剪切增稠液體增強高分子纖維材料融合體育發(fā)展研究

劉 潔

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710018）

剪切增稠流體（Shear Thickening Fluid，以下簡稱STF）是由納米粒子分散在高聚物中或長鏈高分子聚合而形成的一種混合流體[1-3]。利用STF與高分子纖維材料進(jìn)行復(fù)合所制備的各類型先進(jìn)體育材料具有極為優(yōu)異的力學(xué)性能，因而逐漸成為抗外力防護(hù)領(lǐng)域最重要的材料之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。早期最為典型的STF增強高分子纖維材料應(yīng)用案例可追溯至2006年都靈冬季奧運會上部分冰雪運動選手所使用的d3o材料，該材料常態(tài)下為松弛狀態(tài)，柔軟而富有彈性，能夠為運動員提供良好的穿著舒適感；一旦遭到外界劇烈撞擊，分子間粒子相互鎖定，材料硬化后形成一層緊致的防護(hù)層為運動員提供防護(hù)，降低運動損傷。

1 STF材料性能優(yōu)勢概述

STF剪切增稠及其復(fù)合纖維材料是一種新型功能材料，由于STF中的納米粒子能自由運動，因此STF在常溫、常壓條件下均呈液態(tài)；當(dāng)纖維材料未受到外力作用時，STF內(nèi)部各納米粒子分子間可自由移動，此時利用STF材料制備的防護(hù)用具表現(xiàn)為柔軟、易變形等特征；當(dāng)材料受到迅猛的外來剪切應(yīng)力時，STF體系中的松散分子間會由于外界剪切應(yīng)力的作用而迅速集中，此時材料內(nèi)部黏度驟增，受力區(qū)域呈類固態(tài)，極大地?fù)p耗了外來應(yīng)力的能量；當(dāng)外力撤去后，體系狀態(tài)逐漸恢復(fù)，表現(xiàn)出可逆性質(zhì)[4]。利用該材料這一特性，可廣泛制備體育防護(hù)器材、運動服飾等，如某些高風(fēng)險運動中的防護(hù)器具、衣物等，能夠獲得遠(yuǎn)高于一般傳統(tǒng)材料的佩戴舒適感和防護(hù)性能。隨著材料技術(shù)發(fā)展以及生產(chǎn)成本降低，STF增強高分子纖維材料在體育領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣泛。

2 STF材料力學(xué)特征分析

STF材料按照體系不同可主要分為納米粒子/聚合物懸浮體系以及高分子溶液體系兩大類[5-7]，各體系材料增稠機理及影響因素分類如圖1所示。

圖1 STF材料分類Fig. 1 Classification of STF materials

2.1 納米粒子/聚合物懸浮體系

納米粒子/聚合物懸浮體系STF材料主要由微米量級顆粒的分散相和分散介質(zhì)組成。其中，常見分散相粒子包括SiO2、CaCO3等天然存在的礦物質(zhì)，也包括C8H8、-[CH2C(CH3)(COOCH3)]n-等人工合成的聚合物、高聚物等。當(dāng)前體育領(lǐng)域應(yīng)用納米粒子/聚合物懸浮體系STF材料主要以高聚物分散相為主，如宋凱杰等（2017）[8]對剪切增稠材料的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，分析了納米粒子/聚合物懸浮體系STF材料增稠機理等。

2.1.1 增稠機理

納米粒子/聚合物懸浮體系STF材料實現(xiàn)剪切增稠的機理主要包括ODT原理、粒子簇生成機理兩種。其中，ODT原理最早由Hoffman證實，該學(xué)者通過對納米粒子/聚合物懸浮體系STF材料開展光散射實驗，證明了材料體系中的粒子在受到較小外力作用時，有序程度得到提高；當(dāng)外力較大時粒子的有序結(jié)構(gòu)被破壞，從而分別表現(xiàn)出剪切變稀和剪切增稠的兩種現(xiàn)象。粒子簇生成機理則表明，流體在外部剪切應(yīng)力的作用下，內(nèi)部粒子將會自生成“粒子簇”，“粒子簇”的大量產(chǎn)生會使納米粒子/聚合物懸浮體系的黏度極速增大，最終使材料實現(xiàn)剪切增稠。后經(jīng)多學(xué)者實驗表明，納米粒子/聚合物懸浮體系部分內(nèi)部粒子在無序分布狀態(tài)下同樣具有增稠條件，并不完全依賴粒子由無序到有序的變化過程，因而普遍認(rèn)為粒子簇生成機理更加具備解釋納米粒子/聚合物懸浮體系STF實現(xiàn)剪切增稠效應(yīng)的普遍性。

2.1.2 影響材料增稠效應(yīng)因素

影響納米粒子/聚合物懸浮體系STF材料增稠效應(yīng)的主要因素有：①分散相的性質(zhì)，分散相粒子材料的種類、固含量、粒徑比等會對材料的增稠效應(yīng)產(chǎn)生明顯影響，如PMMA／PEG體系明顯較SiO2／PEG體系材料增稠效應(yīng)更為顯著，而SiO2／PEG體系中SiO2含量越高則材料的臨界增稠點越靠前；②分散介質(zhì)的性質(zhì)，通常選擇的無毒物質(zhì)分散介質(zhì)有CH2OHCHOHCH3(C3H8O2)、HO(CH2CH2O)nH等，HO(CH2CH2O)nH由于具備較長的分子鏈而擁有了高于一般分散介質(zhì)的空間位阻，能夠正面促進(jìn)納米粒子/聚合物懸浮體系中粒子簇的形成，進(jìn)而增強材料增稠效應(yīng)。

2.2 高分子溶液體系

高分子中的長鏈交聯(lián)作用，是影響高分子溶液體系增稠效應(yīng)的重要因素。因而，常見的具備增稠效應(yīng)的高分子材料主要包含疏水締合高分子以及劣溶劑中的高分子兩大類[9]。其中，疏水締合高分子材料為最常見具備增稠效應(yīng)高分子材料，材料中的疏水基團(tuán)在接觸濃度條件下能夠產(chǎn)生締合作用，導(dǎo)致溶液中的高分子成分中的分子鏈產(chǎn)生聚集（包含分子間聚集或分子內(nèi)聚集等），在外部剪切應(yīng)力的作用下溶液體系中的高分子材料分子鏈?zhǔn)艿嚼?，締合效?yīng)迅速增強，粘度上升幅度逐漸增強。劣溶劑中的高分子材料與疏水締合高分子材料相比，顯著缺乏疏水性基團(tuán)。但以C8H8的十氫化萘溶液以及｛-[-CH2-CH2-O-]-、-(CH2-C(CH3)2)-｝的乙醇溶液為代表的劣溶劑中，由于存在大量分子量極大的粒子，而表現(xiàn)出高分子鏈單元之間的碰撞，進(jìn)而誘導(dǎo)溶液中的粒子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而同樣能夠表現(xiàn)出一定的增稠現(xiàn)象。

2.2.1 增稠機理

高分子溶液體系增稠機理主要可以通過分析高分子溶液體系剪切增稠理論模型進(jìn)行分析，如：①剪切誘導(dǎo)交聯(lián)，在穩(wěn)態(tài)剪切流場作用下利用實驗裝置同時實現(xiàn)高分子溶液中剪切、誘導(dǎo)行為，從而獲得拉伸高分子溶劑中有效高分子成分分子鏈產(chǎn)生交聯(lián)，促使粒子簇出現(xiàn)；②剪切誘導(dǎo)非高斯連的伸展，在剪切、誘導(dǎo)并存條件下使高分子分子鏈中的非高斯連產(chǎn)生伸展，隨著外界剪切應(yīng)力的增強逐漸被高分子鏈間的相互作用取代原有的分子內(nèi)相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生增稠效應(yīng)；空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，在①②兩種效應(yīng)并存條件下，各高分子鏈之間互相締合，在分子間作用力的影響下形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使流體粘度增加，展現(xiàn)出一定的增稠效應(yīng)[10]。

2.2.2 影響材料增稠效應(yīng)因素

影響高分子溶液體系STF材料的主要因素包含兩方面：①高分子溶液的濃度，通常隨高分子溶液濃度的提升，高分子溶液體系STF材料的臨界剪切速率呈下降趨勢，但剪切粘度呈上升趨勢，這是由于高分子材料濃度的提升會使高分子溶液中的長鏈密度增加，進(jìn)而降低各高分子鏈之間的距離，使較低的剪切速率條件下即可獲得較高的增稠效應(yīng)；②高分子組成，當(dāng)前高分子溶液體系STF材料常用高分子添加劑主要為PEG系列添加劑等，長鏈高分子吸附于溶液中其他納米粒子表面，會因高分子材料的疏水基團(tuán)數(shù)量、性能等對溶液的流變行為產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響材料的增稠效應(yīng)。

3 STF增強纖維材料在體育領(lǐng)域融合發(fā) 展應(yīng)用

3.1 防護(hù)裝備

防護(hù)裝備如搏擊運動中的頭盔、護(hù)膝、護(hù)肘以及冰雪運動中的防護(hù)裝備等，是STF增強纖維材料在體育運動領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的場景之一[11]。圖2所示為某品牌利用STF增強纖維材料制備的運動護(hù)膝實物及結(jié)構(gòu)示意圖。P4U智能碰撞防護(hù)凝膠層具有一定的緩沖功能，能夠為運動員提供最基礎(chǔ)的小幅度剪切應(yīng)力外部撞擊；當(dāng)受到猛烈的外部撞擊時STF增強纖維材料將會發(fā)揮主要的防護(hù)性能，為運動員提供緩沖和保護(hù)功能。液態(tài)的STF增強纖維材料具有優(yōu)良的可塑性，能夠進(jìn)行各種形狀、使用狀態(tài)的運動防護(hù)裝備制備，如圖2中所示的不規(guī)則防護(hù)模塊以及防護(hù)頭盔等。利用STF增強纖維材料制備的防護(hù)裝備同時兼具輕便性、柔軟性和防護(hù)性，與一般防護(hù)用具相比能夠為運動員提供更為靈活的使用體驗。

圖2 某品牌運動護(hù)膝結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of a sports kneepad of a brand

3.2 運動鞋

運動鞋領(lǐng)域同樣是應(yīng)用STF增強纖維材料較早，應(yīng)用效果較為理想的體育領(lǐng)域。布克兄弟是最早嘗試?yán)貌牧系募羟性龀憩F(xiàn)象制備運動鞋鞋底的企業(yè)之一。該公司在不斷嘗試之后，開發(fā)出一款名為“BioMoGo-DNA”的STF增強纖維材料運動鞋中底，獲得了遠(yuǎn)較一般材料質(zhì)量更輕、彈性性能更為優(yōu)良的運動鞋。我國本土品牌匹克同樣利用STF增強纖維材料的剪切增稠效應(yīng)開發(fā)出“匹克態(tài)極”系列運動鞋（圖3）。該系列運動鞋主要以籃球鞋為主，在一般的奔跑場景下，球鞋能夠為運動員提供極為柔軟、舒適的腳感；當(dāng)運動員做出激烈的跑、跳等動作時，球鞋中底在材料剪切增稠效應(yīng)的作用下會變得更為堅韌，從而為運動員提供良好的足部支撐的球場反饋。

圖3 “匹克態(tài)極”系列運動鞋鞋底結(jié)構(gòu)Fig. 3 Soles structure of "Peak state pole" series sneaker

3.3 防護(hù)外衣

防護(hù)外衣面料是STF增強纖維材料與體育運動領(lǐng)域融合發(fā)展的第三大重要方向。體育運動中包含著較為廣泛的高風(fēng)險運動，如冰雪運動、賽車運動、擊劍運動等。對于該類型體育運動而言，利用STF增強纖維材料制備防護(hù)外衣具有輕薄、堅韌、防護(hù)性能優(yōu)異等優(yōu)勢。如圖4所示為利用STF增強纖維材料制備的某款賽車運動防護(hù)外衣面料。該面料主要包含表層面料、暴力分流材料、暴力吸收材料以及內(nèi)襯等四層材料。其中暴力吸收材料層的主要制備原料為STF增強纖維材料，在受到外界沖擊力作用時，暴力分流材料能夠?qū)⒁稽c的沖擊進(jìn)行充分?jǐn)U散，最終由STF增強纖維材料進(jìn)行吸收。

圖4 防護(hù)外衣結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Protective coat structure drawing

4 結(jié)語

本文針對剪切增稠液體及其增強高分子纖維材料性能優(yōu)勢、增稠效應(yīng)及其影響因素等進(jìn)行綜述，分析了剪切增稠液體增強高分子纖維材料在體育運動領(lǐng)域融合發(fā)展方向。本文認(rèn)為，剪切增稠液體及其增強高分子纖維材料已經(jīng)在體育領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用，隨著材料制備工藝發(fā)展及其制備成本的下降，相信該類型材料能夠與更多的體育領(lǐng)域進(jìn)行結(jié)合。