键合剂对RDX与HTPB的界面改善作用

周文静，宁艳利，徐 敏，朱一举，王民昌

（西安近代化学研究所，陕西西安 710065）

以RDX为代表的硝胺类炸药由于能量较高，在现代武器装备中的应用越来越广泛。但是，RDX属于非补强性填料，当推进剂受到一定载荷作用时很容易出现“脱湿”现象，“脱湿”的实质是由于在外力作用下高分子黏结剂与固体颗粒间的界面结合被破坏，黏附失效而导致黏结剂从固体颗粒表面脱离。“脱湿”现象严重地影响了推进剂的力学性能。

推进剂复合体系内部组分接触界面间的超分子作用（包括：范德华力、疏水亲脂作用、氢键、静电相互作用、π-π堆积力等）协同效应是影响力学性能的关键因素之一。在推进剂中加入键合剂，调节推进剂复合体系内部组分接触界面间的超分子作用，是改善“脱失”现象的有效手段。因此，本文从键合剂、RDX、HTPB的表面自由能出发，研究了不同键合剂对RDX-HTPB界面黏接的改善作用，以期为RDX作为填料的推进剂力学性能的改善提供理论支持。

1 实验部分

1.1 样品与仪器

甲酰胺，天津市登丰化学品有限公司；乙酸乙酯，成都科龙化工试剂厂；正己烷，天津化学试剂三厂；甘油，晨星化工；PEG200，海安石油化工厂；乙二醇，天津市科密欧化学试剂开发中心。

DCAT21型表面/界面张力仪，德国Dataphyics公司。

1.2 实验步骤

采用DCAT21型表面/界面张力仪分别测量RDX、键合剂、HTPB在不同探针液体中的接触角，计算键合剂、RDX、HTPB的表面自由能及其分量。

用长度为24mm，厚度为0.15mm的载玻片蘸取HTPB、键合剂b17、键合剂b25、键合剂LBA603试样各3份，室温下放置一周，待成膜后，采用Wilhelmy吊片法分别测试HTPB、键合剂b17、键合剂b25、键合剂LBA603在甘油、PEG200、乙二醇中的接触角。

RDX接触角的测量使用Modified Washburm粉末法，称取一定量的RDX粉末4份，分别置于粉末测试专用管中，分别测试其在正己烷、甲酰胺、水、乙酸乙酯中的重量随时间变化的曲线，获得RDX在不同测试液中的接触角。

2 原理

2.1 接触角测试原理

粉末试样装填到试管中，在颗粒之间会形成微小的毛细管。粉末接触角是根据液体毛细管上升原理，接触角不同，液体上升速度不同，得到上升液体质量随时间的变化曲线，计算出接触角，具体表示为公式（1）。

片状试样在探针液体中移动时，会产生重量变化，重量变化的幅度与试样的接触角有关。片状样品的接触角是根据公式（2）进行计算。

2.2 黏附功计算

黏附功是指剥开不同相单位黏附面积所需做的功，当两相相同时，称这个功为内聚功，黏附功和内聚功是表示两相界面作用的一个最有力的参数。

根据这个概念，可以得到A、B两种材料黏附时的黏附功WAB

其中，γA，γB分别为A、B的表面自由能；γAB为AB之间的界面自由能；

另外，根据黏附功的概念，黏附功等于两个单独的相相互靠近生成界面时，单位面积Gibbs自由能的减少值。

所以，从热力学角度来讲，黏附功越大，两相的界面作用就越大。

界面张力γAB也可以用（5）式进行计算。

3 结果与讨论

3.1 接触角和表面自由能的计算

根据2.2中的实验步骤，测试RDX、键合剂b17、键合剂b25、键合剂LBA603、HTPB在不同探针液体中的接触角，结果详见表1。

表1 RDX、键合剂、HTPB的接触角

根据表1中的接触角测试结果，选择DCAT21软件中的通用模型（WORK）拟合了表面自由能γ及非极性分量γd和极性分量γp。得到了RDX、键合剂b17、键合剂b25、键合剂LBA603、HTPB的表面自由能及其分量，结果列于表2。

表2 RDX、键合剂、HTPB的表面自由能

由表2可以看到，固体填料3类RDX表面自由能较低，黏结剂HTPB的表面自由能大于单质炸药的表面自由能。当黏结剂的表面张力远远低于单质炸药的表面能时，黏结体系才对炸药表面产生良好的润湿性和包覆性能。由此理论说明单纯的RDX-HTPB包覆浸润效果不好，进一步说明了键合剂在推进剂配方中应用的重要性。

3.2 黏附功的计算

由公式（3）、（5），根据表2中的表面自由能和各分量，计算得到了三种键合剂与RDX、HTPB界面之间的黏附功W，结果列于表3

表3 键合剂与RDX、HTPB界面之间的黏附功

分析表3中计算的黏附功结果，比较三种键合剂与RDX和HTPB黏附功的大小可以看到，键合剂b17和键合剂b25与RDX、HTPB的黏附功差别不大，但是，键合剂LBA603与RDX和HTPB的黏附功明显高于另外两种键合剂，说明键合剂LBA603是调节RDX-HTPB推进剂体系界面作用的最优键合剂。

3.3 扫描电镜观察黏附效果

采用扫描电镜观察RDX-HTPB的界面黏结。图1为相同RDX、HTPB体系，添加不同键合剂后，RDX-HTPB界面黏接状况。

图1 RDX-HTPB界面粘接状况

由图1可以看出，加入了LBA603键合剂的RDX-HTPB体系的黏接状况要优于其余两种，脱失现象明显改善，说明三种键合剂中，LBA603键合剂对RDX-HTPB界面的改善作用最好。

4 结论

1）键合剂的加入可以明显改善RDX-HTPB的界面黏接效果。

2）LBA603键合剂对RDX-HTPB界面的改善作用优于b17和b25。