鍵合劑對RDX與HTPB的界面改善作用

周文靜，寧艷利，徐 敏，朱一舉，王民昌

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安 710065）

以RDX為代表的硝胺類炸藥由于能量較高，在現(xiàn)代武器裝備中的應(yīng)用越來越廣泛。但是，RDX屬于非補(bǔ)強(qiáng)性填料，當(dāng)推進(jìn)劑受到一定載荷作用時(shí)很容易出現(xiàn)“脫濕”現(xiàn)象，“脫濕”的實(shí)質(zhì)是由于在外力作用下高分子黏結(jié)劑與固體顆粒間的界面結(jié)合被破壞，黏附失效而導(dǎo)致黏結(jié)劑從固體顆粒表面脫離。“脫濕”現(xiàn)象嚴(yán)重地影響了推進(jìn)劑的力學(xué)性能。

推進(jìn)劑復(fù)合體系內(nèi)部組分接觸界面間的超分子作用（包括：范德華力、疏水親脂作用、氫鍵、靜電相互作用、π-π堆積力等）協(xié)同效應(yīng)是影響力學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一。在推進(jìn)劑中加入鍵合劑，調(diào)節(jié)推進(jìn)劑復(fù)合體系內(nèi)部組分接觸界面間的超分子作用，是改善“脫失”現(xiàn)象的有效手段。因此，本文從鍵合劑、RDX、HTPB的表面自由能出發(fā)，研究了不同鍵合劑對RDX-HTPB界面黏接的改善作用，以期為RDX作為填料的推進(jìn)劑力學(xué)性能的改善提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品與儀器

甲酰胺，天津市登豐化學(xué)品有限公司；乙酸乙酯，成都科龍化工試劑廠；正己烷，天津化學(xué)試劑三廠；甘油，晨星化工；PEG200，海安石油化工廠；乙二醇，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心。

DCAT21型表面/界面張力儀，德國Dataphyics公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

采用DCAT21型表面/界面張力儀分別測量RDX、鍵合劑、HTPB在不同探針液體中的接觸角，計(jì)算鍵合劑、RDX、HTPB的表面自由能及其分量。

用長度為24mm，厚度為0.15mm的載玻片蘸取HTPB、鍵合劑b17、鍵合劑b25、鍵合劑LBA603試樣各3份，室溫下放置一周，待成膜后，采用Wilhelmy吊片法分別測試HTPB、鍵合劑b17、鍵合劑b25、鍵合劑LBA603在甘油、PEG200、乙二醇中的接觸角。

RDX接觸角的測量使用Modified Washburm粉末法，稱取一定量的RDX粉末4份，分別置于粉末測試專用管中，分別測試其在正己烷、甲酰胺、水、乙酸乙酯中的重量隨時(shí)間變化的曲線，獲得RDX在不同測試液中的接觸角。

2 原理

2.1 接觸角測試原理

粉末試樣裝填到試管中，在顆粒之間會形成微小的毛細(xì)管。粉末接觸角是根據(jù)液體毛細(xì)管上升原理，接觸角不同，液體上升速度不同，得到上升液體質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線，計(jì)算出接觸角，具體表示為公式（1）。

片狀試樣在探針液體中移動時(shí)，會產(chǎn)生重量變化，重量變化的幅度與試樣的接觸角有關(guān)。片狀樣品的接觸角是根據(jù)公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

2.2 黏附功計(jì)算

黏附功是指剝開不同相單位黏附面積所需做的功，當(dāng)兩相相同時(shí)，稱這個(gè)功為內(nèi)聚功，黏附功和內(nèi)聚功是表示兩相界面作用的一個(gè)最有力的參數(shù)。

根據(jù)這個(gè)概念，可以得到A、B兩種材料黏附時(shí)的黏附功WAB

其中，γA，γB分別為A、B的表面自由能；γAB為AB之間的界面自由能；

另外，根據(jù)黏附功的概念，黏附功等于兩個(gè)單獨(dú)的相相互靠近生成界面時(shí)，單位面積Gibbs自由能的減少值。

所以，從熱力學(xué)角度來講，黏附功越大，兩相的界面作用就越大。

界面張力γAB也可以用（5）式進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)果與討論

3.1 接觸角和表面自由能的計(jì)算

根據(jù)2.2中的實(shí)驗(yàn)步驟，測試RDX、鍵合劑b17、鍵合劑b25、鍵合劑LBA603、HTPB在不同探針液體中的接觸角，結(jié)果詳見表1。

表1 RDX、鍵合劑、HTPB的接觸角

根據(jù)表1中的接觸角測試結(jié)果，選擇DCAT21軟件中的通用模型（WORK）擬合了表面自由能γ及非極性分量γd和極性分量γp。得到了RDX、鍵合劑b17、鍵合劑b25、鍵合劑LBA603、HTPB的表面自由能及其分量，結(jié)果列于表2。

表2 RDX、鍵合劑、HTPB的表面自由能

由表2可以看到，固體填料3類RDX表面自由能較低，黏結(jié)劑HTPB的表面自由能大于單質(zhì)炸藥的表面自由能。當(dāng)黏結(jié)劑的表面張力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單質(zhì)炸藥的表面能時(shí)，黏結(jié)體系才對炸藥表面產(chǎn)生良好的潤濕性和包覆性能。由此理論說明單純的RDX-HTPB包覆浸潤效果不好，進(jìn)一步說明了鍵合劑在推進(jìn)劑配方中應(yīng)用的重要性。

3.2 黏附功的計(jì)算

由公式（3）、（5），根據(jù)表2中的表面自由能和各分量，計(jì)算得到了三種鍵合劑與RDX、HTPB界面之間的黏附功W，結(jié)果列于表3

表3 鍵合劑與RDX、HTPB界面之間的黏附功

分析表3中計(jì)算的黏附功結(jié)果，比較三種鍵合劑與RDX和HTPB黏附功的大小可以看到，鍵合劑b17和鍵合劑b25與RDX、HTPB的黏附功差別不大，但是，鍵合劑LBA603與RDX和HTPB的黏附功明顯高于另外兩種鍵合劑，說明鍵合劑LBA603是調(diào)節(jié)RDX-HTPB推進(jìn)劑體系界面作用的最優(yōu)鍵合劑。

3.3 掃描電鏡觀察黏附效果

采用掃描電鏡觀察RDX-HTPB的界面黏結(jié)。圖1為相同RDX、HTPB體系，添加不同鍵合劑后，RDX-HTPB界面黏接狀況。

圖1 RDX-HTPB界面粘接狀況

由圖1可以看出，加入了LBA603鍵合劑的RDX-HTPB體系的黏接狀況要優(yōu)于其余兩種，脫失現(xiàn)象明顯改善，說明三種鍵合劑中，LBA603鍵合劑對RDX-HTPB界面的改善作用最好。

4 結(jié)論

1）鍵合劑的加入可以明顯改善RDX-HTPB的界面黏接效果。

2）LBA603鍵合劑對RDX-HTPB界面的改善作用優(yōu)于b17和b25。