[科普中國(guó)]-剪切增稠

增稠現(xiàn)象

在剪切增稠時(shí)有時(shí)還伴隨有體積脹大，即材料膨脹。糊狀聚氯乙烯懸浮液的流動(dòng)、流動(dòng)中產(chǎn)生結(jié)晶的聚合物熔體均可觀察到這種剪切增稠現(xiàn)象。1

增稠效應(yīng)分類在英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)流變術(shù)語中，剪切增稠定義為粘度隨著剪切速率的增大而增大。值得一提的是，這種現(xiàn)象不同于震凝性，震凝性指得是在恒定剪切速率下粘度隨著時(shí)間的推移而增大。剪切增稠現(xiàn)象常見于高濃度的納米或微米級(jí)顆粒和牛頓流體組成的懸浮體系中。但是，當(dāng)改變剪切條件時(shí)，這種濃懸浮液同樣可以表現(xiàn)出剪切變稀、牛頓等流變行為。因此，我們所研究STF的指的是只要在一定的剪切條件下可以產(chǎn)生剪切增稠效應(yīng)的流體。顆粒懸浮液為復(fù)雜流體，不同的體系或分散相種類，表現(xiàn)出多種不同類型的STF。從剪切應(yīng)力剪切速率的曲線的幾何特征上能對(duì)進(jìn)行分類。

第一種是粘度隨著剪切速率緩慢上升，這種剪切增稠現(xiàn)象是由克服顆粒之間作用力，繼而形成局部高濃度的粒子簇引起。通常出現(xiàn)在顆粒粒徑微米量級(jí)以下的膠體濃懸浮液中。第二種，同樣是粘度隨著剪切速率緩慢上升，相比于上一種STF，體系具有確定的流變行為，這種STF稱為連續(xù)性剪切增稠液（CST），通常出現(xiàn)在顆粒粒徑微米量級(jí)以上的非布朗顆粒濃懸浮液中。當(dāng)體系達(dá)到臨界剪切速率時(shí)，顆粒之間相互接觸。此時(shí)，懸浮液的流變行為等效于高體積分?jǐn)?shù)下的干顆粒流的流變行為。這種體系表現(xiàn)出剪切增稠現(xiàn)象是由于在高速剪切下，顆粒之間相互碰撞損耗能量引起。第三種，粘度隨著剪切速率非連續(xù)性上升，體系由液態(tài)變?yōu)轭惞虘B(tài)。這種類型STF的稱為非連續(xù)性剪切增稠液（DST），通常出現(xiàn)于顆粒粒徑在微米量級(jí)以上的非布朗濃懸浮液或表面具有高分子鏈的膠體懸浮液中。DST現(xiàn)象的研究是近年來的熱點(diǎn)，這種現(xiàn)象與顆粒物理中jamming的現(xiàn)象類似。目前研究人員習(xí)慣將DST現(xiàn)象的研究歸入軟凝聚態(tài)物理學(xué)。和常見于非布朗顆粒濃懸浮液中，區(qū)別兩者的關(guān)鍵因素是體系的體積分?jǐn)?shù)。

影響因素決定剪切變稀和剪切增稠的種類主要因素為顆粒的大小、顆粒之間的作用力、體積分?jǐn)?shù)等。其中顆粒大小影響著布朗運(yùn)動(dòng)的顯著程度，一般以微米量級(jí)為分界點(diǎn)，可以分為膠體懸浮液和非布朗懸浮液。顆粒之間無作用力并且沒有沉降的非布朗懸浮液中，在低剪切速率下，出現(xiàn)牛頓流體現(xiàn)象，沒有剪切變稀效應(yīng)。在較高的剪切速率下，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，體系出現(xiàn)CST；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，體系出現(xiàn)DST。顆粒具有作用力，那么在低剪切速率下，體系具有屈服應(yīng)力，從而出現(xiàn)較顯著的剪切變稀現(xiàn)象。對(duì)于顆粒之間無作用力的膠體懸浮液，在低剪切速率下，由于顆粒的熱運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)較弱的剪切變稀現(xiàn)象。隨著剪切速率的增大，以此出現(xiàn)牛頓流體現(xiàn)象和剪切增稠現(xiàn)象。這種剪切增稠較為不明顯。對(duì)于顆粒之間有作用力的膠體懸浮液，與顆粒之間無作用的膠體懸浮液的流體狀態(tài)不變，但是剪切變稀和剪切增調(diào)效應(yīng)更為顯著。當(dāng)顆粒之間的作用力隨著剪切速率的增大而增大時(shí)，這種體系會(huì)出現(xiàn)DST。

膠體顆粒的STF主要由分散相和分散介質(zhì)組成。目前制備STF的分散相主要包括二氧化桂顆粒、聚氯乙稀顆粒、碳酸韓顆粒、聚甲基兩稀酸甲酯顆粒、碳納米纖維、二氧化鈦顆粒等。在分散介質(zhì)方面研究人員采用乙二醇等研制STF。影響剪切增稠效應(yīng)的因素很多，包括顆粒的大小、粒徑分布、形狀、體積分?jǐn)?shù)，分散介質(zhì)的粘度、值，溫度，添加劑等等。

增稠機(jī)理膠體顆粒體系剪切增稠機(jī)理在高體積分?jǐn)?shù)的膠體懸浮液中，體系表現(xiàn)出剪切增稠現(xiàn)象，此時(shí)該現(xiàn)象可以用粒子簇理論來解釋。首先我們討論體系中兩個(gè)粒子耦合的情況。在近距離范圍內(nèi)，水動(dòng)力與顆粒表面間的間距成反比，并且在一個(gè)奇點(diǎn)發(fā)散。在簡(jiǎn)單剪切下，如果顆粒之間相互靠近，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡與水動(dòng)力的相互作用相關(guān)。在剪切條件下，顆粒相對(duì)于參照顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)軌跡線左右對(duì)稱，并且分為兩個(gè)狀態(tài)：發(fā)散的軌跡和閉合的軌跡。當(dāng)懸浮液在高剪切速率下，顆粒之間相互耦合進(jìn)入閉合的軌跡，形成粒子簇。此時(shí)粒子簇的顆粒濃度較大，當(dāng)體系受到剪切，消耗的能量增大從而導(dǎo)致粘度上升。

非布朗顆粒體系剪切增稠機(jī)理對(duì)于高體積分?jǐn)?shù)的非布朗顆粒懸浮液，體系在達(dá)到臨界剪切速率時(shí)，粘度發(fā)生階躍性的，幾個(gè)數(shù)量級(jí)地上升，體系甚至由流體變?yōu)楣腆w。

剪切增稠材料的應(yīng)用剪切增稠現(xiàn)象最初發(fā)現(xiàn)于工業(yè)或輸運(yùn)過程中，一般是這一類過程需要克服的有害因素。近年來，隨著安全防護(hù)日益增長(zhǎng)的需要，STF作為方便實(shí)用的抗沖擊材料引起高度重視。美國(guó)、英國(guó)和新加坡等國(guó)均研制出SiO2系列STF、剪切增稠纖維高分子復(fù)合材料或膠狀抗沖擊材料，其抗剌、抗沖擊能力較傳統(tǒng)防護(hù)材料有極大提高。2