中性聚合物鍵合劑與奧克托今的界面作用

齊曉飛， 謝五喜， 嚴啟龍， 劉慶， 劉春

(1.西安近代化學研究所， 陜西 西安 710065； 2.西北工業大學 航天學院， 陜西 西安 710072)

中性聚合物鍵合劑與奧克托今的界面作用

齊曉飛1， 謝五喜1， 嚴啟龍2， 劉慶1， 劉春1

(1.西安近代化學研究所， 陜西 西安 710065； 2.西北工業大學 航天學院， 陜西 西安 710072)

為研究中性聚合物鍵合劑(NPBA)與奧克托今(HMX)鍵合作用的實質，進行NPBA的分子設計，采用分子動力學模擬方法研究了NPBA與HMX的界面作用。在此基礎上，用動態接觸角測量儀和表面- 界面張力儀測試NPBA與HMX的粘附功和界面張力，在硝酸酯增塑聚醚推進劑中考察了NPBA的應用效果。研究結果表明：3種NPBA與HMX界面分子間存在范德華力和氫鍵作用力；在NPBA分子上用—COOCH2CH2OH基團取代—COOCH3基團，或增加—CN基團數量，整體上增強了NPBA與HMX晶體的界面作用力，提高了推進劑的強度。

兵器科學與技術； 分子動力學模擬； 中性聚合物鍵合劑； 奧克托今； 界面作用

0 引言

自1990年Kim[1]發明中性聚合物鍵合劑(NPBA)以來，圍繞解決硝胺填充、硝酸酯增塑高能固體推進劑的“脫濕”問題，在NPBA分子設計[2-3]、合成[4-5]、改性[6-7]、作用機理[8-9]和應用[10-11]等各方面的研究工作取得了長足進展，為改善高能固體推進劑的力學性能指明了方向。雖然有關NPBA的研究報告層出不窮，但其分子結構設計思路仍采用半經驗法，應用效果驗證主要依靠繁瑣而耗時的實驗篩選工作，不僅占用大量的時間、人力、物力和財力，也難以保證最終的效果能達到預期的目標。

分子動力學(MD)模擬方法作為近年來發展較為迅速的微尺度數值模擬方法，因其能夠在分子水平上揭示材料結構與性能之間的關系，已成為研究鍵合劑與固體填料界面間相互作用的重要手段。如焦東明等[12]研究了4種常用鍵合劑在端羥基聚丁二烯(HTPB)與Al/Al2O3之間的界面作用，發現鍵合劑在Al和Al2O3晶面的中吸附能越高，模擬體系的力學性能越好。張麗娜等[13]研究了聚疊氮縮水甘油醚接枝海因(GAP_PDMH)與黑索今(RDX)、奧克托今(HMX)和高氯酸銨(AP)晶體界面間的相互作用，發現GAP_PDMH與填料之間存在著較強的氫鍵作用，力學性能實驗結果也證實了模擬結論。崔瑞禧等[14]計算了5種硼酸酯鍵合劑與RDX不同晶面間的相互作用能，發現鍵合劑在不同RDX晶面上的結合模式不同，且具有選擇性，原因與晶面上氧原子數量和鍵合劑的特征取代基團結構有關。

為此，本文結合文獻分析和工作實際，采用MD模擬方法在分子層面研究了NPBA與HMX的界面作用，在此基礎上通過動態接觸角測量儀和表面- 界面張力儀測試了NPBA與HMX的粘附功和界面張力，并在硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推進劑中考察NPBA的應用效果，為新型NPBA的分子設計和應用提供參考，也為高能固體推進劑的研究與發展提供理論參考和新的研究思路。

1 試驗與模擬

1.1 試驗

1.1.1 原材料及樣品制備

本文采用的3種NPBA(NPBA1、NPBA2和NPBA3)為丙烯腈(AN)、丙烯酸甲酯(MA)和丙烯酸羥乙酯(HEA)的無規共聚物，由西安近代化學研究所合成。其中NPBA1的鏈節摩爾比nAN∶nMA∶nHEA為4∶1∶1，NPBA2的鏈節摩爾比nAN∶nHEA為2∶1，NPBA3的鏈節摩爾比nAN∶nHEA為4∶1，三者的相對分子質量均為2 300左右。

NEPE推進劑基礎配方(NEPE0)的組分及其質量分數為：環氧乙烷- 四氫呋喃共聚醚/多異氰酸酯(質量分數9%)，硝酸酯(質量分數16%)，HMX(質量分數75%)。NPBA1、NPBA2和NPBA3分別外加入基礎配方中(相應的代號分別為NEPE1、NEPE2和NEPE3)，其外加量均為0.2%.

將NEPE推進劑各組分加入德國IKA公司產HKV-Ⅱ型立式捏合機中，真空捏合1 h，澆鑄，50 ℃固化7 d，退模并制備力學性能測試樣品。

1.1.2 試驗方法

界面性能實驗：采用德國DataPhysics公司DCAT2動態接觸角測量儀和表面- 界面張力儀測試。NPBA的接觸角采用Wilhelmy吊片法測試，步進速率0.2 mm/s，浸入深度8 mm；HMX的接觸角采用Modified washburn法測試，步進速率0.2 mm/s. 具體計算原理參見文獻[15]。

單向拉伸試驗：用美國INSTRON公司 4505材料試驗機測試推進劑樣品的最大拉伸強度和最大伸長率，樣品加工和試驗方法參照國家軍用標準GJB770B—2005中413.1節。拉伸速率100 mm/min；溫度為-40 ℃、20 ℃和50 ℃.

1.2 MD模擬

利用美國Accelrys公司Materials Studio軟件建立NPBA分子模型時，NPBA1聚合單元AN、MA和HEA的數目分別為20、5和5，NPBA2聚合單元AN和HEA的數目分別為20和10，NPBA3聚合單元AN和HEA的數目分別為28和7，NPBA分子模型上各類聚合單元均為隨機分布。此時3種NPBA分子模型的摩爾鏈節比分別為4∶1∶1、2∶1和4∶1，且相對分子質量均為2 300左右，使得所構建的模型與實際物質具有較好的對應關系。

由于實際HMX以晶體的形式存在，因此在建立HMX吸附NPBA界面模型時，首先根據β-HMX的晶體衍射數據[16]，構建HMX初始晶胞，模擬HMX的晶體形貌，確定HMX晶體的主要晶面后，擴建超晶面；然后，建立包含1條分子鏈的NPBA片層模型，將超晶面與片層模型復合，構建HMX吸附NPBA的6個界面模型，具體細節如2.1.1節中所述。3種NPBA的分子結構式及其模型見圖1，HMX超晶面、NPBA片層模型及界面模型見圖2，其余略。

圖1 NPBA的分子結構模型Fig.1 Models and molecular structure formulae of NPBAs

圖2 HMX晶體及其吸附NPBA界面模型Fig.2 Crystal morphology and crystal surface of HMX and bonding models of NPBA

在20 ℃和1.01×105Pa條件下，對6個界面模型進行MD模擬，獲取MD軌跡并進行分析，得到平均單點能和徑向分布函數等數據。MD模擬的參數設置和具體細節見文獻[17]。

2 模擬實驗結果與分析

2.1NPBA與HMX界面作用的MD模擬

2.1.1 HMX晶體形貌及其吸附NPBA界面模型

由于HMX以晶體形式存在，因此建立HMX吸附NPBA界面模型前，需先確定與NPBA分子產生作用的具體晶面。為此，選用與實驗結果吻合較好的Growth Morpholog方法[18]，計算得到了HMX的晶體形貌，為棱柱狀晶體(見圖2)，其主要晶面及參數見表1.

由表1可知，HMX晶體主要有(0 1 1)、(1 1 -1)、(0 2 0)、(1 0 0)和(1 0 -2)共5個晶面圍合組成，它們即為影響晶體形貌最重要的面。其中，(0 1 1)晶面面積最大，占總面積的61.1%，其次為(1 1 -1)晶面，占總面積的29.5%. 這兩個晶面共占HMX晶體顯露面積的90.6%以上，具有代表性，且二者顯露面上均有—NO2基團分布，易與NPBA分子上的極性分子產生相互作用。

因此，以(0 1 1)和(1 1 -1)晶面(見圖2)為基礎，建立吸附NPBA界面模型，進行后續研究。首先將(0 1 1)和(1 1 -1)晶面分別擴展為(2×4)和(4×2)的超晶面，真空層為0；然后根據上述2個超晶面的尺寸建立NPBA的無定型片層模型(見圖2)，共6個；最后將超晶面與片層模型復合，構建HMX吸附NPBA的6個界面模型，分別為HMX(0 1 1)/NPBA1、HMX(1 1 -1)/NPBA1、HMX(0 1 1)/NPBA2、HMX(1 1 -1)/NPBA2、HMX(0 1 1)/NPBA3和HMX(1 1 -1)/NPBA3(見圖2)。

表1 HMX的主要晶面及參數

2.1.2 結合能

結合能是表征混合體系組分間相互作用力強度的特征參數，HMX吸附NPBA界面模型的結合能越大，表明界面間的相互作用越強。結合能Eb=(EHMX+ENPBA)-EHMX/NPBA，其中EHMX、ENPBA和EHMX/NPBA分別為界面模型中HMX晶面、NPBA以及界面模型的平均單點能。6種界面模型結合能的模擬計算結果見表2.

表2 界面吸附模型的結合能

由表2可知，NPBA在(0 1 1)和(1 1 -1)晶面上結合能的大小次序均為NPBA3>NPBA2>NPBA1，表明NPBA3與HMX晶體的界面相互作用最強，NPBA2次之，NPBA1相對最弱。從NPBA分子結構的角度分析，NPBA2和NPBA1分子鏈上均有20個—CN基團，二者的主要差別在于—COOCH2CH2OH和—COOCH3基團的差異。相對于—COOCH3基團，雖然—COOCH2CH2OH基團的體積較大，空間位阻作用更強，降低了NPBA2分子鏈上極性原子與HMX晶面上—NO2基團間的相互作用，但—OH基團可與—NO2基團發生誘導作用而增強相互作用力，因而整體上提高了相互作用能，導致HMX晶面與NPBA2的結合能大于NPBA1. 與NPBA2相比，NPBA3分子鏈上的—CN基團增加了8個，增強了—CN基團與HMX晶面上—NO2基團間的相互作用，同時由于—COOCH2CH2OH基團減少了3個，空間位阻作用隨之弱化，這兩方面的因素補償并超出了因—OH基團減少而降低的結合能，使HMX晶面與NPBA3的結合能大于NPBA2.

2.1.3 徑向分布函數

對于NPBA與HMX晶體界面間的分子間相互作用力情況，可通過計算體系內各原子對的徑向分布函數g(r)予以分析。徑向分布函數是反映材料微觀結構的特征物理量，它表示在距離某一設定中心粒子A為r處，另一設定粒子B的數目密度與B平均數目密度的比值，即

g(r)=NAB/(ρ4πr2)，

(1)

式中：NAB表示與中心粒子A距離為r到r+dr處粒子B的數目；ρ表示粒子B的平均數目密度。

由于體系的原子種類較多，考慮到篇幅因素，且相對于氮原子，—NO2基團中氧原子與其他極性分子間的作用力更強[17]，為此僅選取了HMX(0 1 1)晶面上—NO2基團中氧原子，對其與NPBA分子基團上極性原子間的徑向分布函數進行了計算，并根據徑向分布函數曲線峰的位置和高低判斷原子間的作用力類型和強弱[19]。

HMX(0 1 1)晶面上—NO2基團中氧原子O1與NPBA分子鏈上—CN基團上氮原子NNPBA之間的徑向分布函數曲線見圖3.

圖3 界面模型中O1-NNPBA原子對的徑向分布函數Fig.3 Radial distribution functions of O1-NNPBA in bonding models

由圖3可知，O1-NNPBA1、O1-NNPBA2和O1-NNPBA3原子對分別在0.33nm和0.46nm附近出現峰，峰值分別為2.33、2.42、4.17和2.53、1.70、2.35，表明HMX(0 1 1)晶面上—NO2基團中O原子與3種NPBA分子鏈上—CN基團中N原子間存在近程和遠程范德華力，其中O1-NNPBA3原子對間的近程范德華力作用最強，O1-NNPBA1原子對間的遠程范德華力作用最強。可見對于NPBA分子而言，增加—CN基團的數量可增強其與HMX晶體間的近程范德華力作用；同時，減少乃至用—COOCH3基團替代—COOCH2CH2OH基團可弱化分子鏈側基的空間位阻作用，有利于增強—CN基團與HMX晶體間的遠程范德華力作用。

HMX(0 1 1)晶面上—NO2基團中氧原子O1與NPBA分子鏈上—COOCH2CH2OH和—COOCH3基團上羰基氧原子O1NPBA之間的徑向分布函數曲線見圖4.

圖4 界面模型中O1-O1NPBA原子對的徑向分布函數Fig.4 Radial distribution functions of O1-O1NPBA in bonding models

由圖4可知，O1-O1NPBA1、O1-O1NPBA2和O1-O1NPBA3原子對在0.34 nm附近的范德華力峰值依次降低，分別為2.69、2.52和2.42. 由此可知，減少乃至用—COOCH3基團替代—COOCH2CH2OH基團，雖可弱化分子鏈側基的空間位阻作用，有利于增強—CN基團與HMX晶體間的范德華力作用，但卻一定程度上減弱了—COOCH2CH2OH和—COOCH3基團與HMX晶體間的范德華力作用。

HMX(0 1 1)晶面上—NO2基團中氧原子O1與NPBA分子鏈上—COOCH2CH2OH基團上羥基氧原子O2NPBA之間的徑向分布函數曲線見圖5.

圖5 界面模型中O1-O2NPBA原子對的徑向分布函數Fig.5 Radial distribution functions of O1-O2NPBA in bonding models

由圖5可知，O1-O2NPBA1、O1-O2NPBA2和O1-O2NPBA3原子對在0.27 nm和0.35 nm附近出現范德華力峰，峰值分別為2.79、3.48 、3.11和3.19、4.08、3.55，表明3種原子對之間形成O—H…O型氫鍵的同時，還存在范德華力作用。且HMX晶體與NPBA2分子之間的兩種作用力最強，與NPBA3分子次之，與NPBA1分子相對最弱，其強弱順序由NPBA分子鏈上—COOCH2CH2OH基團的數量決定。

上述模擬結果不僅從分子層面證明了NPBA與HMX晶體間存在較強的界面作用力，而且根據作用力的種類及強弱變化情況，還證實了2.1.2節中的推論，即用—COOCH2CH2OH基團取代—COOCH3基團，或增加—CN基團數量，整體上增強了NPBA與HMX晶體的界面作用力，使復合體系結合能增加。

2.2 NPBA與HMX界面作用的實驗結果

2.2.1 NPBA與HMX的粘附功和界面張力

采用動態接觸角測試儀的Wilhelmy吊片法和Modified washburn法，分別測試了合成的3種NPBA和HMX在不同液體中的接觸角θ，結果見表3.

表3 NPBA和HMX在不同液體中的接觸角

由表3中測試結果，應用Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK )表面張力計算方法，分別擬合得到3種NPBA和HMX的表面張力γ、極性分量γp和非極性分量γd(結果見表4)，計算公式如下：

(2)

表4 NPBA和HMX的表面張力

由表4中測試結果，計算得到3種NPBA分別與HMX之間的界面張力γAB為

(3)

然后，根據

WAB=γA+γB-γAB

(4)

計算得到3種NPBA分別與HMX之間的粘附功WAB. 界面張力和粘附功計算結果見表5.

表5 NPBA與HMX之間的界面張力和粘附功

由表5可知，NPBA3與HMX的粘附功最大(113.34 mN/m)，且界面張力最小(4.81 mN/m)，表明3種NPBA中NPBA3與HMX的浸潤性(粘結性)最好，且外力破壞粘接界面需做的功(粘結強度)最大。與NPBA1相比，雖然NPBA2與HMX的粘附功相對較大(分別為75.06 mN/m和78.38 mN/m)，但其界面張力相對也大(分別為21.51 mN/m和24.12 mN/m)，表明NPBA2與HMX的粘結強度大于NPBA1，但浸潤性略弱。

從上述實驗結果可知，用—COOCH2CH2OH基團取代—COOCH3基團(用HEA取代MA鏈節)，或增加—CN基團數量(增加AN鏈節)，NPBA更容易吸附于HMX顆粒表面，增強了二者間的粘結性；同時，增加—CN基團數量，或用—COOCH3基團取代—COOCH2CH2OH基團，有利于NPBA在HMX顆粒表面浸潤和鋪展，增強了二者間的親和性。

2.2.2 NPBA對推進劑力學性能的影響

分別在-40 ℃、20 ℃、50 ℃溫度條件下，采用單向拉伸實驗得到了含與不含NPBA推進劑的最大拉伸強度σm和最大伸長率εm，其結果見表6.

由表6可知，加入NPBA后，推進劑的強度得到不同程度的提高，表明3種NPBA均有效吸附于HMX顆粒表面，并與固化劑發生交聯反應，從而顯著提高了推進劑的強度。3種NPBA中，NPBA3提高推進劑強度的程度最為顯著，NPBA2次之，NPBA1再次，與粘附功的大小次序一致。

此外，比較表6中的伸長率數據可知，相對于NPBA1和NPBA3，—OH基團數量最多的NPBA2提高推進劑伸長率的程度最小，原因可能是—OH基團數量過多導致鍵合劑與粘結劑過度交聯，反而對推進劑的伸長率造成不利影響。

表6 NPBA對推進劑力學性能的影響

上述實驗結果與2.1節中模擬結果相符，結合能與粘附功之間存在對應關系，即NPBA與HMX的結合能越大其粘結性能越好，增加推進劑強度的效果越好。

3 結論

1) HMX與NPBA界面原子間存在近程、遠程范德華力和氫鍵作用力，這些作用力的強弱與—CN基團的數量、—COOCH2CH2OH基團的數量及其空間位阻作用有關。

2) NPBA與HMX的粘附功與結合能之間存在對應關系，即二者間的粘附功越大其結合能越大；用—COOCH2CH2OH基團取代—COOCH3基團，或增加—CN基團數量，整體上增強了NPBA與HMX晶體的界面作用力，使復合體系結合能增加，推進劑強度增大。

3) 本文采用的MD模擬方法對于研究NPBA與HMX之間的界面作用具有較高的準確度，可用于指導NPBA分子設計。

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InterfacialInteractionBetweenNPBAandHMX

QI Xiao-fei1, XIE Wu-xi1, YAN Qi-long2, LIU Qing1, LIU Chun1
(1.Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, Shaanxi, China；2.School of Astronautics，Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi, China)

In order to explore the interfacial interaction mechanisms of neutral polymeric bonding agent (NPBA) and HMX, which is important for molecular design of NPBA, their interfacial bonding is evaluated by using molecular dynamics simulation. The interfacial tension and the work of adhesion between NPBA and HMX are measured by means of the dynamic contact angle meter and tension meter. The results show that the H-bond and van der Waals force could be formed on the interface among three kinds of NPBA molecules and HMX crystals. In general, the NPBA with —COOCH3group has higher interfacial bonding than that containing —COOCH2CH2OH group. With the increase in —CN content in NPBA, the interfacial bonding increases as well, resulting in the enhanced tensile strength of the corresponding propellants.

ordnance science and technology; molecular dynamics simulation; neutral polymeric bonding agent; HMX; interfacial interaction

2017-04-06

燃燒與爆炸技術重點實驗室基金項目(9140C350319140C35161)

齊曉飛(1981—)， 男， 副研究員。 E-mail: fayeqee@aliyun.com

V512+.3

A

1000-1093(2017)10-1942-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.10.009