摘要： 過渡層作為固體推進(jìn)劑主體材料與包覆層之間的關(guān)鍵連接層，其存在能顯著提升兩者間的粘接性能。過渡層在推進(jìn)劑表面的鋪展、滲透及覆蓋狀況直接影響推進(jìn)劑的服役效率與可靠性。本研究采用動(dòng)態(tài)接觸角法系統(tǒng)評(píng)估了不同過渡層在固體推進(jìn)劑表面的鋪展?jié)B透行為。通過計(jì)算推進(jìn)劑的表面能并測(cè)定過渡層液體的表面張力，深入分析了推進(jìn)劑及過渡層的組成與其鋪展?jié)B透作用之間的內(nèi)在聯(lián)系，并據(jù)此對(duì)過渡層組成進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明：固體推進(jìn)劑的表面能越高，越有利于過渡層在其表面的鋪展；當(dāng)推進(jìn)劑表面能為97.62 mJ/m2時(shí)，水和甘油在其表面的接觸角均顯著小于表面能為55.83 mJ/m2的樣品。過渡層的組成對(duì)其表面張力影響顯著，通過調(diào)控組成可將其表面張力從48.7 mN/m有效降低至約24.8 mN/m。因此，通過對(duì)推進(jìn)劑表面進(jìn)行改性以及優(yōu)化過渡層組成，可以有效改善過渡層在推進(jìn)劑表面的鋪展?jié)B透效果，進(jìn)而增強(qiáng)推進(jìn)劑與包覆層間的界面粘接強(qiáng)度。

1. 引言

固體推進(jìn)劑作為一種含能復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)完整性與工作可靠性是確保武器系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在實(shí)際應(yīng)用中，為了滿足特定的燃燒性能和力學(xué)性能要求，通常需要在推進(jìn)劑藥柱表面包覆一層惰性的包覆層。然而，由于推進(jìn)劑與包覆層在化學(xué)組成、物理性質(zhì)上存在顯著差異，兩者間的直接粘接往往難以達(dá)到理想狀態(tài)，容易出現(xiàn)脫粘、裂紋等界面失效問題，嚴(yán)重影響推進(jìn)劑的儲(chǔ)存壽命和使用安全性。

為解決這一難題，工程實(shí)踐中普遍采用在推進(jìn)劑與包覆層之間引入一層“過渡層”的技術(shù)方案。過渡層如同橋梁一般，一端能與推進(jìn)劑基體發(fā)生良好的化學(xué)或物理作用，另一端則能與包覆層形成牢固的結(jié)合，從而顯著提升整體界面的粘接強(qiáng)度。因此，過渡層能否在固體推進(jìn)劑表面實(shí)現(xiàn)充分的鋪展、滲透和均勻覆蓋，是決定其能否有效發(fā)揮“橋梁”作用、保障推進(jìn)劑服役效率的先決條件。提高過渡層的鋪展均勻性和在推進(jìn)劑內(nèi)部的滲透性，有助于增強(qiáng)其與推進(jìn)劑表面的相互作用，進(jìn)而保證包覆層與推進(jìn)劑之間的可靠粘接。

影響過渡層在固體推進(jìn)劑表面鋪展?jié)B透行為的因素是復(fù)雜且多元的，主要可歸納為三個(gè)方面：一是固體推進(jìn)劑本身的表面性質(zhì)，如表面能、粗糙度、化學(xué)組成等；二是過渡層液體自身的物理化學(xué)屬性，包括粘度、表面張力、分子結(jié)構(gòu)與極性等；三是外部工藝條件，如施加溫度、壓力等。其中，固體表面能是表征固體表面性質(zhì)的一項(xiàng)核心熱力學(xué)參數(shù)。它定義為在一定溫度和壓力下，固體物質(zhì)生成單位面積新表面時(shí)吉布斯自由能的增量。表面能的大小直接反映了固體表面分子間、界面間相互作用的強(qiáng)弱。因此，深入研究推進(jìn)劑的表面能，對(duì)于認(rèn)識(shí)其表面特性、分析過渡層在其表面的潤(rùn)濕與鋪展行為、預(yù)測(cè)其與包覆層的粘接性能具有至關(guān)重要的指導(dǎo)意義。同時(shí)，推進(jìn)劑的表面能也為篩選合適的過渡層溶劑、優(yōu)化過渡層配方提供了理論依據(jù)。

目前，改善過渡層在推進(jìn)劑表面的鋪展?jié)B透行為主要有兩條技術(shù)路徑：一是對(duì)推進(jìn)劑表面進(jìn)行改性處理，例如李東峰等人的研究表明，使用不同的表面處理劑可以提高端羥基聚丁二烯（HTPB）推進(jìn)劑的表面能，從而改變測(cè)試液在其表面的接觸角和鋪展情況，但對(duì)粘接強(qiáng)度的影響存在差異；二是優(yōu)化過渡層自身的組成。然而，現(xiàn)有的研究大多集中于推進(jìn)劑表面改性，且操作工藝相對(duì)復(fù)雜，而針對(duì)過渡層組成優(yōu)化的系統(tǒng)性研究尚顯不足。

鑒于此，本研究旨在通過一種簡(jiǎn)單有效的動(dòng)態(tài)接觸角法，系統(tǒng)考察不同過渡層在固體推進(jìn)劑表面的鋪展?jié)B透情況，并精確測(cè)定固體推進(jìn)劑的表面能。在此基礎(chǔ)上，本研究將進(jìn)一步探討過渡層組成與其表面張力、鋪展行為之間的關(guān)系，并據(jù)此對(duì)過渡層配方進(jìn)行優(yōu)化，以期為提升過渡層的應(yīng)用效果、改善推進(jìn)劑與包覆層的粘接性能提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

2. 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要材料、試劑與儀器

本研究所用的主要原材料包括：甲苯二異氰酸酯（TDI）及聚合二苯基甲烷二異氰酸酯（PAPI，PM200型），均為工業(yè)級(jí)，購(gòu)自萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司；二月桂酸二丁基錫，化學(xué)純，產(chǎn)自天津市津科精細(xì)化工研究所；甲苯、乙酸乙酯、環(huán)己烷，均為分析純，分別由天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司、上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供；甘油，分析純，來自上海笛柏生物科技有限公司；甲醇，分析純，購(gòu)自上海麥克林生化科技股份有限公司；去離子水及端羥基預(yù)聚體為實(shí)驗(yàn)室自制。

實(shí)驗(yàn)所用儀器包括：85-2型恒溫磁力攪拌器，用于過渡層液體的混合制備；DSA-25型接觸角測(cè)試儀（德國(guó)克呂士科學(xué)儀器有限公司），用于測(cè)量各液體在固體表面的動(dòng)態(tài)接觸角；Nicolet iS20型傅里葉變換紅外光譜儀（美國(guó)賽默飛世爾科技公司），用于分析推進(jìn)劑表面的化學(xué)組成；以及芬蘭Kibron EZ-Pi Plus便攜式動(dòng)態(tài)表面張力儀，用于測(cè)定過渡層液體及溶劑的表面張力。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 過渡層的制備

按照預(yù)設(shè)的比例，將TDI、PAPI、催化劑二月桂酸二丁基錫、特定溶劑（甲苯或乙酸乙酯）以及端羥基預(yù)聚體進(jìn)行混合，制備出三種不同組成的過渡層液體，分別記為過渡層1、過渡層2和過渡層3。其中，過渡層1的組分分子量相對(duì)較高，分子結(jié)構(gòu)中剛性較強(qiáng)的苯環(huán)單元較多；而過渡層2和過渡層3的組分分子量則相對(duì)較小。在催化劑作用下，過渡層中的異氰酸酯基團(tuán)（-NCO）會(huì)與過渡層自身組分、預(yù)聚體乃至推進(jìn)劑表面的羥基（-OH）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵合，這是實(shí)現(xiàn)良好粘接的基礎(chǔ)。

2.2.2 性能測(cè)試

接觸角測(cè)試： 采用DSA-25接觸角測(cè)試儀，在室溫環(huán)境下測(cè)量不同液體在固體推進(jìn)劑樣品表面的動(dòng)態(tài)接觸角。選用去離子水和甘油作為標(biāo)準(zhǔn)參考液，并以不同組成的過渡層液體及各類溶劑作為實(shí)驗(yàn)液。測(cè)試時(shí)，將待測(cè)液滴滴加于樣品表面，利用高速攝像系統(tǒng)記錄液滴形態(tài)隨時(shí)間的變化，每個(gè)樣品至少重復(fù)測(cè)試5次，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，剔除異常值后取平均值。

表面張力測(cè)定： 采用芬蘭Kibron EZ-Pi Plus便攜式動(dòng)態(tài)表面張力儀，運(yùn)用經(jīng)典的吊環(huán)法，在（25±0.2）℃的恒定溫度下單點(diǎn)測(cè)定過渡層液體及相關(guān)溶劑的表面張力。測(cè)試前，所有待測(cè)液體均需在恒溫水浴鍋中保溫30分鐘以確保溫度均勻，并使用去離子水對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。