一種脫模劑在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體絕熱材料成型中的應(yīng)用

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一種脫模劑在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體絕熱材料成型中的應(yīng)用

張 寧1耿志剛1李 聰1張 云2劉 崢1張新航1祁本利1李曉?shī)^1

（1. 西安長(zhǎng)峰機(jī)電研究所，西安 710065；2. 空裝駐西安地區(qū)第八軍事代表室，西安 710065）

分析了不同脫模劑在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體絕熱材料成型中的脫模效果，結(jié)果表明：8421A脫模劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，表面張力值為22.3mN/m，脫模次數(shù)最大，效果最佳。按照工藝方法處理后，用于長(zhǎng)徑比為18的絕熱材料成型中可循環(huán)使用9次，且制備的產(chǎn)品合格率達(dá)100%，性能滿足設(shè)計(jì)需求。此種脫模劑應(yīng)用于其它大長(zhǎng)徑比產(chǎn)品中，脫模效果也尤為顯著。

脫模劑；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室；大長(zhǎng)徑比；三元乙丙

1 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體防熱通常采用三元乙丙橡膠絕熱層[1，2]。在絕熱層成型過(guò)程中，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸特點(diǎn)，需要使用不同類型的脫模劑。目前，脫模劑是橡膠類制品加工助劑，具有高耐熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，主要用來(lái)降低橡膠與模具之間的摩擦力，使橡膠制品在擠出、壓制和硫化時(shí)易于脫模。隨著橡膠、塑料、聚氨酯制品以及金屬構(gòu)件等在制造工業(yè)及科技領(lǐng)域中的蓬勃發(fā)展，脫模劑的使用越來(lái)越廣泛，其用量也大幅度提高[3，4]。其中注塑、擠出、壓延、模壓、層壓等工藝的迅速發(fā)展，更促進(jìn)了脫模劑的發(fā)展，不論在產(chǎn)量上還是品種數(shù)量上，脫模劑都已成為橡塑助劑的一大類[5，6]。按照脫模劑的用法可分為外脫模劑和內(nèi)脫模劑，按其壽命可分為犧牲型脫模劑和半永久型脫模劑。而常用的脫模劑為外脫模半永久型脫模劑，其使用是通過(guò)涂覆在模具表面，經(jīng)交聯(lián)固化形成一層完整均勻的薄膜，該交聯(lián)膜的組分不向制品轉(zhuǎn)移，不污染制品，基本不消耗，因此可增大脫模性能與涂膜耐久性，從而一次涂覆便可多次脫模。常用的脫模劑類型分為蠟系脫模劑（如合成石蠟、聚乙烯蠟等）、硅系脫模劑（硅油、硅脂、硅橡膠等），氟系脫模劑（聚四氟乙烯、氟樹(shù)脂粉末等），表面活性劑系（如陰陽(yáng)離子型、EO、PO非離子性等），聚醚系列等[7～12]。

在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體燃燒室防熱材料應(yīng)用中，需針對(duì)型號(hào)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性及功能等條件，設(shè)計(jì)三元乙丙防熱材料。本文研究的是一種水溶性脫模劑在大長(zhǎng)徑比固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱材料成型脫模中的應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

三元乙丙混煉膠，自制；硼酚醛預(yù)浸帶，自制；295-3D硅脂（晨光化工有限公司）；80#微晶石蠟（振超化工有限公司）；脫模劑8421A（LUBKO）；JMPPG-600石蠟醚A（華凱化工有限公司）。

2.2 儀器設(shè)備

試件成型模板（工作面a≤0.8μm）、50t平板硫化機(jī)、鼓風(fēng)干燥箱、電動(dòng)噴槍、BZ-103Y表面張力測(cè)試儀。

2.3 試樣制備

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HB5479測(cè)試方法，分別按照硅脂、微晶石蠟、LUBKO 8421A、石蠟醚A脫模劑的使用條件，配制不同濃度及有效成分的幾種脫模劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中硅脂、微晶石蠟采用純物質(zhì)，LUBKO 8421A配制水溶液濃度為5%、10%、15%、20%、25%（常溫配置，攪拌均勻），石蠟醚A配制水溶液濃度為1%、2%、3%、4%、5%（在40℃溫度下，攪拌均勻），供實(shí)驗(yàn)使用。

2.3.1 硼酚醛預(yù)浸帶試樣試制

a. 用丙酮將試驗(yàn)件成型模板擦洗干凈，放入鼓風(fēng)干燥箱(95±5)℃，恒溫40min，取出后將脫模劑按規(guī)定用量涂于試驗(yàn)件成型模板。

b. 在涂有脫模劑的成型模板上鋪貼300mm×300mm預(yù)浸料，厚度能保證壓制出1mm厚的材料，蓋上上壓板放入壓機(jī)。

c. 升溫到125℃加壓0.5MPa；該壓力下繼續(xù)升溫(150±5)℃，保溫1.5h；再升溫到(175±5)℃，保溫2h；隨后冷卻到65℃以下，卸壓脫模。看板材與模板有無(wú)粘連，表面是否光滑，若無(wú)粘連且表面光滑即為脫模效果合格。

2.3.2 三元乙丙試樣試制

a. 用丙酮將試驗(yàn)件成型模板擦洗干凈，放入鼓風(fēng)干燥箱(95±5)℃，恒溫40min，取出后將脫模劑按規(guī)定用量涂于試驗(yàn)件成型模板。

b. 在涂有脫模劑的成型模板上鋪貼300mm×300mm三元乙丙生膠，厚度能保證壓制出1mm厚的材料，蓋上上壓板放入壓機(jī)。

c. 升溫到125℃加壓0.5MPa；該壓力下繼續(xù)升溫(160±5)℃，加壓到6MPa，保溫1.5h；隨后冷卻到65℃以下，卸壓脫模。看板材與模板有無(wú)粘連，表面是否光滑，若無(wú)粘連且表面光滑即為脫模效果合格。

經(jīng)測(cè)試，硅脂成膜效果不均勻，而微晶石蠟室溫涂抹不易于操作，工藝性較差，且耐溫性不好，使用8421A和石蠟醚A脫模劑的脫模效果合格。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 兩種脫模劑性能分析

3.1.1 8421A及石蠟醚A脫模劑濃度與脫模次數(shù)的關(guān)系影響

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，篩選出兩種較好地脫模劑，并按照HB5479測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞N脫模劑有效成分含量與脫模次數(shù)，得到脫模劑有效成分與脫模次數(shù)的關(guān)系圖，如圖1所示。

圖1 兩種脫模劑不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下對(duì)脫模次數(shù)的影響

由圖可知：脫模劑中各功能組分用量的不同對(duì)脫模劑的性能有著顯著的影響。兩種脫模劑的脫模次數(shù)隨著有效成份的增加先增加而后降低。8421A脫模劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，脫模次數(shù)最多達(dá)到20次；石蠟醚A脫模劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，脫模次數(shù)達(dá)到17次。二者若繼續(xù)增加其濃度，脫模次數(shù)反而下降；這是因?yàn)橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大時(shí)，多余的成分成膜不能完全固化，而形成一層油狀物，雖然會(huì)減小初次脫模時(shí)的阻力，但會(huì)影響后續(xù)脫模次數(shù)，并且該油狀物可能會(huì)粘附在制品表面，污染制品，同時(shí)也是成本的浪費(fèi)。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的8421A脫模劑脫模次數(shù)最多；使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%石蠟醚A脫模劑脫模次數(shù)最大；說(shuō)明兩種脫模劑都有各自的最佳使用濃度值。

3.1.2 8421A及石蠟醚A脫模劑表面張力測(cè)試

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，篩選出兩種脫模劑的最佳使用濃度分別為15%及2.5%，并測(cè)定該濃度下的兩種脫模劑表面張力值，以純水作對(duì)照實(shí)驗(yàn)。兩種脫模劑溶液在溫度23℃下，采用BZ-103Y表面張力測(cè)試儀測(cè)量表面張力，得到的測(cè)試結(jié)果如圖2曲線所示。

圖2 三種液體表面張力測(cè)試曲線

由結(jié)果可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的8421A脫模劑的表面張力值為22.3mN/m，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的石蠟醚A脫模劑表面張力值為33.4mN/m。可知8421A脫模劑脫模性能優(yōu)于石蠟醚A。像8421A這種脫模劑可能因其含有極性全氟碳鏈，具有良好的熱、化學(xué)穩(wěn)定性，表面張力低，使用濃度低，表面活性高的緣故[13～19]。

3.1.3 8421A及石蠟醚A脫模劑脫模次數(shù)與剝離力及脫模壽命的關(guān)系影響

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)篩選出兩種脫模劑的最佳使用濃度值后，又對(duì)該濃度值下的兩種脫模劑脫模次數(shù)與剝離力關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得到結(jié)論如圖3所示。隨著脫模次數(shù)的增加，兩種脫模劑的剝離力都逐漸增大。使用8421A脫模劑脫模9次后，制品與模具之間的剝離力急劇增加，是初始時(shí)的2.2倍，后逐漸趨于平緩。使用石蠟醚A脫模劑脫模6次后，制品與模具之間的剝離力急劇增加，是初始時(shí)的2倍。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，制品與模具之間的剝離力大于4N/cm后，脫模難度極大，容易損壞制品或模具。可得出兩種脫模劑使用時(shí)，各自的脫模壽命值，過(guò)早涂抹會(huì)影響脫模次數(shù)或污染制品表面；過(guò)晚涂抹會(huì)使制品與模具之間的剝離力值過(guò)大，增大了脫模難度，影響制品合格率。8421A脫模劑的脫膜性能優(yōu)良，該半永久型脫模劑使用工藝簡(jiǎn)單，在模具表面涂覆后，涂層能較快固化成膜，初次脫模剝離力約為2N/cm，多次脫模后剝離力仍低于5N/cm。

圖3 兩種脫模劑脫模次數(shù)與剝離力的關(guān)系

3.2 脫模劑在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室絕熱材料成型中的應(yīng)用

3.2.1 型號(hào)產(chǎn)品特點(diǎn)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具有高速度、遠(yuǎn)射程、高命中率的功能特點(diǎn)。

常規(guī)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)無(wú)法滿足高速度、遠(yuǎn)射程的功能特點(diǎn)，因其一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)作為承壓燃燒室，工作時(shí)受高溫高壓燃?xì)獾妮d荷作用，燃燒室殼體發(fā)生變形，會(huì)引起彈體失穩(wěn)。所以總體單位對(duì)殼體設(shè)計(jì)提出了大長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)徑比為18）的要求，且無(wú)脫模斜度。

通常使用的脫模劑對(duì)于這類大長(zhǎng)徑比的橡膠制品來(lái)說(shuō)，脫模極其困難，廢品率較高，影響制造成本及交付節(jié)點(diǎn)。故傳統(tǒng)方法對(duì)于這類大長(zhǎng)徑比的絕熱層采用分段式粘貼，粘貼工藝復(fù)雜繁瑣，不確定因素較高；使用分段式粘貼，無(wú)法提供高強(qiáng)內(nèi)壓載荷環(huán)境，進(jìn)而無(wú)法提高固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能，必須采用大長(zhǎng)徑比絕熱層一次成型技術(shù)。

根據(jù)某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)其絕熱層成型哈夫模示意圖如圖4所示。

圖4 某型號(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層哈夫模模具設(shè)計(jì)示意圖

3.2.2 脫模劑在絕熱層成型中的應(yīng)用

a. 將三元乙丙橡膠、補(bǔ)強(qiáng)劑、過(guò)氧化二異丙苯及3種填料按照一定質(zhì)量比混合，在煉膠機(jī)上混煉30min；然后薄通2遍，出膠片晾置，待膠料溫度降至室溫后打卷稱重，放置12h，待用；

b. 將模具在50t平板硫化機(jī)上進(jìn)行預(yù)熱，此時(shí)稱取8421A脫模劑4g，加入20g蒸餾水混勻，待用；

c. 混合好的脫模劑溶液加入電子噴槍內(nèi)，待模具溫度達(dá)到100℃后，打開(kāi)模具對(duì)型芯進(jìn)行噴涂脫模劑；將模具放在硫化機(jī)上，加熱升溫，當(dāng)模具溫度達(dá)到130℃保持10min，隨后取下模具二次噴涂脫模劑，待用；

d. 取三元乙丙混煉膠稱重，包附在型芯上，進(jìn)行制品壓制：以10℃/min升溫到160℃，測(cè)量模具溫度；當(dāng)模具溫度達(dá)到160℃時(shí)，加壓到6MPa，硫化75min；

e. 待模具溫度降到60℃下，脫模。重復(fù)d～e步驟，循環(huán)操作可壓制9發(fā)產(chǎn)品且合格率100%，滿足設(shè)計(jì)需求。這種脫模劑應(yīng)用于大細(xì)長(zhǎng)徑比產(chǎn)品脫膜有顯著效果，應(yīng)用于其他大長(zhǎng)徑比的產(chǎn)品中，也取得了良好的效果，如長(zhǎng)細(xì)比為22的無(wú)脫模斜度包袱套成型產(chǎn)品等。

4 結(jié)束語(yǔ)

a．8421A脫模劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，脫模次數(shù)最多達(dá)到20次；石蠟醚A脫模劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，脫模次數(shù)最多達(dá)到17次；

b．質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的8421A脫模劑的表面張力值為22.3mN/m；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的石蠟醚A脫模劑表面張力值為33.4mN/m；

c．用8421A脫模劑脫模9次后，制品與模具之間的剝離力急劇增加，是初始的2.2倍；使用石蠟醚A脫模劑脫模6次后，制品與模具之間的剝離力急劇增加，是初始的2倍；

d．按脫模劑使用規(guī)則處理模具后，可循環(huán)壓制9發(fā)產(chǎn)品且合格率100%。此種脫模劑應(yīng)用于大長(zhǎng)徑比產(chǎn)品中效果顯著，將其應(yīng)用于長(zhǎng)徑比為22的產(chǎn)品中，也取得了良好的效果。

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Application of a Kind of Release Agent in Forming of Insulation Material of Solid Rocket Motor Combustion Chamber

Zhang Ning1Geng Zhigang1Li Cong1Zhang Yun2Liu Zheng1Zhang Xinhang1Qi Benli1Li Xiaofen1

(1. Xi’an Changfeng Research Institue of Mechanism and Electricity,Xi’an 710065；2. The Eighth Representative Office of Air Force Equipment Department in Xi’an, Xi’an 710065)

The demolding effect of different demolding agents in the molding of the thermal insulation material within the shell of solid rocket motor combustion chamber was analyzed. The results show that when the mass fraction of 8421A demolding agent is 15%, the surface tension value is 22.3mN/m, the number of demolding times reaches the maximum and the demolding effect shows the best. After the treatment according to this process, the demolding process of the molding of the thermal insulation material with a length-diameter ratio of 18 can be performed 9 times repeatly, and the qualified rate of the product is 100%, which meets the design requirements. This demolding agent has been applied to other products with large aspect ratio, and the demolding effect is particularly remarkable.

release agent；solid rocket motor combustion chamber；large length-diameter ratio；EPDM

張寧（1994），碩士，材料科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：熱防護(hù)復(fù)合材料。

2019-05-30