NENA對NC溶塑作用的實(shí)驗(yàn)與模擬①

齊曉飛，張曉宏，郭 昕，張 偉，陳 竚，張軍平

(1.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065;2.西北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，西安 710072)

0 引言

近年來，隨著人們對武器平臺生存能力的關(guān)注和需求，低易損性火炸藥的概念應(yīng)運(yùn)而生。其中，低易損性推進(jìn)劑技術(shù)正是低易損性火炸藥技術(shù)發(fā)展的內(nèi)容之一［1－2］。在這種背景下，尋求并應(yīng)用高能鈍感增塑劑替代復(fù)合改性雙基推進(jìn)劑(CMDB)的敏感增塑劑組分硝化甘油(NG)，已成為該類推進(jìn)劑滿足低易損性要求的關(guān)鍵。

在眾多的含能增塑劑之中，硝氧乙基硝胺類含能增塑劑(NENA)因具有能量高、感度低、化學(xué)安定性好、凝固點(diǎn)低且燃燒氣體相對分子質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)［3－6］，已成功應(yīng)用于發(fā)射藥和NEPE推進(jìn)劑，并降低其感度［7］，這為研制低易損性CMDB推進(jìn)劑提供了一定的借鑒。

由于CMDB推進(jìn)劑依靠增塑劑溶塑NC而固化成型，因此研究NENA對NC的溶塑作用，對于推進(jìn)劑工藝參數(shù)的確定和力學(xué)性能的研究具有重要意義。同時也是進(jìn)一步研究推進(jìn)劑燃燒性能、感度和能量特性等方面的基礎(chǔ)所在。

本文采用動態(tài)流變學(xué)方法和單向拉伸實(shí)驗(yàn)測試，對比研究了NENA和NG溶塑NC的完整歷程及其溶塑產(chǎn)物的力學(xué)性能，并在此基礎(chǔ)上通過分子動力學(xué)模擬(Molecular dynamics simulation，MD)［8－10］，在分子水平上認(rèn)識2種增塑劑對NC的溶塑作用存在差異的原因，為NENA推廣應(yīng)用于CMDB推進(jìn)劑提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)與模擬

1.1 實(shí)驗(yàn)

1.1.1 配方及樣品制備

將NC球形藥分別與等質(zhì)量的NENA和NG加入HKV-II型立式捏合機(jī)(德國產(chǎn))，真空捏合0.5 h，取樣。部分樣品進(jìn)行流變實(shí)驗(yàn);另一部分樣品70℃固化72 h，退模并制備力學(xué)性能測試樣品。其中，NC的氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.87%。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)方法

動態(tài)流變學(xué)實(shí)驗(yàn):采用HAAKE RS300流變儀(德國產(chǎn))，以平行板方式測試樣品在小形變震蕩剪切條件下的儲能模量 G'，得到其動態(tài)時間譜;測試頻率6.28 rad/s;應(yīng)變幅度3%;溫度70℃。

單向拉伸實(shí)驗(yàn):將樣品制成10 mm×10 mm×120 mm藥塊，用INSTRON 4505材料試驗(yàn)機(jī)(美國產(chǎn))，測試其最大拉伸強(qiáng)度和最大伸長率，具體實(shí)驗(yàn)方法參照GJB 770B—2005中413.1;拉伸速率100 mm/min;溫度 －40、20、50 ℃。

1.2 分子動力學(xué)模擬

依據(jù)NC、NENA和NG的化學(xué)結(jié)構(gòu)式，用美國Accelrys公司開發(fā)的Materials Studio軟件，建立NC和增塑劑分子的物理模型;然后，構(gòu)建等質(zhì)量比的NC/NENA和NC/NG共混體系模型，其中NC分子鏈、NENA和NG分子的數(shù)目分別為2條(分別標(biāo)記為NC-A和NC-B)、98個和90個;2種模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 NC、NENA、NG及其共混體系模型Fig.1 Models of NC，NENA，NG and their blends

分別在 －40、20、50、70 ℃，1.01 ×105Pa條件下，對2種共混體系模型進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，獲取分子動力學(xué)軌跡并進(jìn)行分析，得到均方位移、自由體積和徑向分布函數(shù)等數(shù)據(jù)。模型建立和MD模擬的具體細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)［11］。

2 結(jié)果及討論

2.1 溶塑過程的速率

2.1.1 流變特性分析

動態(tài)流變學(xué)方法可在不破壞樣品結(jié)構(gòu)的情況下，以小幅震蕩剪切方式測得材料的應(yīng)力-應(yīng)變松弛行為。由于測得的G'對材料結(jié)構(gòu)特性的變化非常敏感，因此可用G'隨時間的變化表征NC/NENA和NC/NG共混體系的溶塑過程，二者的動態(tài)時間譜見圖2。

圖2 NC/NENA和NC/NG共混體系G'在70℃下的動態(tài)時間譜Fig.2 Evolution of G'of NC/NENA and NC/NG blends at 70℃

由圖2可知，2種共混體系G'的初始值較小，原因是此時NC尚未開始溶塑，共混體系宏觀上仍處于粘流態(tài)，其力學(xué)響應(yīng)較小。隨著時間的持續(xù)，增塑劑逐漸擴(kuò)散進(jìn)入NC球形藥內(nèi)部，使NC分子鏈溶脹、遷移乃至互相纏結(jié)，微觀上形成物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，體系的彈性結(jié)構(gòu)不斷完善，形變時消耗的能量增多，從而使G'值逐漸增大，并最終趨于一穩(wěn)定數(shù)值;但由于增塑劑種類的不同，2種共混體系G'的變化規(guī)律和速率存在很大差異。

對于NC/NENA共混體系而言，溶塑初始階段(Stage I)NENA分子擴(kuò)散進(jìn)入NC分子鏈間的速率較快，NC分子鏈迅速溶脹，并隨之發(fā)生遷移，因而G'急劇增大。相比之下，在NC/NG共混體系溶塑的初始階段(Stage a)，NG分子擴(kuò)散進(jìn)入NC分子鏈間的速率相對較慢，NC分子鏈的溶脹程度較低，容納NC分子鏈遷移運(yùn)動的空間較小，此時 G'變化速率較慢;之后(Stage b)，隨著NC分子鏈溶脹程度的增加，NC分子鏈鏈段遷移的速率加快，G'變化速率相應(yīng)加快。在2種共混體系的溶塑后期(Stage II和Stage c)，隨著體系三維物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的逐步完善，NC分子鏈相互碰撞的機(jī)會增加，其溶脹和遷移運(yùn)動均受到抑制，體系的結(jié)構(gòu)特性基本不再變化。因此，G'增大的趨勢逐漸平緩，并最終趨于穩(wěn)定。

上述研究表明，NC溶塑過程的快慢與增塑劑分子擴(kuò)散運(yùn)動能力的強(qiáng)弱密切相關(guān)。為驗(yàn)證這一結(jié)論，建立了NC/NENA和NC/NG共混體系微觀結(jié)構(gòu)模型(見圖1)，并通過MD模擬研究了NENA和NG分子的擴(kuò)散運(yùn)動能力。對此將在后續(xù)部分進(jìn)行詳細(xì)論述。

2.1.2 均方位移分析

在70℃條件下，對NC/NENA和NC/NG共混體系模型進(jìn)行MD模擬，得到了2種共混體系中增塑劑分子的均方位移(Mean Squared Displacement，MSD)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 共混體系中NENA和NG分子70℃下的MSDFig.3 MSD of NENA and NG molecules of blends at 70 ℃

MSD反映模擬體系中分子的空間位置對初始位置的偏離程度，即

式中 rt表示t時刻分子的坐標(biāo);r0表示分子的初始坐標(biāo)。

由圖3可知，在200 ps的模擬時間段內(nèi)，共混體系中增塑劑分子的MSD曲線近似呈直線，其值隨模擬時間而增大，且NENA分子的MSD曲線斜率明顯大于NG分子。可見，前者的擴(kuò)散運(yùn)動能力強(qiáng)于后者。為定量比較2種增塑劑分子的擴(kuò)散運(yùn)動能力，將2條MSD曲線進(jìn)行擬合，得到曲線對時間的斜率，將其代入計(jì)算分子擴(kuò)散系數(shù)的 Einstein-Smoluchowski方程［12］:

得到NENA和NG分子在NC中的擴(kuò)散系數(shù)分別為2.12 ×10－10m2/s和1.39 ×10－10m2/s，前者約為后者的1.5倍。

綜合實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果可知，與NG相比，NENA分子擴(kuò)散進(jìn)入NC分子鏈間的速率較快，進(jìn)而加快了NC的溶塑過程。因此，將NENA應(yīng)用于推進(jìn)劑時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)，縮短固化時間。

2.2 溶塑產(chǎn)物的力學(xué)性能

2.2.1 靜態(tài)力學(xué)性能分析

推進(jìn)劑依靠增塑劑溶塑NC而固化成型，可通過對比其力學(xué)性能，分析增塑劑對NC的溶塑效果。分別在－40、20、50℃條件下，采用單向拉伸實(shí)驗(yàn)得到了NC/NENA和NC/NG共混體系溶塑產(chǎn)物的最大拉伸強(qiáng)度σm和最大伸長率εm，其結(jié)果見表1。

表1 共混體系的最大拉伸強(qiáng)度和最大伸長率Table 1 Maximum tensile strength and elongation rate of blends

由表1可知，隨溫度升高，2種溶塑產(chǎn)物的σm減小而εm增大，且變化幅度較大。這是由于NC為一種剛性高分子材料，其玻璃化溫度較高，低溫時高分子鏈處于“凍結(jié)”狀態(tài)，外力作用下不易形變，因而此時溶塑產(chǎn)物的σm大而εm小;同時，由于NC分子鏈間無鍵橋連接，高溫時在外力作用下，分子鏈易發(fā)生相對滑移，因而此時溶塑產(chǎn)物的σm小而εm大。可見，NENA取代NG后，溫度對溶塑產(chǎn)物力學(xué)性能的影響規(guī)律并未發(fā)生變化。但比較同種溫度條件下的數(shù)據(jù)可知，用NENA取代NG后，溶塑產(chǎn)物的低溫εm由1.78%增大至2.35%;同時，其高溫 σm也由 5.13 MPa增大至6.63 MPa。表明與NG相比，NENA對NC的溶塑效果更好，能在一定程度上改善推進(jìn)劑的高低溫力學(xué)性能。

從結(jié)構(gòu)上看，上述2種溶塑產(chǎn)物均屬于高聚物，其力學(xué)性能與NC分子鏈的運(yùn)動能力密切相關(guān)。因此，為從微觀角度揭示NENA對NC溶塑效果較好的原因。本文通過MD模擬對NC/NENA和NC/NG共混體系模型開展了下列研究工作。

2.2.2 自由體積分析

分別在 －40、20、50℃條件下，對 NC/NENA和NC/NG共混體系模型進(jìn)行MD模擬，得到了2種模型的體積分布(圖4(a))，其結(jié)果見表2;同時，還計(jì)算了單個NENA和NG分子的體積(圖4(b))，二者分別為0.189 nm3和 0.168 nm3。

圖4 不同溫度下NC/NENA和NC/NG共混體系的體積分布Fig.4 Volume distribution of NC/NENA and NC/NG blends at different temperatures

表2 不同溫度下共混體系中分子的占有體積和自由體積Table 2 Occupied volume and free volume for molecules of blends at different temperatures nm3

圖4(a)中，白色部分為NC和增塑劑分子的占有體積(V占有)，深色部分為分子之間的空隙，定義為自由體積(V自由)。由圖4和表2可知，在同種溫度條件下，由于相對較大的分子體積，NENA取代NG后，一方面使體系的V占有由36 nm3左右增加至41 nm3左右;另一方面，也使體系分子間的間隙增大，V自由由5 nm3左右增加至6 nm3以上。同時，由表2可知，隨溫度升高，體系的V自由相應(yīng)增加;且由于分子間的間隙增大，導(dǎo)致部分重疊體積暴露出來，使探針(半徑為0.1 nm)所計(jì)算的V占有也略有增加。可見，NENA取代NG后，起到了部分與升高溫度相類似的作用，增加了體系的自由體積，使其在受到外力作用時，容納NC分子鏈鏈段內(nèi)旋轉(zhuǎn)、躍遷甚至整鏈滑移的空間增大，形變量相應(yīng)增加，這可能是2.2.1節(jié)中NENA取代NG后，溶塑產(chǎn)物εm增大的原因之一。

2.2.3 徑向分布函數(shù)分析

除了改變體系的自由體積，NENA取代NG后，還必然影響體系內(nèi)部的分子間作用力，進(jìn)而影響溶塑產(chǎn)物的力學(xué)性能。對于溶塑產(chǎn)物的分子間作用力情況，可通過計(jì)算體系內(nèi)各原子對的徑向分布函數(shù)(g(r))予以分析。g(r)是反映材料微觀結(jié)構(gòu)的特征物理量，它表示在距離某一設(shè)定中心粒子A為r處，另一設(shè)定粒子B的數(shù)目密度與B的平均數(shù)目密度的比值，即

式中 NAB為與中心粒子A距離為r到r+dr處粒子B數(shù)目;ρ為粒子B的平均數(shù)目密度。

由于體系的原子種類較多，考慮到篇幅因素，僅選取了NC、NENA和NG分子—NO2基團(tuán)的頂端氧原子O2、O3和O4，對它們在20℃條件下與NC分子—OH基團(tuán)中氧原子O1的徑向分布函數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，其結(jié)果如圖5所示。

氫鍵作用力和范德華力的作用范圍分別為0.26～0.31 nm 和0.31 ～0.50 nm。因此，可根據(jù) g(r)峰的位置和高低判斷原子間的作用力類型和強(qiáng)弱。由圖5可知，NENA與NC分子間的O1—O3原子對分別在0.27 nm和0.41 nm附近出現(xiàn)氫鍵作用力和范德華力峰，g(r)值分別為0.84和0.77;而 NG與 NC分子間O1—O4原子對的2種作用力g(r)值分別為1.05和0.85;可見，對于增塑劑與NC分子間的作用力而言，NC/NG共混體系強(qiáng)于NC/NENA共混體系。但對于NC分子自身的作用力(O1—O2原子對)，NC/NG共混體系則弱于NC/NENA共混體系，氫鍵作用力和范德華力的 g(r)值分別為0.35、0.31 和 0.42、0.38。

文獻(xiàn)［11］研究表明，NG可與NC分子形成氫鍵而替代NC分子內(nèi)的氫鍵，使NC分子內(nèi)的作用力減弱，進(jìn)而增強(qiáng)其鏈段移動性。因此，根據(jù)上述徑向分布函數(shù)模擬結(jié)果可知，相對于NG，NENA與NC分子間的作用力較弱，一定程度上增強(qiáng)了NC分子自身的作用力，而降低了其鏈段移動性，因而使溶塑產(chǎn)物形變時需要的外力增大，這可能是2.2.1節(jié)中NC/NENA共混體系溶塑產(chǎn)物εm比NC/NG共混體系溶塑產(chǎn)物大的原因之一。

圖5 共混體系中各原子對徑向分布函數(shù)Fig.5 Radial distribution functions for different atoms at blends

3 結(jié)論

(1)NENA和NG分子在NC中的擴(kuò)散系數(shù)分別為2.12 ×10－10m2/s和 1.39 ×10－10m2/s;NENA 擴(kuò)散進(jìn)入NC分子鏈之間的速率較快，取代NG后，加快了NC的溶塑速率，改變了塑化過程力學(xué)響應(yīng)的變化規(guī)律。

(2)NENA取代NG后，一方面NENA分子較大的體積增加了體系的自由體積，使得容納NC分子鏈鏈段運(yùn)動的空間增大;另一方面，NENA與NC分子間相對較小的作用力，降低了NC分子鏈的鏈段移動性。這兩方面的作用，使NC分子鏈的微觀運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變，而在宏觀上表現(xiàn)出溶塑產(chǎn)物的伸長率和拉伸強(qiáng)度同時增大的現(xiàn)象。

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