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，在現代武器裝備中的應用越來越廣泛。但是，RDX屬于非補強性填料，當推進劑受到一定載荷作用時很容易出現“脫濕”現象，“脫濕”的實質是由于在外力作用下高分子黏結劑與固體顆粒間的界面結合被破壞，黏附失效而導致黏結劑從固體顆粒表面脫離。“脫濕”現象嚴重地影響了推進劑的力學性能。

推進劑復合體系內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）協同效應是影響力學性能的關鍵因素之一。在推進劑中加入鍵合劑，調節推進劑復合體系內部組分接觸界面間的超分子作用，是改善“脫失”現象的有效手段。因此，本文從鍵合劑、RDX、HTPB的表面自由能出發，研究了不同鍵合劑對RDX-HTPB界面黏接的改善作用，以期為RDX作為填料的推進劑力學性能的改善提供理論支持。

1 實驗部分

1.1 樣品與儀器

甲酰胺，天津市登豐化學品有限公司；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，天津市科密歐化學試劑開發中心。

DCAT21型表面/界面張力儀，德國Dataphyics公司。

1.2 實驗步驟

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管。粉末接觸角是根據液體毛細管上升原理，接觸角不同，液體上升速度不同，得到上升液體質量隨時間的變化曲線，計算出接觸角，具體表示為公式（1）。

片狀試樣在探針液體中移動時，會產生重量變化，重量變化的幅度與試樣的接觸角有關。片狀樣品的接觸角是根據公式（2）進行計算。

2.2 黏附功計算

黏附功是指剝開不同相單位黏附面積所需做的功，當兩相相同時，稱這個功為內聚功，黏附功和內聚功是表示兩相界面作用的一個最有力的參數。

根據這個概念，可以得到A、B兩種材料黏附時的黏附功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，根據黏附功的概念，黏附功等于兩個單獨的相相互靠近生成界面時，單位面積Gibbs自由能的減少值。

所以，從熱力學角度來講，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）式進行計算。

3 結果與討論

3.1 接觸角和表面自由能的計算

根據2.2中的實驗步驟，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，結果詳見表1。

表1 RDX、鍵合劑、HTPB的接觸角

根據表1中的接觸角測試結果，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，黏結劑HTPB的表面自由能大于單質炸藥的表面自由能。當黏結劑的表面張力遠遠低于單質炸藥的表面能時，黏結體系才對炸藥表面產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，進一步說明了鍵合劑在推進劑配方中應用的重要性。

3.2 黏附功的計算

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

表3 鍵合劑與RDX、HTPB界面之間的黏附功

分析表3中計算的黏附功結果，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是調節RDX-HTPB推進劑體系界面作用的最優鍵合劑。

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。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于其余兩種，脫失現象明顯改善，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界面的改善作用優于b17和b25。