3個(gè)數(shù)量級(jí)。樣品STG-4的納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,但其初始儲(chǔ)能模量最大,相對剪切硬化效應(yīng)最小,其剪切硬化效應(yīng)較差。

        2.2.2 STG的阻尼因子隨角頻率變化 圖4為用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米二氧化硅制備的STG在不同角頻率掃描下,STG的阻尼因子隨角頻率變化關(guān)系。

        圖4 STG-4~STG-7阻尼因子與激勵(lì)角頻率關(guān)系曲線

        由圖4可知,STG-4的阻尼因子隨角頻率的增大,先增大再減小,其在低角頻率的激勵(lì)下阻尼因子較小。結(jié)合表2和圖4可得,STG-4剪切增稠作用較差。樣品STG-4的納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,但其剪切增稠效應(yīng)差、阻尼性能差。從物理角度分析,納米二氧化硅其顆粒直徑為納米級(jí),納米顆粒表面能大,納米粒子極易因此發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,從而與聚合物的相容性較差。納米粒子發(fā)生團(tuán)聚,則無法均勻地分散到二甲基硅油中。STG-4的納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,納米粒子在二甲基硅油中發(fā)生團(tuán)聚的概率增加,導(dǎo)致納米二氧化硅在二甲基硅油中分散不均勻,影響了STG的剪切效應(yīng)及阻尼性能。

        其余三組樣品的阻尼因子隨角頻率的增大急劇減小,角頻率在40 rad/s左右時(shí),阻尼因子趨于平緩。分散相納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,其阻尼因子越大,樣品的阻尼性能越優(yōu)??梢奡TG-5阻尼性能較優(yōu)。在一定范圍內(nèi),STG的剪切增稠效應(yīng)和阻尼性能隨分散相納米二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大。

        隨著二甲基硅油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高,納米粒子團(tuán)聚現(xiàn)象減少,STG的剪切效應(yīng)和阻尼性能呈規(guī)律性變化。在一定范圍內(nèi),納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,STG的剪切增稠效應(yīng)和阻尼性能會(huì)隨之提高。這是因?yàn)殡S著納米顆粒的增多,不同顆粒之間的碰撞概率增大,層狀結(jié)構(gòu)中顆粒與顆粒的碰撞增多,層狀結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定,STG的剪切增稠效應(yīng)和阻尼性能會(huì)隨之較優(yōu)。

        3 結(jié)論

        本文制備了7種工況的剪切增稠膠,其中3種基于不同粘度的分散介質(zhì)二甲基硅油(350,500,1 000 cst)。另外4種基于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分散相納米二氧化硅(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 9.09%,8.33%,8.00%,7.77%)。通過旋轉(zhuǎn)流變儀測試7個(gè)樣品的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,分析分散介質(zhì)和分散相對STG動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。

        (1)角頻率的激勵(lì)下,STG呈現(xiàn)出明顯的速率敏感特性。低角頻率階段,隨著角頻率的變化,STG的剪切儲(chǔ)能模量和阻尼因子變化急劇,STG剪切增稠效應(yīng)較大。高角頻率階段,隨著角頻率的變化,STG的剪切儲(chǔ)能模量和阻尼因子變化趨緩,STG剪切增稠效應(yīng)較小。

        (2)在動(dòng)態(tài)力學(xué)測試中,基于不同粘度的分散介質(zhì)二甲基硅油制備成的STG表現(xiàn)出了不同程度較好的剪切增稠效應(yīng)和阻尼性能,其中二甲基硅油粘度為500 cst的樣品效果較優(yōu)。

        (3)從4種基于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分散相納米二氧化硅制備的STG動(dòng)態(tài)力學(xué)測試結(jié)果得,分散相質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定的范圍內(nèi)(納米二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于8.33%)提高有利于提高STG的剪切增稠效應(yīng)和阻尼性能。反之,則對STG的剪切增稠效應(yīng)和阻尼性能有負(fù)面影響。

        (4)本文研究了分散相和分散介質(zhì)對STG性能的影響,在STG材料制備以及配合比設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面提供了理論依據(jù)。

        (5)將STG與高性能纖維復(fù)合,運(yùn)用于工程抗震領(lǐng)域具有很好的前景,需進(jìn)一步研究。

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