剪切增稠液体增强高分子纤维材料融合体育发展研究

刘 洁

（陕西交通职业技术学院，陕西西安710018）

剪切增稠流体（Shear Thickening Fluid，以下简称STF）是由纳米粒子分散在高聚物中或长链高分子聚合而形成的一种混合流体[1-3]。利用STF与高分子纤维材料进行复合所制备的各类型先进体育材料具有极为优异的力学性能，因而逐渐成为抗外力防护领域最重要的材料之一，具有广阔的应用前景。早期最为典型的STF增强高分子纤维材料应用案例可追溯至2006年都灵冬季奥运会上部分冰雪运动选手所使用的d3o材料，该材料常态下为松弛状态，柔软而富有弹性，能够为运动员提供良好的穿着舒适感；一旦遭到外界剧烈撞击，分子间粒子相互锁定，材料硬化后形成一层紧致的防护层为运动员提供防护，降低运动损伤。

1 STF材料性能优势概述

STF剪切增稠及其复合纤维材料是一种新型功能材料，由于STF中的纳米粒子能自由运动，因此STF在常温、常压条件下均呈液态；当纤维材料未受到外力作用时，STF内部各纳米粒子分子间可自由移动，此时利用STF材料制备的防护用具表现为柔软、易变形等特征；当材料受到迅猛的外来剪切应力时，STF体系中的松散分子间会由于外界剪切应力的作用而迅速集中，此时材料内部黏度骤增，受力区域呈类固态，极大地损耗了外来应力的能量；当外力撤去后，体系状态逐渐恢复，表现出可逆性质[4]。利用该材料这一特性，可广泛制备体育防护器材、运动服饰等，如某些高风险运动中的防护器具、衣物等，能够获得远高于一般传统材料的佩戴舒适感和防护性能。随着材料技术发展以及生产成本降低，STF增强高分子纤维材料在体育领域的应用范围越来越广泛。

2 STF材料力学特征分析

STF材料按照体系不同可主要分为纳米粒子/聚合物悬浮体系以及高分子溶液体系两大类[5-7]，各体系材料增稠机理及影响因素分类如图1所示。

图1 STF材料分类Fig. 1 Classification of STF materials

2.1 纳米粒子/聚合物悬浮体系

纳米粒子/聚合物悬浮体系STF材料主要由微米量级颗粒的分散相和分散介质组成。其中，常见分散相粒子包括SiO2、CaCO3等天然存在的矿物质，也包括C8H8、-[CH2C(CH3)(COOCH3)]n-等人工合成的聚合物、高聚物等。当前体育领域应用纳米粒子/聚合物悬浮体系STF材料主要以高聚物分散相为主，如宋凯杰等（2017）[8]对剪切增稠材料的研究进展进行总结，分析了纳米粒子/聚合物悬浮体系STF材料增稠机理等。

2.1.1 增稠机理

纳米粒子/聚合物悬浮体系STF材料实现剪切增稠的机理主要包括ODT原理、粒子簇生成机理两种。其中，ODT原理最早由Hoffman证实，该学者通过对纳米粒子/聚合物悬浮体系STF材料开展光散射实验，证明了材料体系中的粒子在受到较小外力作用时，有序程度得到提高；当外力较大时粒子的有序结构被破坏，从而分别表现出剪切变稀和剪切增稠的两种现象。粒子簇生成机理则表明，流体在外部剪切应力的作用下，内部粒子将会自生成“粒子簇”，“粒子簇”的大量产生会使纳米粒子/聚合物悬浮体系的黏度极速增大，最终使材料实现剪切增稠。后经多学者实验表明，纳米粒子/聚合物悬浮体系部分内部粒子在无序分布状态下同样具有增稠条件，并不完全依赖粒子由无序到有序的变化过程，因而普遍认为粒子簇生成机理更加具备解释纳米粒子/聚合物悬浮体系STF实现剪切增稠效应的普遍性。

2.1.2 影响材料增稠效应因素

影响纳米粒子/聚合物悬浮体系STF材料增稠效应的主要因素有：①分散相的性质，分散相粒子材料的种类、固含量、粒径比等会对材料的增稠效应产生明显影响，如PMMA／PEG体系明显较SiO2／PEG体系材料增稠效应更为显著，而SiO2／PEG体系中SiO2含量越高则材料的临界增稠点越靠前；②分散介质的性质，通常选择的无毒物质分散介质有CH2OHCHOHCH3(C3H8O2)、HO(CH2CH2O)nH等，HO(CH2CH2O)nH由于具备较长的分子链而拥有了高于一般分散介质的空间位阻，能够正面促进纳米粒子/聚合物悬浮体系中粒子簇的形成，进而增强材料增稠效应。

2.2 高分子溶液体系

高分子中的长链交联作用，是影响高分子溶液体系增稠效应的重要因素。因而，常见的具备增稠效应的高分子材料主要包含疏水缔合高分子以及劣溶剂中的高分子两大类[9]。其中，疏水缔合高分子材料为最常见具备增稠效应高分子材料，材料中的疏水基团在接触浓度条件下能够产生缔合作用，导致溶液中的高分子成分中的分子链产生聚集（包含分子间聚集或分子内聚集等），在外部剪切应力的作用下溶液体系中的高分子材料分子链受到拉伸，缔合效应迅速增强，粘度上升幅度逐渐增强。劣溶剂中的高分子材料与疏水缔合高分子材料相比，显著缺乏疏水性基团。但以C8H8的十氢化萘溶液以及｛-[-CH2-CH2-O-]-、-(CH2-C(CH3)2)-｝的乙醇溶液为代表的劣溶剂中，由于存在大量分子量极大的粒子，而表现出高分子链单元之间的碰撞，进而诱导溶液中的粒子结构发生改变，进而同样能够表现出一定的增稠现象。

2.2.1 增稠机理

高分子溶液体系增稠机理主要可以通过分析高分子溶液体系剪切增稠理论模型进行分析，如：①剪切诱导交联，在稳态剪切流场作用下利用实验装置同时实现高分子溶液中剪切、诱导行为，从而获得拉伸高分子溶剂中有效高分子成分分子链产生交联，促使粒子簇出现；②剪切诱导非高斯连的伸展，在剪切、诱导并存条件下使高分子分子链中的非高斯连产生伸展，随着外界剪切应力的增强逐渐被高分子链间的相互作用取代原有的分子内相互作用，进而产生增稠效应；空间网络结构的形成，在①②两种效应并存条件下，各高分子链之间互相缔合，在分子间作用力的影响下形成网络结构，使流体粘度增加，展现出一定的增稠效应[10]。

2.2.2 影响材料增稠效应因素

影响高分子溶液体系STF材料的主要因素包含两方面：①高分子溶液的浓度，通常随高分子溶液浓度的提升，高分子溶液体系STF材料的临界剪切速率呈下降趋势，但剪切粘度呈上升趋势，这是由于高分子材料浓度的提升会使高分子溶液中的长链密度增加，进而降低各高分子链之间的距离，使较低的剪切速率条件下即可获得较高的增稠效应；②高分子组成，当前高分子溶液体系STF材料常用高分子添加剂主要为PEG系列添加剂等，长链高分子吸附于溶液中其他纳米粒子表面，会因高分子材料的疏水基团数量、性能等对溶液的流变行为产生重要影响，进而影响材料的增稠效应。

3 STF增强纤维材料在体育领域融合发 展应用

3.1 防护装备

防护装备如搏击运动中的头盔、护膝、护肘以及冰雪运动中的防护装备等，是STF增强纤维材料在体育运动领域应用最为广泛的场景之一[11]。图2所示为某品牌利用STF增强纤维材料制备的运动护膝实物及结构示意图。P4U智能碰撞防护凝胶层具有一定的缓冲功能，能够为运动员提供最基础的小幅度剪切应力外部撞击；当受到猛烈的外部撞击时STF增强纤维材料将会发挥主要的防护性能，为运动员提供缓冲和保护功能。液态的STF增强纤维材料具有优良的可塑性，能够进行各种形状、使用状态的运动防护装备制备，如图2中所示的不规则防护模块以及防护头盔等。利用STF增强纤维材料制备的防护装备同时兼具轻便性、柔软性和防护性，与一般防护用具相比能够为运动员提供更为灵活的使用体验。

图2 某品牌运动护膝结构图Fig. 2 Structure diagram of a sports kneepad of a brand

3.2 运动鞋

运动鞋领域同样是应用STF增强纤维材料较早，应用效果较为理想的体育领域。布克兄弟是最早尝试利用材料的剪切增稠现象制备运动鞋鞋底的企业之一。该公司在不断尝试之后，开发出一款名为“BioMoGo-DNA”的STF增强纤维材料运动鞋中底，获得了远较一般材料质量更轻、弹性性能更为优良的运动鞋。我国本土品牌匹克同样利用STF增强纤维材料的剪切增稠效应开发出“匹克态极”系列运动鞋（图3）。该系列运动鞋主要以篮球鞋为主，在一般的奔跑场景下，球鞋能够为运动员提供极为柔软、舒适的脚感；当运动员做出激烈的跑、跳等动作时，球鞋中底在材料剪切增稠效应的作用下会变得更为坚韧，从而为运动员提供良好的足部支撑的球场反馈。

图3 “匹克态极”系列运动鞋鞋底结构Fig. 3 Soles structure of "Peak state pole" series sneaker

3.3 防护外衣

防护外衣面料是STF增强纤维材料与体育运动领域融合发展的第三大重要方向。体育运动中包含着较为广泛的高风险运动，如冰雪运动、赛车运动、击剑运动等。对于该类型体育运动而言，利用STF增强纤维材料制备防护外衣具有轻薄、坚韧、防护性能优异等优势。如图4所示为利用STF增强纤维材料制备的某款赛车运动防护外衣面料。该面料主要包含表层面料、暴力分流材料、暴力吸收材料以及内衬等四层材料。其中暴力吸收材料层的主要制备原料为STF增强纤维材料，在受到外界冲击力作用时，暴力分流材料能够将一点的冲击进行充分扩散，最终由STF增强纤维材料进行吸收。

图4 防护外衣结构图Fig. 4 Protective coat structure drawing

4 结语

本文针对剪切增稠液体及其增强高分子纤维材料性能优势、增稠效应及其影响因素等进行综述，分析了剪切增稠液体增强高分子纤维材料在体育运动领域融合发展方向。本文认为，剪切增稠液体及其增强高分子纤维材料已经在体育领域得到了一定程度的应用，随着材料制备工艺发展及其制备成本的下降，相信该类型材料能够与更多的体育领域进行结合。