含RDX單基發(fā)射藥表面能的實驗研究

劉 佳，程 山，張麗華，馬忠亮，蕭忠良

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含RDX單基發(fā)射藥表面能的實驗研究

劉 佳1，程 山2，張麗華1，馬忠亮1，蕭忠良1

（1.中北大學化工與環(huán)境學院，山西 太原，030051；2.湖北三江航天江河化工科技有限公司，湖北 遠安，444200）

鑒于物體的表面性能對物體的物性有很大的影響，采用接觸角測量法研究了不同的溫度下RDX含量對單基發(fā)射藥表面能的影響。實驗結(jié)果表明，單基發(fā)射藥的表面能隨RDX含量的增加而減小，隨溫度的升高而降低。

黑索今；接觸角；表面張力；單基發(fā)射藥

火炸藥在結(jié)晶、溶解成型工藝中，界面的重要性遠大于其自身相，界面現(xiàn)象的研究一直是復(fù)合材料表界面研究領(lǐng)域比較活躍的課題[1-3]，而表面自由能（表面能）是評價界面相互作用大小、獲得其他相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)。以RDX為添加劑的高能復(fù)合火藥的出現(xiàn)，賦予了含能材料更多優(yōu)良的綜合性能。含RDX發(fā)射藥的力學性能不僅取決于單質(zhì)炸藥與粘結(jié)劑基體的力學性能，而且與兩者間的界面作用強度密切相關(guān)。目前部分研究學者從微觀界面研究固體填料與粘結(jié)劑基體的相互作用，通過測算兩者間界面張力及粘附功來討論二者間粘結(jié)情況，為提出合理的鍵合機理、指導(dǎo)鍵合劑和包覆技術(shù)的開展，提高非均相發(fā)射藥力學性能研究工作提供理論基礎(chǔ)[4-10]。本實驗從一系列黑索今含量不同的單基藥出發(fā)，研究其在不同溫度下的表面能，探討溫度及黑索今含量對單基藥表面能的影響，從而為分析物質(zhì)表面能能否成為表征其宏觀力學性能的微觀參量提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與藥品

接觸角測量儀，上海中晨儀器有限公司，如圖1所示；超級恒溫器，上海實驗儀器廠有限公司，如圖2所示；黑索今(5類）含量（0%、10%、20%、30%、35%）不同的單基藥片，去離子水，二碘甲烷（分析純）。

圖1 接觸角測量儀

圖2 超級恒溫器

1.2 實驗原理

Fowkes及Kaelble提出如下方程式[11]：

Yong提出了著名的楊氏方程:

式（2）中：γ為固液間界面張力；為接觸角。

Girifalco和Good導(dǎo)出了γ、γ和γ(固相-液相界面張力)之間的重要關(guān)系：

式（3）中：為摩爾體積因子，一般值近似為1。則式（3）可變化為：

因為粘結(jié)功（W）為：

聯(lián)立式（4）、式（5）可推導(dǎo)出：

由式（2）、式（5）聯(lián)立得：

又因為界面能的極性分量與色散分量具有加和性，即：

前人研究[12]中假定每一個分量都符合式（4），因此，式（4）與式（6）分別變?yōu)椋?/p>

式(7)與式(10)聯(lián)立可推導(dǎo)出：

由此可見，用一系列已知表面張力及極性分量的液體，滴加在待測固體表面，測定其接觸角，以(γ/γ)1/2為橫坐標，γ(1+cos)/2(γ)1/2為縱坐標作圖，回歸出一條直線，縱軸截距為(γ)1/2，斜率為(γ)1/2，得到待測固體的表面能的色散分量及極性分量，最終可得到固體表面能。

1.3 接觸角測量

1.3.1實驗測量流程

放入藥品→液滴→凍結(jié)圖像→保存→測量圖像→記錄。

1.3.2試樣預(yù)處理

將烘干的一系列黑索今含量不同的藥片磨平，如圖3所示，磨成一定厚度并確保兩面平行。測量其質(zhì)量、厚度和直徑，計算出藥片的密度。

圖3 單基藥片

圖4 接觸角測量法測液滴凍結(jié)圖像接觸角

1.3.3用量角法測定接觸角

將測試液滴加到藥片上，并快速凍結(jié)圖像。選取量角法量取角度，求出接觸角，如圖4所示，每組需測量最少5個值，然后取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

測得單基藥片的密度，如表1所示。用接觸角儀測量出每個藥片在不同溫度與不同液體接觸時的接觸角，取多組測量值的平均值，如表2~3所示。然后用式（11）和式（12）計算出每組接觸角所對應(yīng)的表面能，如表4所示。

表1 單基藥片的密度

Tab.1 The density of single-base gun propellant slice

表2 單基藥片與水的接觸角均值 (°)

Tab.2 The average contact angle between single-base gun propellant slice and water

表3 單基藥片與二碘甲烷的接觸角均值 (°)

Tab.3 The average contact angle between single-base gun propellant slice and diiodomethane

表4 單基藥片的表面能 (mN/m)

Tab.4 The surface energy of single-base gun propellant slice

2.2 結(jié)果分析與討論

（1）對于藥片密度的測量，采用質(zhì)量與體積比，在測量過程中存在一定的誤差，同時在藥片處理過程中，藥片不能完全打磨成規(guī)格的圓形，但是在體積計算時，圓片表面積按照圓形計算，因此存在一定誤差；含35%RDX藥片的密度之所以誤差較大，是因為該藥片與其他幾種藥片不是在同一時間壓制，存在工藝上的誤差，可見工藝條件對發(fā)射藥物理性質(zhì)產(chǎn)生很大影響，在制藥過程中需對制藥工藝條件嚴格控制。

（2）對于高聚物來說，表面張力與溫度呈線性關(guān)系，表面張力的溫度系數(shù)大約為-5×10-5N·m-1·℃-1。溫度越高，含黑索今單基發(fā)射藥的表面張力（表面能）越小，這與高聚物的表面張力與溫度的關(guān)系相一致。因為溫度升高，物質(zhì)受熱膨脹，增大了分子間的距離，從而使分子間作用力減小，而表面張力正是由于物質(zhì)內(nèi)部分子對表面分子的作用力而產(chǎn)生的使表面分子之間距離擴大的一種力，當內(nèi)部分子作用力大時，物質(zhì)的表面張力大；相互作用力小時，物質(zhì)的表面張力小。并且當溫度升高時，分子本身熱運動加劇，分子動能增加，從而表面能降低。由實驗數(shù)據(jù)得到含RDX單基發(fā)射藥表面能與溫度關(guān)系見圖5，并擬合表面能與溫度的線性關(guān)系，見表5。

表5 含RDX單基發(fā)射藥表面能與溫度的線性關(guān)系

Tab.5 The linear correlation between the surface energy of single-base gun propellant containing RDX and the temperature

圖5 含RDX單基發(fā)射藥表面能與溫度的關(guān)系

不含RDX的單基發(fā)射藥基體的主要組分為硝化纖維素，因此不含RDX的單基發(fā)射藥可視為一種高聚物，由表5可以看出得到的表面張力溫度系數(shù)為-13×10-5N·m-1·℃-1，它與純凈高聚物的溫度系數(shù)接近。

同時可以看出，當基體中添加RDX后表面張力溫度系數(shù)增加，可能因為RDX的加入破壞了原有高聚物的分子結(jié)構(gòu)，使其分子內(nèi)部作用力不同于純凈高聚物。而對于RDX含量為35%的單基發(fā)射藥，其密度明顯不符合發(fā)射藥密度隨黑索今含量增加而增加的規(guī)律，密度明顯降低。又由于高聚物表面張力隨密度增加而降低，因此出現(xiàn)RDX為35%的單基發(fā)射藥的表面張力溫度系數(shù)與其他組數(shù)據(jù)出入較大的表象。

從表4中同樣可以得出表面張力(表面能)隨著黑索今含量的增加而減小，如圖6所示。從分子結(jié)構(gòu)來說，當單基發(fā)射藥中添加黑索今晶體后，打破原來硝化纖維素分子之間的相互作用，致使硝化纖維素分子間氫鍵數(shù)目減少，僅與黑索今晶體裸露分子間形成少量氫鍵，不足以彌補原物質(zhì)中氫鍵數(shù)目減少量，從而物質(zhì)內(nèi)部分子間作用力降低。由圖6可以看出不同溫度下單基發(fā)射藥表面能與RDX含量無一致的函數(shù)關(guān)系，但是大概趨勢相同，隨RDX含量增加而降低。

（4）由以上分析可以看出，含RDX單基發(fā)射藥的表面能是多個參量（如溫度、密度、黑索今含量等）的函數(shù)，當保持配方、工藝條件一致時，表面能與溫度呈定量的線性關(guān)系，對研究一定條件下RDX含量不同的單基發(fā)射藥表面能隨溫度變化具有重要的指導(dǎo)意義。對于其表面能隨RDX含量變化沒有得出定量函數(shù)關(guān)系，溫度不同的幾條曲線隨RDX含量變化趨勢一致，即隨RDX增加而降低?？赡芤驗椴煌瑴囟葴y試過程中，單基發(fā)射藥內(nèi)部分子作用力受溫度影響大于黑索今顆粒填充引起的氫鍵數(shù)目變化的影響。

3 結(jié)論

（1）隨著黑索今含量的增加，單基發(fā)射藥的密度增大，使硝化纖維素分子間氫鍵減少，即分子間作用力減小，從而使發(fā)射藥表面張力減小。

（2）隨著溫度的升高，物質(zhì)受熱膨脹，增大分子間的距離，從而使分子間的作用力減小，發(fā)射藥的表面張力隨之減小。

（3）含RDX單基發(fā)射藥表面能隨溫度呈定量線性關(guān)系，而此線性關(guān)系隨工藝條件的不同有所變化。

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Experimental Study on the Surface Energy of Single-base Gun Propellants Containing RDX

LIU Jia1，CHENG Shan2，ZHANG Li-hua1，MA Zhong-liang1，XIAO Zhong-liang1

(1.School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan, 030051；2.Jianghe Chemical Plant of CSSG，Yuan’an，444200)

The surface properties have great influence on the physical properties of the substances. By measuring contact angle, the influence of RDX content on the surface energy of the single-base gun propellant was studied at different temperatures. The results indicate that the surface energy of the single-base gun propellants decreases with the increasing of RDX content, also decreases when the temperature rises.

RDX； Contact angle；Surface energy；Single-base gun propellant

TQ564.3

A

1003-1480（2014）04-0050-04

2014-04-09

劉佳（1987-），女，博士研究生，從事含能材料亞微觀界面研究。