張麗華，左金秀，柳　超，劉幼平

(1.中北大學化工與環(huán)境學院，山西太原030051; 2.中北大學理學院，山西太原030051)

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粒狀發(fā)射藥接觸角測定條件的優(yōu)化

張麗華1，左金秀1，柳超2，劉幼平1

(1.中北大學化工與環(huán)境學院，山西太原030051; 2.中北大學理學院，山西太原030051)

摘要：為獲得較為準確的粒狀發(fā)射藥的表面性能參數(shù)，采用接觸角測量儀測量了粒狀發(fā)射藥在不同實驗操作條件下的接觸角，討論了躺滴法測量發(fā)射藥接觸角操作過程中測試面的選取、測試面的處理方式、所用液滴體積、液滴與發(fā)射藥測試面的接觸時間等因素對接觸角測定值的影響。依據(jù)實測數(shù)據(jù)確定了較為穩(wěn)定的實驗操作條件：用磨平的粒狀發(fā)射藥側(cè)面作為接觸角測試面，對測試面采用細砂紙打磨后再用丙酮擦拭、晾干的處理方式，所用液滴體積不大于1μL，取液滴與測試面的接觸時間為8s時的接觸角值作為測試結(jié)果。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用化學；接觸角；粒狀發(fā)射藥；躺滴法;表面性能；操作條件

引言

為了提高發(fā)射藥的能量，通常采用在含有硝化棉黏合劑體系中添加高能固體炸藥(如RDX)的方法，對于此類多相體系的高能發(fā)射藥而言，開展其表界面性能方面的研究可以從亞微觀角度較深入地了解其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系[1-2]。在測定固體物質(zhì)表面性能參數(shù)的方法中，接觸角測量是一種較為簡單易行的方法[3-4]。然而，目前針對火藥材料進行固體表面性能測試還多是針對面積較大的試樣(如推進劑)[5-6]，粒狀發(fā)射藥的體積或表面積相對較小，目前有關(guān)其表面性能方面的研究報道較少。由于發(fā)射藥的亞微觀結(jié)構(gòu)與其制備過程緊密相關(guān)，在測試實際使用的發(fā)射藥的表界面性能參數(shù)時，會因試樣尺寸較小給接觸角測量操作帶來一些困難，并且會由于測試操作條件的差異造成測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定或不準確。

躺滴法是一種測定液體在固體表面的接觸角較為直觀和簡單的方法，當液體微滴接觸固體表面形成小躺滴后，利用圖像處理法測量從氣-液-固點處引出的液-氣界面切線與固體表面之間的夾角。

本研究針對以雙基藥為基體、以RDX為固體填料制備的單孔粒狀發(fā)射藥，討論了用躺滴法測試其接觸角過程中一些操作因素的影響，為利用接觸角測量方法獲取此類粒狀發(fā)射藥的表界面參數(shù)，并進一步研究發(fā)射藥自身的組分結(jié)構(gòu)與其表界面性能的關(guān)系，確定了較為穩(wěn)定的實驗操作條件。

1實驗

1.1材料及儀器

12/1粒狀發(fā)射藥，瀘州北方化學工業(yè)有限公司；蒸餾水，自制；丙酮，市售分析純。

JC2000D型接觸角測量儀，上海中晨儀器有限公司。

1.2藥粒測試面的磨制

用躺滴法測定液體在固體表面的接觸角數(shù)據(jù)，要求固體有一個較平整的測試面。先用粗砂紙(61μm)將藥粒打磨出一個平面，再用細砂紙(42μm)將平面打磨得更平整，作為測量接觸角的測試面。

1.3接觸角(θ)的測試

將待測藥粒放置在可控溫樣品臺上，將抽取了蒸餾水的微量進樣器固定在進樣器架上；調(diào)節(jié)進樣器架位置和樣品臺位置，使電腦屏幕上藥粒測試面和進樣器針尖的圖像位置合適；旋轉(zhuǎn)滴液螺母讓進樣器針尖出現(xiàn)液滴，向上調(diào)節(jié)樣品臺讓試樣測試面接觸液滴后立即向下調(diào)節(jié)至液滴與針尖分離，并立即釆用躺滴法連續(xù)跟蹤測量模式(設(shè)置為每1s凍結(jié)保存一個圖像)，通過量角法測量液體在固體表面的接觸角。每種試樣至少保證有3個液滴點的接觸角數(shù)據(jù)屬于有效數(shù)據(jù)，取平均值作為測試結(jié)果。

2結(jié)果與討論

2.1測試面的選取

由于粒狀發(fā)射藥是通過油壓機擠出成型的，在擠出過程中硝化棉大分子鏈及固體填料微晶會沿著擠出力的方向擇優(yōu)有序排列，形成一種取向結(jié)構(gòu)，從而造成藥粒物理機械性能的各向異性。因此，測定藥粒端面和側(cè)面的接觸角會有所不同。用細砂紙磨制好的同一種粒狀發(fā)射藥的側(cè)面和端面如圖1。

圖1　經(jīng)細砂紙打磨后藥粒的側(cè)面和端面Fig.1　Side face and end face of granular gun propellantrubbed with fine sandpaper

測定了20℃時蒸餾水在藥粒側(cè)面和端面上不同接觸時間的接觸角，結(jié)果見表1。從表1數(shù)據(jù)可見，發(fā)射藥因結(jié)構(gòu)中的大分子取向所造成的各向異性在接觸角的測定結(jié)果中也顯現(xiàn)出來，使得在側(cè)面上測得的水接觸角大于在端面上測得的值。

表1　藥粒側(cè)面和端面上水接觸角的測定值

由于實驗針對的是單孔粒狀發(fā)射藥，采用端面測試接觸角時，不可避免地會受到中間小孔的影響，并且由于藥粒端面面積較小，每個端面上只能測定一個液滴點的數(shù)據(jù)。當藥粒的長徑比較大時，磨制的藥粒側(cè)面面積大一些，可在同一藥粒的側(cè)面上測定2～3個液滴點的數(shù)據(jù)，測試誤差也比采用端面測試時小。因此，實驗中應(yīng)采用藥粒側(cè)面來測試接觸角。

2.2操作條件對接觸角測定值的影響

2.2.1測試面處理方式的影響

液滴在固體表面上的接觸角會受到固體表面粗糙程度的影響[7]。采用粗、細砂紙打磨的藥粒側(cè)面粗糙度明顯不同，而將細砂紙打磨后的藥粒側(cè)面再用丙酮擦拭后，放置12h，藥粒側(cè)面的粗糙度更小(如圖2)。

對同一種藥粒的側(cè)面采用3種處理方式處理后，測定其20℃時的水接觸角，結(jié)果如圖3所示。從圖3可見，經(jīng)細砂紙打磨并用丙酮擦拭后晾干的藥粒側(cè)面上測得的水接觸角較小。從固液界面接觸良好狀態(tài)角度考慮，測定液體在固體表面的接觸角時固體表面越平整越好。因此，在后續(xù)實驗研究中采用細砂紙打磨后的藥粒側(cè)面，并用丙酮擦拭、晾干。

圖2　不同測試面處理方式得到的藥粒側(cè)面Fig.2　Side face of granular gun propellant treatedby different methods

圖3　測試面處理方式對藥粒側(cè)面的水接觸角測定結(jié)果的影響Fig.3　Effect of treatment method of tested surface on themeasured results of water contact angle upon side face ofgranular gun propellant

2.2.2液滴體積的影響

對同一種藥粒的側(cè)面分別采用3種液滴體積(2.0、1.0、0.6μL)，測定了20℃時的水接觸角，結(jié)果如圖4所示。

圖4　液滴體積對藥粒側(cè)面上的水接觸角測定結(jié)果的影響Fig.4　Effect of droplet volume on the measured resultsof water contact angle upon side face of granular gunpropellant

圖4顯示，在相同的接觸時間內(nèi)，采用2.0μL液滴測得的接觸角明顯大于采用0.6μL或1.0μL液滴體積時的接觸角，而采用1.0μL和0.6μL液滴測得的接觸角相近。因此，在本實驗測試接觸角條件下，液滴體積不宜大于1μL，以減少因液滴體積過大帶來的誤差。

2.2.3液滴與測試面接觸時間的影響

從表1、圖3和圖4中可以看出，液滴從接觸藥粒測試面開始，其接觸角隨著接觸時間的增加而降低，并逐漸趨于穩(wěn)定。為了獲得較穩(wěn)定的接觸角測定值，應(yīng)該選取液滴與測試面接觸時間較長時的數(shù)據(jù)。然而，在測試過程中，所采用的液滴體積較小，隨著時間增加，有少量液體會揮發(fā)(尤其是測試溫度較高時)，從而帶來測試誤差。為此，對同一種藥粒的側(cè)面采用液滴體積0.6μL，研究了3種溫度下水的接觸角隨接觸時間的變化，結(jié)果如圖5所示。

圖5　液滴與測試面接觸時間對藥粒側(cè)面上的水接觸角測定結(jié)果的影響Fig.5　Effect of the contact time of droplet with testedsurface on the measured results of water contact angleupon side face of granular gun propellant

由圖5可知，在同一接觸時間、不同溫度下接觸角的測量值不同，在較高溫度時粒狀發(fā)射藥的水接觸角較低。盡管3種溫度下測得的水接觸角隨著液滴與測試面的接觸時間增加而發(fā)生變化的幅度不同，但基本都在約8s時趨于穩(wěn)定。因此，在測定不同配方、不同結(jié)構(gòu)粒狀發(fā)射藥的接觸角時，可以取8s時的接觸角作為測定結(jié)果。

2.3單孔藥與片狀藥接觸角的比較

分別采用單孔模具和扁口模具用油壓機擠壓成型制備了同一配方的單孔藥和片狀藥。單孔藥粒側(cè)面磨制后用丙酮擦拭、晾干；片狀藥試樣表面用丙酮擦拭、晾干(見圖6)。在相同條件下測試20℃時水的接觸角，并與相同條件下未用丙酮擦試的片狀藥比較，結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可知，采用不同模具成型的發(fā)射藥的接觸角測試結(jié)果有較大差異，單孔藥側(cè)面的水接觸角明顯大于片狀藥的；對于片狀藥試樣，表面是否用丙酮擦拭對測試結(jié)果影響不大。這是因為不同模具中藥料通過的流道及各點受力不同，造成在擠壓成型過程中硝化棉大分子鏈及固體填料微晶的取向程度不同，從而使試樣表面的分子間作用力出現(xiàn)差異，反映在所測得的水接觸角也出現(xiàn)明顯差異。

圖6　單孔和片狀發(fā)射藥試樣照片F(xiàn)ig.6　Photographs of single-hole sample and flakesample of gun propellants

圖7　單孔和片狀發(fā)射藥水接觸角的測定結(jié)果Fig.7　Measured results of water contact angle forsingle-hole sample and flake sample for gun propellants

3結(jié)論

(1)采用接觸角測量儀，可以測得不同溫度下液體在粒狀發(fā)射藥上的接觸角。

(2)測試粒狀發(fā)射藥接觸角較穩(wěn)定的實驗操作條件為：以藥粒側(cè)面作為測試面；用細砂紙磨平并用丙酮擦拭、晾干；液滴體積不大于1μL；取液滴與測試面接觸時間為8s時的接觸角數(shù)據(jù)作為測試結(jié)果。

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Optimization of the Measuring Conditions of Contact Angle for Granular

Gun Propellant

ZHANG Li-hua1, ZUO Jin-xiu1, LIU Chao2, LIU You-ping1

(1. School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan 030051, China;

2. School of Science, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:To obtain the comparatively accurate parameters of surface property for granular gun propellant samples, the values of contact angle of granular gun propellant were measured with a contact angle instrument under different experimental operating conditions. The effects of some factors such as the selection of tested surface for granular gun propellant, the treatment method of tested surface, the droplet volume used and the contact time of droplet with tested surface in the test operating procedure through a sessile drop method on the tested value of contact angle of gun propellant were discussed. Based on the experimental results, the relatively stable test operating conditions are determined as: using smoothed side face of granular gun propellant as tested surface, treating the tested surface through rubbing with fine sandpaper then wiping with acetone and drying in the air, adopting droplet volume not more than 1μL, and taking the contact angle measured at the contact time 8s between droplet and tested surface as the tested result.

Keywords:applied chemistry; contact angle; granular gun propellant; sessile drop method; surface property；operating condition

作者簡介:張麗華(1961-)，女，教授，從事火藥制備及性能研究。

收稿日期:2014-08-26；修回日期:2014-11-26

中圖分類號：TJ55; O647

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)01-0074-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.017