2.2 NPBA與HMX界面作用的實驗結(jié)果

2.2.1 NPBA與HMX的粘附功和界面張力

采用動態(tài)接觸角測試儀的Wilhelmy吊片法和Modified washburn法，分別測試了合成的3種NPBA和HMX在不同液體中的接觸角θ，結(jié)果見表3.

表3 NPBA和HMX在不同液體中的接觸角

由表3中測試結(jié)果，應(yīng)用Owens-Wendt-Rabel-Kaelble(OWRK)表面張力計算方法，分別擬合得到3種NPBA和HMX的表面張力γ、極性分量γp和非極性分量γd(結(jié)果見表4)，計算公式如下：

表4 NPBA和HMX的表面張力

由表4中測試結(jié)果，計算得到3種NPBA分別與HMX之間的界面張力γAB為

計算得到3種NPBA分別與HMX之間的粘附功WAB.界面張力和粘附功計算結(jié)果見表5.

表5 NPBA與HMX之間的界面張力和粘附功

由表5可知，NPBA3與HMX的粘附功最大(113.34 mN/m)，且界面張力最小(4.81 mN/m)，表明3種NPBA中NPBA3與HMX的浸潤性(粘結(jié)性)最好，且外力破壞粘接界面需做的功(粘結(jié)強(qiáng)度)最大。與NPBA1相比，雖然NPBA2與HMX的粘附功相對較大(分別為75.06 mN/m和78.38 mN/m)，但其界面張力相對也大(分別為21.51 mN/m和24.12 mN/m)，表明NPBA2與HMX的粘結(jié)強(qiáng)度大于NPBA1，但浸潤性略弱。

從上述實驗結(jié)果可知，用—COOCH2CH2OH基團(tuán)取代—COOCH3基團(tuán)(用HEA取代MA鏈節(jié))，或增加—CN基團(tuán)數(shù)量(增加AN鏈節(jié))，NPBA更容易吸附于HMX顆粒表面，增強(qiáng)了二者間的粘結(jié)性；同時，增加—CN基團(tuán)數(shù)量，或用—COOCH3基團(tuán)取代—COOCH2CH2OH基團(tuán)，有利于NPBA在HMX顆粒表面浸潤和鋪展，增強(qiáng)了二者間的親和性。

2.2.2 NPBA對推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響

分別在-40℃、20℃、50℃溫度條件下，采用單向拉伸實驗得到了含與不含NPBA推進(jìn)劑的最大拉伸強(qiáng)度σm和最大伸長率εm，其結(jié)果見表6.

由表6可知，加入NPBA后，推進(jìn)劑的強(qiáng)度得到不同程度的提高，表明3種NPBA均有效吸附于HMX顆粒表面，并與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而顯著提高了推進(jìn)劑的強(qiáng)度。3種NPBA中，NPBA3提高推進(jìn)劑強(qiáng)度的程度最為顯著，NPBA2次之，NPBA1再次，與粘附功的大小次序一致。

此外，比較表6中的伸長率數(shù)據(jù)可知，相對于NPBA1和NPBA3，—OH基團(tuán)數(shù)量最多的NPBA2提高推進(jìn)劑伸長率的程度最小，原因可能是—OH基團(tuán)數(shù)量過多導(dǎo)致鍵合劑與粘結(jié)劑過度交聯(lián)，反而對推進(jìn)劑的伸長率造成不利影響。

表6 NPBA對推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響

上述實驗結(jié)果與2.1節(jié)中模擬結(jié)果相符，結(jié)合能與粘附功之間存在對應(yīng)關(guān)系，即NPBA與HMX的結(jié)合能越大其粘結(jié)性能越好，增加推進(jìn)劑強(qiáng)度的效果越好。

3結(jié)論

1)HMX與NPBA界面原子間存在近程、遠(yuǎn)程范德華力和氫鍵作用力，這些作用力的強(qiáng)弱與—CN基團(tuán)的數(shù)量、—COOCH2CH2OH基團(tuán)的數(shù)量及其空間位阻作用有關(guān)。

2)NPBA與HMX的粘附功與結(jié)合能之間存在對應(yīng)關(guān)系，即二者間的粘附功越大其結(jié)合能越大；用—COOCH2CH2OH基團(tuán)取代—COOCH3基團(tuán)，或增加—CN基團(tuán)數(shù)量，整體上增強(qiáng)了NPBA與HMX晶體的界面作用力，使復(fù)合體系結(jié)合能增加，推進(jìn)劑強(qiáng)度增大。

3)本文采用的MD模擬方法對于研究NPBA與HMX之間的界面作用具有較高的準(zhǔn)確度，可用于指導(dǎo)NPBA分子設(shè)計。