刘佳;程山;张丽华;马忠亮;萧忠良
【摘 要】鉴于物体的表面性能对物体的物性有很大的影响，采用接触角测量法研究了不同的温度下RDX含量对单基发射药表面能的影响。实验结果表明，单基发射药的表面能随RDX含量的增加而减小，随温度的升高而降低。%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. 【期刊名称】《火工品》
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【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】4页(P50-53)
【关键词】;接触角;表面张力;单基发射药
【作 者】刘佳;程山;张丽华;马忠亮;萧忠良
【作者单位】中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051;湖北三江航天江河化工科技有限公司，湖北 远安，444200;中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051;中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051;中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051
声音检测电路【正文语种】中 文
【中图分类】TQ564.3
火在结晶、溶解成型工艺中，界面的重要性远大于其自身相，界面现象的研究一直是复合材料表界面研究领域比较活跃的课题[1-3]，而表面自由能（表面能）是评价界面相互作用大小、获得其他相关参数的基础。以RDX为添加剂的高能复合火药的出现，赋予了含能材料更多优良的综合性能。含RDX发射药的力学性能不仅取决于单质与粘结剂基体的力学性能，而且与两者间的界面作用强度密切相关。目前部分研究学者从微观界面研究固体填料与粘结剂基体的相互作用，通过测算两者间界面张力及粘附功来讨论二者间粘结 情况，为提出合理的键合机理、指导键合剂和包覆技术的开展，提高非均相发射药力学性能研究工作提供理论基础[4-10]。本实验从一系列含量不同的单基药出发，研究其在不同温度下的表面能，探讨温度及含量对单基药表面能的影响，从而为分析物质表面能能否成为表征其宏观力学性能的微观参量提供理论依据。
接触角测量仪，上海中晨仪器有限公司，如图1所示；超级恒温器，上海实验仪器厂有限公司，如图2所示；(5类）含量（0%、10%、20%、30%、35%）不同的单基药片，去离子水，二（分析纯）。
Fowkes及Kaelble提出如下方程式[11]：
式（1）中：γl为液体表面张力；γlp、γld为液体表面张力的极性和散分量；γs为固体表面张力；γsp、γsd为固体表面张力的极性和散分量。
Yong提出了著名的杨氏方程:
式（2）中：γs1为固液间界面张力；θ为接触角。
Girifalco和Good导出了γs、γ1和γs1 (固相-液相界面张力)之间的重要关系：
式（3）中：φ为摩尔体积因子，一般φ值近似为1。则式（3）可变化为：
因为粘结功（Wa）为：
联立式（4）、式（5）可推导出：
由式（2）、式（5）联立得：
又因为界面能的极性分量与散分量具有加和性，即：
前人研究[12]中假定每一个分量都符合式（4），因此，式（4）与式（6）分别变为：
式(7)与式(10)联立可推导出：
由此可见，用一系列已知表面张力及极性分量的液体，滴加在待测固体表面，测定其接触角，以(γlp/γld)1/2为横坐标，γl(1+cosθ)/2(γld)1/2为纵坐标作图，回归出一条直线，纵轴截距为(γsd)1/2，斜率为(γsp)1/2，得到待测固体的表面能的散分量及极性分量，最终可得到固体表面能。
1.3.1实验测量流程
放入药品→液滴→冻结图像→保存→测量图像→记录。
1.3.2试样预处理
将烘干的一系列含量不同的药片磨平，如图3所示，磨成一定厚度并确保两面平行。测量其质量、厚度和直径，计算出药片的密度。
1.3.3用量角法测定接触角
将测试液滴加到药片上，并快速冻结图像。选取量角法量取角度，求出接触角，如图4所示，每组需测量最少5个值，然后取其平均值。
测得单基药片的密度，如表1所示。用接触角仪测量出每个药片在不同温度与不同液体接触时的接触角，取多组测量值的平均值，如表2~3所示。然后用式（11）和式（12）计算出每组接触角所对应的表面能，如表4所示。
（1）对于药片密度的测量，采用质量与体积比，在测量过程中存在一定的误差，同时在药片处理过程中，药片不能完全打磨成规格的圆形，但是在体积计算时，圆片表面积按照圆
形计算，因此存在一定误差；含35%RDX药片的密度之所以误差较大，是因为该药片与其他几种药片不是在同一时间压制，存在工艺上的误差，可见工艺条件对发射药物理性质产生很大影响，在制药过程中需对制药工艺条件严格控制。
（2）对于高聚物来说，表面张力与温度呈线性关系，表面张力的温度系数大约为-5×10-5N·m-1·℃-1。温度越高，含单基发射药的表面张力（表面能）越小，这与高聚物的表面张力与温度的关系相一致。因为温度升高，物质受热膨胀，增大了分子间的距离，从而使分子间作用力减小，而表面张力正是由于物质内部分子对表面分子的作用力而产生的使表面分子之间距离扩大的一种力，当内部分子作用力大时，物质的表面张力大；相互作用力小时，物质的表面张力小。并且当温度升高时，分子本身热运动加剧，分子动能增加，从而表面能降低。由实验数据得到含RDX单基发射药表面能与温度关系见图5，并拟合表面能与温度的线性关系，见表5。 不含RDX的单基发射药基体的主要组分为硝化纤维素，因此不含RDX的单基发射药可视为一种高聚物，由表5可以看出得到的表面张力温度系数为-13×10-5N·m-1·℃-1，它与纯净高聚物的温度系数接近。
同时可以看出，当基体中添加RDX后表面张力温度系数增加，可能因为RDX的加入破坏了原有高聚物的分子结构，使其分子内部作用力不同于纯净高聚物。而对于RDX含量为35%的单基发射药，其密度明显不符合发射药密度随含量增加而增加的规律，密度明显降低。又由于高聚物表面张力随密度增加而降低，因此出现RDX为35%的单基发射药的表面张力温度系数与其他组数据出入较大的表象。
从表4中同样可以得出表面张力(表面能)随着含量的增加而减小，如图6所示。从分子结构来说，当单基发射药中添加晶体后，打破原来硝化纤维素分子之间的相互作用，致使硝化纤维素分子间氢键数目减少，仅与晶体裸露分子间形成少量氢键，不足以弥补原物质中氢键数目减少量，从而物质内部分子间作用力降低。由图6可以看出不同温度下单基发射药表面能与RDX含量无一致的函数关系，但是大概趋势相同，随RDX含量增加而降低。
（4）由以上分析可以看出，含RDX单基发射药的表面能是多个参量（如温度、密度、含量等）的函数，当保持配方、工艺条件一致时，表面能与温度呈定量的线性关系，对研究一定条件下RDX含量不同的单基发射药表面能随温度变化具有重要的指导意义。对
于其表面能随RDX含量变化没有得出定量函数关系，温度不同的几条曲线随RDX含量变化趋势一致，即随RDX增加而降低。可能因为不同温度测试过程中，单基发射药内部分子作用力受温度影响大于颗粒填充引起的氢键数目变化的影响。
（1）随着含量的增加，单基发射药的密度增大，使硝化纤维素分子间氢键减少，即分子间作用力减小，从而使发射药表面张力减小。
（2）随着温度的升高，物质受热膨胀，增大分子间的距离，从而使分子间的作用力减小，发射药的表面张力随之减小。
（3）含RDX单基发射药表面能随温度呈定量线性关系，而此线性关系随工艺条件的不同有所变化。
【相关文献】
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