有機纖維長度對EPDM絕熱層耐燒蝕性能的影響①

王明超，趙 敏，張 琰，陳 雯，林春梅，任雯君 ，隋 琦

(1.湖北航天化學技術研究所，襄陽 441003；2.航天化學動力技術重點實驗室，襄陽 441003)

0 引言

一般情況下，柔性彈性體，如丁腈橡膠(NBR)、三元乙丙橡膠(EPDM)和硅橡膠等，由于工藝性能好、耐高溫、熱導率低等優點，常用作橡膠型絕熱層的基體材料。其中，EPDM橡膠作為密度最低的合成橡膠并配合優異的阻燃劑、補強劑和增粘劑等而廣泛應用于固體火箭發動機內絕熱層中。然而，單獨的彈性體材料在炭化后并不能形成較高強度的炭層，需要加入耐燒蝕纖維等，從而保護基體炭化層在高溫氣流沖刷下的完整性和牢固性，降低燒蝕率。目前，國內外普遍采用芳綸纖維(PPTA)提高EPDM絕熱層的耐燒蝕性能和力學性能，但PPTA纖維在開放式煉膠機的機械剪切下易發生劈裂損傷以及纏結等現象，與芳綸纖維相比，聚酰亞胺纖維(PI)則具有含碳量和熱穩定性更高、阻燃性能更高等顯著的優勢。

國內外學者針對PPTA纖維和PI纖維開展了大量研究，但主要集中在用量、種類等對絕熱層力學性能、燒蝕性能等的影響。同時，部分研究者開展了不同長度下PPTA纖維對EPDM絕熱層氧乙炔燒蝕性能的影響研究。對于PI纖維長度對氧乙炔燒蝕性能的研究及有機纖維單獨或復配條件下的纖維長度對模擬發動機條件下的燒蝕性能研究較少，國內外鮮有報道。

本文采用氧乙炔燒蝕機和高過載模擬燒蝕發動機開展了1～6 mm不同長度PPTA纖維和PI纖維單獨應用和共同應用條件下對EPDM絕熱材料燒蝕性能影響規律，以實現EPDM絕熱層配方中有機纖維長度的優化設計。

1 實驗

1.1 實驗材料

三元乙丙橡膠，ENB型，進口；過氧化二異丙苯，工業級，太倉塑料助劑廠；氣相法白炭黑，HL-380，宜昌匯富硅材料有限公司；芳綸短切纖維，美國杜邦，長度分別為(1±0.2)、(2±0.2)、(3±0.2)、(4±0.2)、(5±0.2)、(6±0.2)mm；聚酰亞胺短切纖維，江蘇先諾新材料科技有限公司，長度分別為(1±0.2)、(2±0.2)、(3±0.2)、(4±0.2)、(5±0.2)、(6±0.2)mm。

1.2 實驗過程

采用無纖維填充的典型EPDM絕熱層為基材，分別填充芳綸纖維和聚酰亞胺纖維，纖維用量均為14 phr。

1.3 性能測試

(1)混煉膠中纖維長度測試。采用環己烷浸泡混煉膠直至纖維分離，將分離后的纖維置于玻璃片上，并加入2滴環己烷便于纖維分離，使用鑷子手動將纖維分離成一根一根鋪在玻璃表面上，溶劑自然揮發后，即可得到分離好的纖維；然后，采用光學顯微鏡進行觀察，并一次統計計量纖維長度200根。顯微鏡采用3R集團北京愛迪泰克科技有限公司的3R-MSBTVTY便攜式數碼顯微鏡，放大倍數為40倍。

(2)纖維形貌觀察。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察混煉膠中纖維形貌。

(3)氧乙炔線燒蝕率測試。依據GJB 323B《燒蝕材料燒蝕試驗方法》中氧-乙炔燒蝕試驗方法測試EPDM絕熱層氧乙炔線燒蝕率。

(4)高過載模擬實驗發動機燒蝕試驗。采用高過載模擬實驗發動機(圖1)測試丁羥推進劑下EPDM絕熱層的燒蝕性能。

圖1 高過載模擬實驗發動機

2 結果與討論

2.1 有機纖維混煉后長度分析

初始長度分別為1、2、3、4、5、6 mm的PPTA纖維和PI纖維在XK-300混煉機中經過混煉后其長度分別如圖2和圖3所示，纖維形貌如圖4所示。

圖2 不同原始長度PI纖維混煉后長度分布

由圖2可看出，當PI纖維初始長度為1、2、3 mm時，經過混煉后纖維長度基本保持原始長度，僅有少量纖維在開煉機的剪切下發生斷裂；當PI纖維初始長度為4、5、6 mm時，經過混煉后纖維長度分別分布在2.5、3、3.5 mm左右。同時，隨著PI纖維初始長度的增大，混煉后纖維長度分布越寬，峰值越低。

由圖3可看出，1～6 mm不同初始長度PPTA纖維經過混煉后，纖維長度均分布在1 mm左右，且隨著PPTA纖維初始長度的增大，混煉后纖維長度分布越寬，峰值越低。

圖3 不同原始長度PPTA纖維混煉后長度分布

(a)PI fiber with initial length of 5 mm

(b)PPTA fiber with initial length of 5 mm

同時，對比圖2和圖3可看出，相比PI纖維，隨著纖維初始長度的增加，在開煉機的剪切作用下，PPTA纖維長度明顯變短；同時，結合圖4可以表明，PPTA被剪切破壞程度更高，出現明顯壓扁、劈裂等現象，而PI纖維基本保持初始結構。這是由于PPTA纖維分子結構具有極高的取向度，其軸向是伸直的分子鏈，以共價鍵為主，而纖維橫向則是以較弱的氫鍵為主，即橫向結合力較弱，在外力的摩擦下較容易發生纖維的橫向開裂，同時PPTA纖維模量(約130 GPa)較高，在較高剪切力下容易發生折斷等現象；而PI纖維分子結構取向度較低，且模量(約3.5 GPa)較低，因此韌性較高，在剪切力作用下能保持其初始結構。

2.2 不同有機纖維初始長度下絕熱層燒蝕性能

初始長度分別為1、2、3、4、5、6 mm的PPTA纖維和PI纖維填充典型EPDM絕熱層的氧乙炔線燒蝕率如圖5所示。

圖5 不同初始纖維長度下絕熱層燒蝕率

由圖5可看出，相同纖維長度下，PI纖維填充絕熱層線燒蝕率明顯低于PPTA纖維填充絕熱層；隨著纖維長度的增加，絕熱層線燒蝕率降低，其中PPTA纖維和PI纖維分別在長度4、2 mm處發生較大降幅。主要表現為1～3 mm PPTA纖維填充絕熱層燒蝕性能相當，4～5 mm PPTA纖維填充絕熱層燒蝕性能顯著提高，且隨著長度的增加，無明顯變化；2～6 mm PI纖維填充絕熱層燒蝕性能相當，隨著長度的增加，無明顯變化，均顯著低于1 mm PI纖維填充絕熱層。

在此基礎上選取1、3、5 mm PPTA纖維填充絕熱層和2、3、4、6 mm PI纖維填充絕熱層分別開展高過載模擬燒蝕發動機試驗，結果分別如圖6和圖7所示。

由圖6可看出，不同長度PPTA纖維填充絕熱層高過載模擬燒蝕發動機線燒蝕率變化規律與氧乙炔線燒蝕率變化規律基本一致，即1、3 mm PPTA纖維填充絕熱層線燒蝕率基本相當， 5 mm PPTA纖維填充絕熱層線燒蝕率顯著降低。這主要是由于PPTA纖維混煉后長度峰值均在1 mm左右，但是隨著PPTA纖維初始長度的增加，纖維長度分布越寬，1 mm以上纖維的比例明顯增加，在推進劑高燃溫和高速粒子機械侵蝕條件下，提高對炭化層的固定作用，進而降低線燒蝕率。

圖6 PPTA纖維填充絕熱層模擬發動機線燒蝕率

圖7 PI纖維填充絕熱層模擬發動機線燒蝕率

由圖7可看出，相比采用6 mm PI纖維填充絕熱層，采用2～4 mm PI纖維填充絕熱層燒蝕率略降低；但當長度降低至1 mm時，燒蝕率顯著提高，為1～6 mm PI纖維填充絕熱層燒蝕率最高值，且綜合試驗結果與氧乙炔試驗結果基本一致，即1 mm PI纖維填充絕熱層耐燒蝕性能最差。這主要是由于PI纖維初始長度為1 mm時，混煉后長度在1 mm左右外，其余初始長度為2～6 mm時，混煉后長度約在2～3.5 mm，隨著混煉后纖維長度的提高，對炭化層的固定作用增強，降低線燒蝕率。同時，由于6 mm纖維混煉后，纖維結構無明顯變化且長度較長，易發生纖維纏結等，導致分散不均勻的現象，在高溫高速粒子的沖刷過程中，導致局部燒蝕率略高。

2.3 有機纖維共用條件下長度對絕熱層抗沖刷性能影響

為了研究有機纖維共用條件下不同纖維長度對EPDM絕熱層燒蝕性能影響，采用長度1～6 mm PI纖維分別與1、3、5 mm的PPTA纖維按照8 phr和6 phr的條件進行共用，混煉后纖維形貌如圖8所示，PI纖維基本保持初始狀態，而PPTA纖維出現明顯劈裂、壓扁等現象；氧乙炔線燒蝕率如圖9所示。

由圖9可看出，當PPTA纖維長度一定時，2～6 mm PI纖維填充絕熱層燒蝕性能相當，隨著長度的增加，無明顯變化，均顯著低于1 mm PI纖維填充絕熱層，此變化規律與單獨采用14 phr PI纖維時相同；當PI纖維長度一定時，隨著PPTA纖維長度的增加，絕熱層線燒蝕率無明顯變化，基本相當。

圖8 混煉后纖維形貌

圖9 不同長度纖維共用下絕熱層線燒蝕率

在此基礎上，選取3、5 mm PPTA纖維與2、3、6 mm PI纖維共用填充絕熱層開展高過載模擬燒蝕發動機試驗，結果如圖10所示。

圖10 PPTA/PI纖維填充絕熱層模擬發動機線燒蝕率

由圖10可看出，相比采用6 mm PI纖維和5 mm PPTA纖維填充絕熱層，采用2～3 mm PI纖維并共用3～5 mm PPTA纖維填充絕熱層燒蝕率顯著降低；且相同PI纖維長度下，3 mm和5 mm PPTA纖維填充絕熱層線燒蝕率基本相當；但是相同PPTA纖維長度下，相比6 mm PI纖維，2 mm和3 mm PI纖維填充絕熱層線燒蝕率則顯著降低。

3 結論

(1)在開煉機混煉過程長度為1～3 mm的PI纖維經過混煉后纖維長度與原始狀態一致，而長度為4～6 mm的PI纖維經過混煉后纖維長度明顯變短，分布在2.5～3.5 mm；初始長度1～6 mm的PPTA纖維經過混煉后纖維長度則均分布在1 mm左右，且隨著PPTA纖維和PI纖維初始長度的增大，混煉后纖維長度分布越寬，峰值越低。同時，PPTA纖維被破壞程度更高，出現明顯壓扁、劈裂等現象，而PI纖維形貌基本保持初始結構。

(2)相同纖維長度下，PI纖維填充絕熱層氧乙炔線燒蝕率明顯低于PPTA纖維填充絕熱層，且隨著纖維長度的增加，氧乙炔線燒蝕率和高過載模擬燒蝕發動機線燒蝕率降低。其中，PPTA纖維和PI纖維分別在長度4 mm和2 mm處發生較大降幅。

(3)采用6 phr初始長度為1～6 mm的PPTA纖維與8 phr初始長度為2～6 mm的PI纖維共用填充絕熱層氧乙炔線燒蝕率相當，且顯著低于與1 mm PI纖維共用填充絕熱層；在2～6 mm PI纖維和3～5 mm PPTA纖維共用絕熱層的高過載模擬燒蝕發動機線燒蝕率隨著PI纖維長度的變短而降低；PPTA纖維長度變化則對氧乙炔和高過載模擬燒蝕發動機線燒蝕率均無明顯影響。

(4)在EPDM絕熱層配方中，采用2～3 mm的PI纖維單獨或與一定比例PPTA纖維共用，其耐燒蝕性能更加優異。