丁羟推进剂吸湿分级①

张旭东，董可海，曲 凯，刘著卿

(海军航空工程学院飞行器工程系，烟台 264001)

丁羟推进剂吸湿分级①

张旭东，董可海，曲 凯，刘著卿

(海军航空工程学院飞行器工程系，烟台 264001)

以丁羟推进剂为研究对象，进行了多种温湿度条件下的吸湿试验、方坯药块的浸水及干燥恢复试验、干燥恢复对不同受潮程度丁羟推进剂爆热值的影响试验;依据吸湿过程中推进剂试样表面是否存在凝水现象、固体填料AP与粘合剂基体的粘接情况、硬度和爆热值的恢复程度确定了吸湿分级的3条分界线，即吸湿率为0.04%、0.15%和5%;将丁羟推进剂吸湿划分为4个等级，分析了各级的特征，给出了对处于不同吸湿等级的推进剂的相对应的处理措施。

丁羟推进剂;吸湿率;力学性能;爆热值;吸湿分级

0 引言

国内外进行了大量的关于丁羟推进剂湿老化的研究［1-5］，均表明吸湿将使推进剂的力学性能下降。此外，一些研究［6-8］还表明，短期吸湿的丁羟推进剂经过一定的干燥处理，其性能是可恢复的，但很少有研究人员将吸湿后的推进剂进行级别划分，来表征其性能损失的程度，从而确定对不同吸湿程度推进剂的处理措施。

本文进行了丁羟推进剂的吸湿试验、方坯药块的浸水及干燥恢复试验、干燥恢复对不同受潮程度丁羟推进剂爆热值的影响试验。在此基础上，寻找丁羟推进剂吸湿的规律，探讨其吸湿分级的方法，并给出对不同吸湿程度推进剂的处理措施，以便于科研部门、生产厂家和相关部门参照应用。

1 试验

1.1 丁羟推进剂吸湿试验

1.1.1 吸湿试验研究对象

采用同一配方的丁羟推进剂方坯药，制成120 mm×25 mm×10 mm的长方体试样，作为吸湿试验对象。吸湿一段时间后，依据QJ 924—85《复合固体推进剂单向拉伸试验方法》将其加工成哑铃形试件，并采用深圳新三思公司生产的CMT6203台式微机控制电子万能试验机进行力学性能测试。

1.1.2 试验条件及实现方法

吸湿试验在温度为10、30、50℃时若干种相对湿度条件下进行。

通过在密闭玻璃容器底部盛放蒸馏水，利用其上部气氛来形成100%的环境湿度条件;依据《MV_RR_OIM_0020饱和盐溶液标准相对湿度值》［9］，在密闭玻璃容器底部盛放溴化钠、氯化钠、氯化钾、硫酸钾饱和水溶液，利用其上部气氛来形成试验所需的其他湿度条件。

将上述密闭玻璃容器置于苏州山岛环境试验设备有限公司生产的GDS-0192型高低温湿热试验箱内，进而通过温度控制来实现相应的温度条件，高低温湿热试验箱的温控精度为±1℃。

1.1.3 表征参数的选取

在吸湿程度上，文献［10-12］都给出了相关的表征方法，采取如式(1)所示的表征方法，吸湿前后试样质量测试采用美国兄弟双杰测试仪器厂生产的JJ 500型电子天平(分辨率为0.01 g)。

式中Q吸为试样的吸湿率;Δm为试样吸湿后的质量变化量;m0为试样的原始质量。

力学性能表征除了采用普遍使用的抗拉强度σm、最大伸长率εm和断裂伸长率εb以外，还采用εb/εm(脱湿系数)来表征推进剂固体填料AP与推进剂基体粘接的程度。

1.2 丁羟推进剂方坯药块浸水及干燥恢复试验

以30 mm×20 mm×60 mm的丁羟推进剂药块(除2个30 mm×20 mm端面外，其余4个表面均进行防水处理)为研究对象，如图1所示。

图1 经防水处理后的药块Fig.1 Propellant block with waterproof treatment

在室温条件下，将上述丁羟推进剂药块置于蒸馏水中浸泡，分别经过2、8、24、50 d后取出，如图2所示。沿长度方向切成30 mm×20 mm×10 mm的6个小药块，然后进行下列测试:

(1)分别测量0～10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm、40～50 mm、50～60 mm 对应小药块的吸湿率;质量测试采用美国康州HZ电子有限公司生产的HZK-FA210型电子天平，分辨率为0.00 01 g;

(2)采用温州山度仪器有限公司生产的LX-A型邵氏硬度计，分别测量各切面的邵氏硬度，切面编号如图3所示。

图2 药块切割示意图Fig.2 Incision of propellant block

图3 各切割面位置编号示意图Fig.3 Serial number of incision surface

取浸水试验后分割的部分30 mm×20 mm×10 mm小药块，在盛有无水氯化锂的干燥器内，经过充分的干燥处理，然后再测试其邵氏硬度。

1.3 干燥恢复对不同受潮程度丁羟推进剂爆热值的影响试验

丁羟推进剂试样首先分别经历不同条件的吸湿或浸水，之后经过充分的干燥处理，然后依据QJ 1359—88《复合固体推进剂爆热测试方法——恒温法》进行爆热值Qv的测试。

爆热值测试采用郑州三博煤炭测控仪器仪表有限公司生产的高精度两用全自动量热仪;试样质量测试采用HZK-FA210型电子天平。

2 试验数据

2.1 吸湿试验数据

通过吸湿试验得到不同吸湿条件下吸湿后推进剂的吸湿率和力学性能，如表1所示。如果推进剂内吸湿率分布不均匀，就利用宏观性能对其进行吸湿分级是不科学的。因此，表1中所选取的试验数据均为各温湿度条件下推进剂达到或基本达到吸湿平衡状态时的数据，这将使吸湿分级结果更准确、更有意义。

2.2 药块浸水及干燥恢复试验数据

药块浸水及干燥恢复试验数据见表2。

2.3 爆热值测试试验数据

通过试验，得到不同吸湿条件吸湿或浸水后经过充分干燥处理的丁羟推进剂试样爆热值测试结果，见表3。

表1 推进剂吸湿试验数据Table 1 Results of moisture absorption test

表2 药块浸水及干燥恢复数据Table 2 Data of waterishlogged propellant block and drying recovery

3 吸湿分级依据的确定

吸湿试验过程中，通过观察和记录试验现象发现:表1中条件2～8下吸湿，自始至终在推进剂试样表面没有出现凝水现象，条件9下吸湿率达到0.249%时发现凝水现象，条件10下吸湿率达到0.152%时发现凝水现象，条件11下吸湿率达到0.171%时发现凝水现象，条件12下吸湿率达到0.179%时发现凝水现象，条件13下吸湿率达到0.145%时发现少许凝水现象，吸湿率达到0.191%时则发现较多凝水。由于推进剂表面凝水会导致固体填料AP溶出，影响推进剂的弹道特性和能量特性。所以，采取试验过程中观察到凝水现象出现时吸湿率的下限值(取为0.15%)作为吸湿分级的第1条分界线。

表3 爆热值测试结果Table 3 Results of Qvtesting

由表1中试验数据可看出，对于条件1～3下的试验数据，脱湿系数εb/εm接近于1，最大为 1.30，这说明键合剂在AP表面形成的高模量层没有遭到破坏;对于条件4～13下的试验数据，脱湿系数εb/εm则远大于1，最小为1.73，这说明键合剂在AP表面形成的高模量层已遭到破坏，所以采取二者之间的吸湿率(取为0.04%)作为吸湿分级的第2条分界线，将13种条件下的脱湿系数与吸湿率的关系绘制成散点图(图4)。从图4可看出，当吸湿率小于0.04%时，εb/εm小于1.5;当吸湿率大于 0.04%时，εb/εm大于1.5。

图4 脱湿系数与吸湿率关系Fig.4 εb/εm ～ Q吸 curve

将表2丁羟推进剂药块浸水后的干燥恢复试验数据，取各自吸湿率范围的边界，然后将硬度恢复度与吸湿率的关系绘制成散点图，见图5(a);将表3爆热值测试结果换算成爆热值恢复度并将其与吸湿率的关系绘制成散点图，见图5(b)。从图5可看出，当吸湿率大于5%时，爆热值恢复度小于95%，硬度恢复度小于80%，认为其不可恢复;当吸湿率小于5%时，爆热值恢复度大于95%，硬度恢复度大于80%。所以，采取吸湿率5%作为吸湿分级的第3条分界线。

图5 硬度恢复度和爆热值恢复度与吸湿率关系Fig.5 ～ Q吸 and～ Q吸 curve

4 吸湿度及其特征分析

依据吸湿率为0.04%、0.15%和5%3条分界线，将丁羟推进剂的吸湿划分为4个等级，分别称为吸湿度Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，如表4所示。表4中，还列举了各级的特征。

表4 丁羟推进剂吸湿程度分级Table 4 HTPB propellant degree of moisture absorption

为了直观反映出处于各个吸湿级别的推进剂的特征，还拍摄了一些数码照片。其中，图6(a)为Q吸=0.023%(吸湿度为Ⅰ级)时单向拉伸断面的微距照片;图6(b)为Q吸=0.060%(吸湿度为Ⅱ级)时单向拉伸断面的微距照片，图6(c)为Q吸=0.288%(吸湿度为Ⅲ级)时单向拉伸断面的微距照片。图7(a)为Q吸=15.832%(吸湿度为Ⅳ级)的推进剂小药块与水接触表面的微距照片;图7(b)为Q吸=15.832%(吸湿度为Ⅳ级)的推进剂小药块干燥后表面的微距照片。

对吸湿度为Ⅰ级的推进剂，由于其吸湿率较小，AP与推进剂基体粘接界面没有发生破坏，单向拉伸时没有明显的脱湿现象(图6(a))，推进剂的力学性能均在规定的范围内(所研究丁羟推进剂性能指标要求:σm≥0.35 MPa、εm≥42%)，一般不需进行干燥处理。

对吸湿度为Ⅱ级的推进剂，由于其吸湿率较大，AP与推进剂基体粘接界面已发生破坏，从而推进剂的抗拉强度和最大伸长率均下降，甚至降到规定值以下，单向拉伸时有明显的脱湿现象(图6(b))，此时需对其采取必要的干燥处理措施，以恢复其性能。

对吸湿度为Ⅲ级的推进剂，由于其吸湿率很大，AP与推进剂基体粘接界面已发生破坏，从而推进剂的抗拉强度和最大伸长率均下降到规定值以下，单向拉伸时有严重的脱湿现象(图6(c))。另外，由于其表面有凝水，这将引起AP的溶解和聚集。干燥处理后，将导致AP颗粒大小及颗粒分布的一些变化，这对推进剂的燃速及能量特性均会产生一定的影响。因此，对吸湿度为Ⅲ级的推进剂的处理要慎重，可有选择性地进行干燥恢复处理。

图6 不同Q吸值时的拉伸断面图Fig.6 Photo at different Q吸

对吸湿度为Ⅳ级的推进剂，由于其吸湿率相当大，AP与推进剂基体粘接界面已发生严重破坏，从而推进剂的力学性能变得相当差，而且干燥处理后不易恢复。另外，由于其AP的溶解(图7(a))和严重聚集，干燥处理后，将导致AP颗粒大小及颗粒分布的严重变化(图7(b))，这对推进剂的燃速可能会产生很大的影响。因此，对吸湿度为Ⅳ级的推进剂要作报废处理。

图7 Q吸=15.832%的表面图Fig.7 Photo of surface at Q吸 =15.832%

5 结论

(1)由吸湿率为0.04%、0.15%和5%3条分界线，可将所研究丁羟推进剂的吸湿分为4个等级。

(2)对吸湿度为Ⅰ级的推进剂，一般不需进行干燥处理;对吸湿度为Ⅱ级的推进剂，要对其采取必要的干燥处理措施，以恢复其性能;对吸湿度为Ⅲ级的推进剂的处理要慎重，可有选择性地进行干燥恢复处理;对吸湿度为Ⅳ级的推进剂要作报废处理。

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Degree of moisture absorption HTPB propellant

ZHANG Xu-dong，DONG Ke-hai，QU Kai，LIU Zhu-qing
(Department of Aircraft Engineering，NAAU，Yantai264001，China)

With HTPB propellant as research object，some moisture absorption tests were performed under various conditions.The tests of the propellant carton dipping into the water and the drying recovery of the propellant were performed，and the effect of drying recovery on the heat value of the propellant with different moisture absorption percentage was investigated.Three dividing lines of moisture absorption based on agglomerate water existing in the surface of moist propellant or not，the adhering interface of filling，the recovery degree of hardness and heat value were determined，i.e.moisture absorption percentage equals 0.04% ，0.15%and 5%.The characteristics of propellant with different degree of moisture absorption were analyzed，and the corresponding measures which should be taken in disposal were proposed.

HTPB propellant;moisture absorption percentage;mechanics performance;heat value;degree of moisture absorption

V512

A

1006-2793(2012)04-0499-05

2011-11-07;

2012-01-19。

武器装备预研基金项目(51328040104)。

张旭东(1978—)，男，讲师，研究领域为复合固体推进剂贮存性能。E-mail:xdzhang78@sina.com

(编辑:刘红利)