利用流變學(xué)等溫測(cè)試方法研究鋁對(duì)聚疊氮縮水甘油醚改性球形藥固化的影響

何偉，何利明，馬中亮，肖忠良，郭彥麗（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原030051）

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利用流變學(xué)等溫測(cè)試方法研究鋁對(duì)聚疊氮縮水甘油醚改性球形藥固化的影響

何偉，何利明，馬中亮，肖忠良，郭彥麗
（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原030051）

摘要：為了研究鋁在聚疊氮縮水甘油醚（GAP）改性球形藥固化過程中的作用，利用流變學(xué)等溫測(cè)試方法研究了鋁對(duì)GAP改性球形藥固化動(dòng)力學(xué)的影響，采用熱分析動(dòng)力學(xué)Sestak-Berggren模型對(duì)固化動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行求解，分別建立了含0%鋁和10%鋁的GAP球形藥的固化動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明：GAP球形藥固化過程中表觀活化能變化不大，在0＜轉(zhuǎn)化率＜0.8范圍內(nèi)可認(rèn)為表觀活化能為64.8 kJ/mol，加入鋁后反應(yīng)的表觀活化能增大，為85.1 kJ/mol，反應(yīng)級(jí)數(shù)增加，指前因子減小，說明鋁對(duì)GAP球形藥的固化反應(yīng)具有消極影響；模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，說明可利用流變學(xué)等溫測(cè)試方法研究固體GAP球形藥的固化過程；對(duì)0%和10%鋁兩個(gè)體系的黏度變化進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，鋁主要影響到GAP球形藥固化的第二階段，使異氟爾酮二異氰酸酯分子上位阻較大的異氰酸酯基反應(yīng)更加困難，活化能增大。

關(guān)鍵詞：兵器科學(xué)與技術(shù)；流變儀；聚疊氮縮水甘油醚；球形藥；固化動(dòng)力學(xué)；鋁

0　引言

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，各國都在加速研制高性能固體推進(jìn)劑，以適應(yīng)各武器的發(fā)展與進(jìn)步［1］。經(jīng)過多年的研究，推進(jìn)劑的能量性能得到大幅提高，但是隨著現(xiàn)代武器的發(fā)展，推進(jìn)劑被賦予了更高的要求：在提高火炸藥能量特性的同時(shí)，還需具有鈍感、低特征信號(hào)以及環(huán)保、可再利用等性質(zhì)［2-4］。

聚疊氮縮水甘油醚（GAP）作為一種側(cè)鏈帶疊氮基團(tuán)的新型含能黏合劑，在固體推進(jìn)劑以及膏體推進(jìn)劑中得到了廣泛地運(yùn)用，GAP固體推進(jìn)劑具有能量高、密度大、特征信號(hào)低等優(yōu)點(diǎn)［4-6］，具有很高的研究?jī)r(jià)值。Michael［7］將GAP與硝化棉（NC）混合后引入推進(jìn)劑中，改善了推進(jìn)劑的能量性能和力學(xué)性能。羅運(yùn)軍等［4，8-9］基于 GAP的優(yōu)異性能，將GAP與NC進(jìn)行復(fù)合，得到GAP改性球形藥，并對(duì)球形藥的外形特征，熱分解性能等進(jìn)行了研究。根據(jù)以上作者的研究成果，本文將GAP與NC通過內(nèi)溶法復(fù)合得到呈高度圓球狀的GAP球形藥（見圖1），并對(duì)其固化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。

圖1　GAP球形藥的光學(xué)顯微鏡圖Fig.1 Optical micrograph of GAP spherical propellant

對(duì)于GAP與異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）的固化反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)體系表現(xiàn)為二級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)［10-11］，由于IPDI兩個(gè)異氰酸酯基空間位阻的不同，其固化過程可分為兩段（前期固化速率快于后期）［11-12］。對(duì)于固化反應(yīng)，國內(nèi)外的研究相對(duì)較多，主要采用的有示差掃描量熱（DSC）法［13-14］，動(dòng)態(tài)熱機(jī)械（DTMA）法［15-17］，紅外光譜（FTIR）法［10］等。對(duì)于GAP改性球形藥與異氰酸酯的固化體系，在固化過程中由于球形藥的固體性質(zhì)，在反應(yīng)初期存在著吸收、溶解、擴(kuò)散等過程，以及在反應(yīng)后期出現(xiàn)的擴(kuò)散控制過程，利用熱分析的方法會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。近幾年國內(nèi)外學(xué)者將流變儀運(yùn)用到測(cè)試反應(yīng)動(dòng)力學(xué)上，取得了不錯(cuò)的效果［18-22］。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于可以更加直接地反映體系在固化過程中的模量、黏度變化，可以直觀地描述固化體系的狀態(tài)變化，這對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)工藝有著重要的指導(dǎo)作用。

鋁粉是固體推進(jìn)劑的重要組分之一，對(duì)推進(jìn)劑的能量性能、力學(xué)性能、燃燒性能、感度和特征性能都有不同程度的影響，而鋁對(duì)GAP球形藥固化動(dòng)力學(xué)的影響尚未見報(bào)道［23］。本實(shí)驗(yàn)通過流變學(xué)等溫測(cè)試的方法研究了GAP球形藥的固化動(dòng)力學(xué)，并對(duì)鋁對(duì)GAP球形藥固化的影響進(jìn)行了分析，為進(jìn)一步研究GAP球形藥的固化過程提供了參考。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試樣

GAP球形藥（GAP與NC的質(zhì)量比為3∶7）自制，制作工藝見文獻(xiàn)［4］；增塑劑：硝酸乙基硝基胺（BuNENA），淡黃色液體，洛陽黎明化工研究院提供；固化劑：IPDI，無色或液體，南通潤豐石油化工有限公司提供。催化劑：二月桂酸二丁基錫T12，淡黃色透明油狀液體，鄭州鼎瑞化工產(chǎn)品有限公司提供。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器與條件

實(shí)驗(yàn)儀器：奧地利Anton Paar GmbH公司MCR 302型流變儀，配套P-PTD200半導(dǎo)體控溫裝置。實(shí)驗(yàn)溫度30℃～60℃，間隔10℃.采用PP25轉(zhuǎn)子，間距1.0 mm，動(dòng)態(tài)模式。

1.3測(cè)試方法與固化模型

固化反應(yīng)涉及化學(xué)反應(yīng)和物理作用之間的相互作用［12］，傳統(tǒng)的熱分析技術(shù)在固化動(dòng)力學(xué)上的應(yīng)用存在忽略物理作用的缺點(diǎn)。采用流變測(cè)試方法可以測(cè)試體系在固化過程中模量隨時(shí)間的變化情況。在固化反應(yīng)開始時(shí)，體系的儲(chǔ)能模量為G′0，隨著固化反應(yīng)的進(jìn)行，體系的儲(chǔ)能模量快速增加，在t時(shí)刻體系的儲(chǔ)能模量值達(dá)到G′t，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)入到后期后，儲(chǔ)能模量增加速率不斷減慢并在反應(yīng)達(dá)到一定程度后儲(chǔ)能模量不再增加（并出現(xiàn)波動(dòng)），記此時(shí)的儲(chǔ)能模量值為G′∞.因此可通過t時(shí)刻增加的模量與整個(gè)反應(yīng)過程模量增加的比值表征反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率［18，21，24］。利用流變參數(shù)表征反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率可用（1）式計(jì)算。

式中：α為反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；G′t、G′0、G′∞分別為在溫度T 下t時(shí)刻、反應(yīng)開始和反應(yīng)結(jié)束時(shí)的儲(chǔ)能模量。

在固化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究的過程中，普遍采用方程（2）式表述動(dòng)力學(xué)的速率方程為

式中：dα/dt是固化速率，為根據(jù)α-t曲線求得在t時(shí)刻的斜率值；f（α）是基于反應(yīng)機(jī)理的模型函數(shù)；k（T）是用阿倫尼烏斯方程表示的溫度函數(shù)。

式中：A為指前因子；Eα為表觀活化能；R為氣體常數(shù)。

固化反應(yīng)的過程是由多個(gè)基本反應(yīng)構(gòu)成的復(fù)雜反應(yīng)，根據(jù)固化機(jī)理將熱固性樹脂固化反應(yīng)分為n級(jí)反應(yīng)模型以及自催化模型［25-26］。

式中：m、n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。由（4）式可以看出n級(jí)模型的反應(yīng)速率最大值在α=0處，而自催化模型在反應(yīng)過程中有自加速反應(yīng)的過程，因而反應(yīng)速率的最大值在反應(yīng)的中間過程［27］。根據(jù)兩種模型的這個(gè)特點(diǎn)可以判斷固化反應(yīng)的模型。

2　結(jié)果與討論

2.1固化動(dòng)力學(xué)模型的建立

圖2為不同溫度下GAP改性球形藥與IPDI固化反應(yīng)過程中的儲(chǔ)能模量隨時(shí)間的變化。在測(cè)試溫度30℃～60℃范圍內(nèi)，溫度每升高10℃，儲(chǔ)能模量達(dá)到最大值的時(shí)間減少2～4倍，說明GAP球形藥的固化過程對(duì)溫度十分敏感。加入鋁粉后，儲(chǔ)能模量的最大值有小幅提高，認(rèn)為固體填料的加入增加了分子鏈的纏繞，使儲(chǔ)能模量增加。

利用方程（1）式對(duì)儲(chǔ)能模量進(jìn)行處理，可以得到反應(yīng)體系轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化情況，如圖3所示。從圖3中可以看出，在40℃和50℃下10%鋁的固化體系的轉(zhuǎn)化率曲線快于0%鋁的固化體系。其原因是鋁粉加入后增加了體系的傳熱能力，加快了體系的固化速率。30℃時(shí)，由于固化時(shí)間相對(duì)較長，傳熱效應(yīng)對(duì)固化時(shí)間影響降低；而在60℃時(shí)，由于固化溫度高，體系傳熱能力增加，熱量分布趨于均勻，傳熱效應(yīng)影響降低。

圖2　GAP球形藥儲(chǔ)能模量-時(shí)間曲線Fig.2 Storage modulus-time curves for GAP spherical propellant

圖3　GAP球形藥轉(zhuǎn)化率-時(shí)間曲線Fig.3 Conversion-time curves for GAP spherical propellant

儲(chǔ)能模量G′t的變化一方面反映了反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，另一方面也反映了固化體系反應(yīng)機(jī)理的有關(guān)信息。根據(jù)球形藥轉(zhuǎn)化率-時(shí)間曲線，求得在每一個(gè)轉(zhuǎn)化率下曲線的斜率值（dα/dt），如圖4所示。聯(lián)立（2）式和（3）式可得

通過（6）式對(duì)不同溫度下ln（dα/dt）和1/T進(jìn)行線性擬合（見圖5），可得到表觀活化能的值。

由圖6可知，在0＜α＜0.8范圍內(nèi)表觀活化能的變化不大，在反應(yīng)的后期活化能有增大的趨勢(shì)，這是由于隨著固化反應(yīng)的進(jìn)行體系黏度持續(xù)增大，固化反應(yīng)進(jìn)行的阻力增大，需要維持反應(yīng)進(jìn)行的活化能增大。GAP球形藥與IPDI的表觀活化能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液態(tài) GAP與 IPDI的固化反應(yīng)［12，28］，原因是GAP球形藥的固體特性使固化過程中的擴(kuò)散效應(yīng)得以擴(kuò)大，體系的阻力增大，阻礙了固化反應(yīng)的進(jìn)行。

圖4　不同固化溫度下的固化速率轉(zhuǎn)化率曲線Fig.4 dα/dt-α curves at different curing temperatures

圖5　0%Al體系各轉(zhuǎn)化率下ln（dα/dt）-1/T圖Fig.5 ln（dα/dt）vs.1/T at conversion of 0%Al curing system

加入鋁粉后，一方面反應(yīng)的表觀活化能增大，起到了阻礙反應(yīng)進(jìn)行的作用，另一方面增加了體系的傳熱能力。在固化反應(yīng)進(jìn)到后期時(shí)（α＞0.8），體系交聯(lián)度達(dá)到一定值，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本形成，固體顆粒（鋁）的存在大大增加了分子鏈的纏繞，體系黏度增大，反應(yīng)進(jìn)行的阻力增大，表觀活化能急劇增大。

圖6　不同轉(zhuǎn)化率下的表觀活化能Fig.6 The apparent activation energies at different conversions

在活化能確定以后，只需要確定模型函數(shù)就可以得到動(dòng)力學(xué)模型。由圖4可知此體系的反應(yīng)速率最大值并不在反應(yīng)起始處，說明GAP改性球形藥與IPDI的固化反應(yīng)不是n級(jí)反應(yīng)而是自催化反應(yīng)。因此該固化體系的動(dòng)力學(xué)方程可表述為

對(duì)方程進(jìn)行變形得

根據(jù)（8）式和（9）式對(duì)不同溫度下的固化數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可以得到反應(yīng)的級(jí)數(shù)m、n以及速率常數(shù)lnA.

從表1中可以看出，在沒有加入鋁的體系中，m+n的值（反應(yīng)級(jí)數(shù)）為1.493，加入鋁粉后，反應(yīng)級(jí)數(shù)有所增加。一方面是由于固體顆粒的存在使體系內(nèi)摩擦增加，分子鏈運(yùn)動(dòng)受阻；另一方面根據(jù)劉晶如等的研究［23］，鋁粉加入到反應(yīng)體系后，鋁粉表面的氧化層被擦傷，新暴露的鋁粉表面與粘合劑的羥基發(fā)生反應(yīng)，生成鋁的烷基化物，降低了反應(yīng)體系中羥基的濃度而延緩了固化反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，加入鋁粉過后，指前因子減小，說明反應(yīng)物分子的碰撞頻率減少，相同條件下反應(yīng)速率減小。綜合表現(xiàn)為：活化能增加，反應(yīng)級(jí)數(shù)增加，指前因子減小。

表1　GAP球形藥固化模型參數(shù)Tab.1 Curing parameters of GAP spherical propellant

根據(jù)以上得到的表觀活化能和固化參數(shù)，GAP球形藥的固化動(dòng)力學(xué)模型可表示為

0%鋁，

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性，對(duì)GAP球形藥在60℃時(shí)的速率曲線和模型曲線進(jìn)行了比較。從圖7可以看出，模型曲線和速率曲線吻合較好，說明GAP球形藥的固化過程符合自催化模型，動(dòng)力學(xué)模型的建立對(duì)GAP球形藥的固化過程進(jìn)一步研究提供了理論基礎(chǔ)和固化工藝的改善提供了參考。

2.2黏度分析

圖7　GAP球形藥在60℃下的固化率-轉(zhuǎn)化率曲線與其擬合曲線Fig.7 da/dt-α curves for 0%and 10%curing systems and their fitting curves at 60℃

圖8　不同溫度下的黏度-時(shí)間曲線Fig.8 The viscosity-time curves at different temperatures

根據(jù)Lucio等［12］的研究，GAP在固化過程中黏度的變化存在兩個(gè)不同的階段：在固化初期黏度增長較快，隨后增長速率不斷減慢。通過阿倫尼烏斯模型對(duì)其求解得到反應(yīng)第二階段的黏流活化能遠(yuǎn)高于第一階段，分析其原因?yàn)镮PDI上兩個(gè)異氰酸酯基的位阻不同，這在文獻(xiàn)［30］中也得出了同樣的結(jié)論。圖8為固化體系黏度隨時(shí)間的變化圖。從圖8中可以看出，隨著固化的進(jìn)行，體系的黏度不斷增大，并在固化反應(yīng)進(jìn)行到一定程度后趨于穩(wěn)定。為了比較鋁對(duì)GAP固化過程兩個(gè)階段的影響，將其黏度（對(duì)數(shù)值）分為線性增長階段和曲線增長階段。利用（12）式將分段后的曲線進(jìn)行線性擬合可得到其斜率k（其值見表2）。從表2可以看出，隨著固化溫度的提高，dη/dt（黏度升高的速率）增大，反映出溫度越高，反應(yīng)速率越快。加入10%鋁后，黏度增加速率減慢。

表2　兩個(gè)體系各溫度下兩階段的黏度增長速率Tab.2 The growth rates of viscosity of two stages at different curing temperatures

利用（13）式，對(duì)斜率取對(duì)數(shù)后以1/T為橫坐標(biāo)做出lnk-1/T曲線（見圖9）。根據(jù)圖8可得到在兩個(gè)階段的黏流活化能［11］。

圖9　第一階段和第二階段lnk-1/T圖Fig.9 ln k vs.1/T at reaction steps 1 and 2

不含鋁的球形藥固化體系，第一階段和第二階段的黏流活化能分別為 54.37kJ/mol和84.39 kJ/mol，含10%鋁的球形藥體系兩個(gè)階段的黏流活化能分別為57.10 kJ/mol和93.20 kJ/mol.由此可以看出，鋁的加入主要影響到GAP球形藥固化的第二階段。其原因?yàn)椋?）由于IPDI兩個(gè)氰酸酯基的活性不同，在第一階段主要進(jìn)行反應(yīng)的是位阻較小的氰酸酯基，受位阻影響較小；第二階段進(jìn)行的則是位阻較大的氰酸酯基與羥基的反應(yīng)，受位阻影響大。當(dāng)加入鋁過后，其顆粒使體系流動(dòng)性下降，黏度增加。第一階段內(nèi)，反應(yīng)受位阻影響小且體系黏度較低，增加的黏度對(duì)該階段固化反應(yīng)影響小。第二階段反應(yīng)受位阻影響大且體系黏度高，鋁的加入對(duì)使該階段反應(yīng)的阻力進(jìn)一步增大，黏流活化能增加；2）在固化過程中，鋁粉表面與粘合劑的羥基不斷發(fā)生反應(yīng)，在反應(yīng)前期羥基濃度較高，鋁粉對(duì)反應(yīng)的影響較小。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鋁粉不斷與羥基發(fā)生反應(yīng)，羥基的濃度不斷減小，到達(dá)反應(yīng)后期時(shí)，羥基濃度明顯減小，氰酸酯基與羥基碰撞幾率減小，反應(yīng)難度增加，活化能增加。

3　結(jié)論

1）利用流變學(xué)等溫測(cè)試的方法得到了GAP球形藥與IPDI的固化動(dòng)力學(xué)模型。

2）GAP球形藥與IPDI固化反應(yīng)的表觀活化能為64.8 kJ/mol，反應(yīng)級(jí)數(shù)為1.493.加入鋁粉過后表觀活化能及反應(yīng)級(jí)數(shù)均增大。

3）GAP球形藥的固化反應(yīng)符合自催化反應(yīng)；得到GAP球形藥的固化動(dòng)力學(xué)參數(shù)，模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

4）鋁對(duì)GAP球形藥固化的影響主要表現(xiàn)為對(duì)固化后期的影響，對(duì)第一階段影響較小。

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中圖分類號(hào)：V512+.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1093（2016）06-1023-07

DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2016.06.008

收稿日期：2015-11-19

作者簡(jiǎn)介：何偉（1991—），男，碩士研究生。E-mail：641425469@qq.com；何利明（1978—），女，講師。E-mail：heliming@nuc.edu.cn

Research on Effect of Al on Curing Property of GAP Spherical Propellant by Rheological Isothemal Measuring Method

HE Wei，HE Li-ming，MA Zhong-liang，XIAO Zhong-liang，GUO Yan-li

（School of Chemical Engineering and Environment，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

Abstract：In order to study the effect of Al on the curing process of glycidyl azide polymer（GAP）spherical propellant，the curing kinetics of GAP spherical propellant is studied by rheotogical isothermal measurement.Cuing parameters are obtained through Sestak-Berggren model，and the curing models of GAP spherical propellants with 0%Al and 10%Al are established.The results show that the apparent activation energy of GAP spherical propellant during cuing is less changed in the range of 0＜conversion rate＜0.8.After adding Al，the apparent activation energy is increased to be 85.1 kJ/mol，and the reaction order increases.The addition of Al also hinders the mobility of molecular chain.The model data shows a great agreement with the experimental data，indicating that the rheological isothermal measuring method can be used to investigate the curing process of GAP spherical propellant.Through the investigation on the variation of viscosity，it can be found that Al influences the second stage of curing process by increasing the steric hindrance of cyanate base，resulting in the increase of activation energy.

Key words：ordnance science and technology；rheometer；glycidyl azide polymer；spherical propellant；curing kinetics；Al