粒状发射药接触角测定条件的优化

张丽华，左金秀，柳　超，刘幼平

(1.中北大学化工与环境学院，山西太原030051; 2.中北大学理学院，山西太原030051)



粒状发射药接触角测定条件的优化

张丽华1，左金秀1，柳超2，刘幼平1

(1.中北大学化工与环境学院，山西太原030051; 2.中北大学理学院，山西太原030051)

摘要：为获得较为准确的粒状发射药的表面性能参数，采用接触角测量仪测量了粒状发射药在不同实验操作条件下的接触角，讨论了躺滴法测量发射药接触角操作过程中测试面的选取、测试面的处理方式、所用液滴体积、液滴与发射药测试面的接触时间等因素对接触角测定值的影响。依据实测数据确定了较为稳定的实验操作条件：用磨平的粒状发射药侧面作为接触角测试面，对测试面采用细砂纸打磨后再用丙酮擦拭、晾干的处理方式，所用液滴体积不大于1μL，取液滴与测试面的接触时间为8s时的接触角值作为测试结果。

关键词：应用化学；接触角；粒状发射药；躺滴法;表面性能；操作条件

引言

为了提高发射药的能量，通常采用在含有硝化棉黏合剂体系中添加高能固体炸药(如RDX)的方法，对于此类多相体系的高能发射药而言，开展其表界面性能方面的研究可以从亚微观角度较深入地了解其结构与性能的关系[1-2]。在测定固体物质表面性能参数的方法中，接触角测量是一种较为简单易行的方法[3-4]。然而，目前针对火药材料进行固体表面性能测试还多是针对面积较大的试样(如推进剂)[5-6]，粒状发射药的体积或表面积相对较小，目前有关其表面性能方面的研究报道较少。由于发射药的亚微观结构与其制备过程紧密相关，在测试实际使用的发射药的表界面性能参数时，会因试样尺寸较小给接触角测量操作带来一些困难，并且会由于测试操作条件的差异造成测试数据不稳定或不准确。

躺滴法是一种测定液体在固体表面的接触角较为直观和简单的方法，当液体微滴接触固体表面形成小躺滴后，利用图像处理法测量从气-液-固点处引出的液-气界面切线与固体表面之间的夹角。

本研究针对以双基药为基体、以RDX为固体填料制备的单孔粒状发射药，讨论了用躺滴法测试其接触角过程中一些操作因素的影响，为利用接触角测量方法获取此类粒状发射药的表界面参数，并进一步研究发射药自身的组分结构与其表界面性能的关系，确定了较为稳定的实验操作条件。

1实验

1.1材料及仪器

12/1粒状发射药，泸州北方化学工业有限公司；蒸馏水，自制；丙酮，市售分析纯。

JC2000D型接触角测量仪，上海中晨仪器有限公司。

1.2药粒测试面的磨制

用躺滴法测定液体在固体表面的接触角数据，要求固体有一个较平整的测试面。先用粗砂纸(61μm)将药粒打磨出一个平面，再用细砂纸(42μm)将平面打磨得更平整，作为测量接触角的测试面。

1.3接触角(θ)的测试

将待测药粒放置在可控温样品台上，将抽取了蒸馏水的微量进样器固定在进样器架上；调节进样器架位置和样品台位置，使电脑屏幕上药粒测试面和进样器针尖的图像位置合适；旋转滴液螺母让进样器针尖出现液滴，向上调节样品台让试样测试面接触液滴后立即向下调节至液滴与针尖分离，并立即釆用躺滴法连续跟踪测量模式(设置为每1s冻结保存一个图像)，通过量角法测量液体在固体表面的接触角。每种试样至少保证有3个液滴点的接触角数据属于有效数据，取平均值作为测试结果。

2结果与讨论

2.1测试面的选取

由于粒状发射药是通过油压机挤出成型的，在挤出过程中硝化棉大分子链及固体填料微晶会沿着挤出力的方向择优有序排列，形成一种取向结构，从而造成药粒物理机械性能的各向异性。因此，测定药粒端面和侧面的接触角会有所不同。用细砂纸磨制好的同一种粒状发射药的侧面和端面如图1。

图1　经细砂纸打磨后药粒的侧面和端面Fig.1　Side face and end face of granular gun propellantrubbed with fine sandpaper

测定了20℃时蒸馏水在药粒侧面和端面上不同接触时间的接触角，结果见表1。从表1数据可见，发射药因结构中的大分子取向所造成的各向异性在接触角的测定结果中也显现出来，使得在侧面上测得的水接触角大于在端面上测得的值。

表1　药粒侧面和端面上水接触角的测定值

由于实验针对的是单孔粒状发射药，采用端面测试接触角时，不可避免地会受到中间小孔的影响，并且由于药粒端面面积较小，每个端面上只能测定一个液滴点的数据。当药粒的长径比较大时，磨制的药粒侧面面积大一些，可在同一药粒的侧面上测定2～3个液滴点的数据，测试误差也比采用端面测试时小。因此，实验中应采用药粒侧面来测试接触角。

2.2操作条件对接触角测定值的影响

2.2.1测试面处理方式的影响

液滴在固体表面上的接触角会受到固体表面粗糙程度的影响[7]。采用粗、细砂纸打磨的药粒侧面粗糙度明显不同，而将细砂纸打磨后的药粒侧面再用丙酮擦拭后，放置12h，药粒侧面的粗糙度更小(如图2)。

对同一种药粒的侧面采用3种处理方式处理后，测定其20℃时的水接触角，结果如图3所示。从图3可见，经细砂纸打磨并用丙酮擦拭后晾干的药粒侧面上测得的水接触角较小。从固液界面接触良好状态角度考虑，测定液体在固体表面的接触角时固体表面越平整越好。因此，在后续实验研究中采用细砂纸打磨后的药粒侧面，并用丙酮擦拭、晾干。

图2　不同测试面处理方式得到的药粒侧面Fig.2　Side face of granular gun propellant treatedby different methods

图3　测试面处理方式对药粒侧面的水接触角测定结果的影响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液滴体积的影响

对同一种药粒的侧面分别采用3种液滴体积(2.0、1.0、0.6μL)，测定了20℃时的水接触角，结果如图4所示。

图4　液滴体积对药粒侧面上的水接触角测定结果的影响Fig.4　Effect of droplet volume on the measured resultsof water contact angle upon side face of granular gunpropellant

图4显示，在相同的接触时间内，采用2.0μL液滴测得的接触角明显大于采用0.6μL或1.0μL液滴体积时的接触角，而采用1.0μL和0.6μL液滴测得的接触角相近。因此，在本实验测试接触角条件下，液滴体积不宜大于1μL，以减少因液滴体积过大带来的误差。

2.2.3液滴与测试面接触时间的影响

从表1、图3和图4中可以看出，液滴从接触药粒测试面开始，其接触角随着接触时间的增加而降低，并逐渐趋于稳定。为了获得较稳定的接触角测定值，应该选取液滴与测试面接触时间较长时的数据。然而，在测试过程中，所采用的液滴体积较小，随着时间增加，有少量液体会挥发(尤其是测试温度较高时)，从而带来测试误差。为此，对同一种药粒的侧面采用液滴体积0.6μL，研究了3种温度下水的接触角随接触时间的变化，结果如图5所示。

图5　液滴与测试面接触时间对药粒侧面上的水接触角测定结果的影响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

由图5可知，在同一接触时间、不同温度下接触角的测量值不同，在较高温度时粒状发射药的水接触角较低。尽管3种温度下测得的水接触角随着液滴与测试面的接触时间增加而发生变化的幅度不同，但基本都在约8s时趋于稳定。因此，在测定不同配方、不同结构粒状发射药的接触角时，可以取8s时的接触角作为测定结果。

2.3单孔药与片状药接触角的比较

分别采用单孔模具和扁口模具用油压机挤压成型制备了同一配方的单孔药和片状药。单孔药粒侧面磨制后用丙酮擦拭、晾干；片状药试样表面用丙酮擦拭、晾干(见图6)。在相同条件下测试20℃时水的接触角，并与相同条件下未用丙酮擦试的片状药比较，结果如图7所示。

从图7中可知，采用不同模具成型的发射药的接触角测试结果有较大差异，单孔药侧面的水接触角明显大于片状药的；对于片状药试样，表面是否用丙酮擦拭对测试结果影响不大。这是因为不同模具中药料通过的流道及各点受力不同，造成在挤压成型过程中硝化棉大分子链及固体填料微晶的取向程度不同，从而使试样表面的分子间作用力出现差异，反映在所测得的水接触角也出现明显差异。

图6　单孔和片状发射药试样照片Fig.6　Photographs of single-hole sample and flakesample of gun propellants

图7　单孔和片状发射药水接触角的测定结果Fig.7　Measured results of water contact angle forsingle-hole sample and flake sample for gun propellants

3结论

(1)采用接触角测量仪，可以测得不同温度下液体在粒状发射药上的接触角。

(2)测试粒状发射药接触角较稳定的实验操作条件为：以药粒侧面作为测试面；用细砂纸磨平并用丙酮擦拭、晾干；液滴体积不大于1μL；取液滴与测试面接触时间为8s时的接触角数据作为测试结果。

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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

作者简介:张丽华(1961-)，女，教授，从事火药制备及性能研究。

收稿日期:2014-08-26；修回日期:2014-11-26

中图分类号：TJ55; O647

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2015)01-0074-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.017