粘结剂和Al粉级配对Al-粘结剂体系摩擦特性的影响

任秀秀，赵省向，邢晓玲，刁小强，方 伟



粘结剂和Al粉级配对Al-粘结剂体系摩擦特性的影响

任秀秀，赵省向，邢晓玲，刁小强，方 伟

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

为了研究粘结剂种类和含量以及Al粉级配对Al-粘结剂体系摩擦特性的影响，采用氟橡胶、202胶和ETPE作为高聚物粘结剂剂，并使用FLQT-4、FLQT-1和FLQT-0 3种规格的Al粉进行级配，利用颗粒滑移力测量装置获得摩擦力和摩擦系数。结果表明：Al/粘结剂的质量比为30∶0.7时，样品的摩擦力和摩擦系数偏低；石蜡使Al-粘结剂体系的摩擦力和摩擦系数进一步降低，且对Al-ETPE体系影响更大；FLQT-4与FLQT-1规格的Al粉级配样品比FLQT-4与FLQT-0规格的Al粉级配样品的摩擦力和摩擦系数低。

铝粉; 粘结剂; 摩擦力; 摩擦系数；级配

铝粉作为一种高热值的金属添加剂，广泛应用于混合炸药配方中，其氧化热较高且具有后燃效应，可显著提高炸药的爆热和爆温[1-2]。但是铝粉的加入在增强炸药威力的同时，也影响了炸药的机械感度。由于铝粉硬度和熔点高于普通炸药，受到外力时形变较小，而摩擦力较大利于热点的形成[3]。因此，含铝炸药的机械感度一般都比相应的非含铝炸药的机械感度高，这使炸药在制备、压制成型以及炮弹装药等过程中的危险性增加。根据文献[4]，摩擦生热产生热点的温度与摩擦系数成正比关系，所以铝粉在应用于混合炸药配方之前，可以采用表面包覆方法进行处理，改善其摩擦性能[5]。目前，关于粘结剂种类和铝粉粒度级配对Al-粘结剂体系摩擦特性的影响未见相关报道。本研究通过改变粘结剂种类和含量，对铝粉进行不同粒径的级配，制备了多种Al-粘结剂体系样品。同时，采用自主研制的颗粒滑移力测量装置测量样品的摩擦力，并计算出摩擦系数，比较不同粘结剂对铝粉摩擦性能的影响，为混合炸药配方中铝粉的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

材料：铝粉，活性98.9%，鞍钢实业微细铝粉有限公司；氟橡胶，F2603，晨光化工厂；202胶，天津染化八厂； ETPE，西安近代化学研究所；石蜡，大连石化公司；乙酸乙酯、石油醚，均为分析纯，天津有机厂。仪器：颗粒滑移力测量装置，西安近代化学研究所。

1.2 样品制备

采用“直接法”工艺对铝粉进行包覆，样品配方见表1。

表1 Al-粘结剂体系的配方组成

Tab.1 The formulation of Al-binder system

1.3 样品测试

采用颗粒滑移力测量装置对样品进行摩擦试验，仪器如图1所示。

图1 测量装置示意图

将少量样品放置在下摩擦盘的凹槽中，设定好相关参数：加压砝码5kg，转速10rpm，砝码所在档位7档，摩擦柱规格Ф8mm，室温，进行试验。

根据摩擦定律[6]：

F=μN （1）

式（1）中：为摩擦力；为摩擦系数；为正压力。图1中标记了正压力、砝码重量以及力臂和。和分别为90mm和540mm。根据力矩平衡条件有：

G（a+b）=Na （2）

将式（2）代入式（1）中，则摩擦系数的计算公式为：

2 结果与讨论

2.1 粘结剂种类和含量对Al-粘结剂体系摩擦特性的影响

采用颗粒滑移力测量装置对制备的Al-粘结剂样品进行摩擦实验，获得9种样品的摩擦力，并由公式（3）计算出摩擦系数，图2和表2分别为3种粘结剂在不同含量下包覆Al粉的摩擦力变化曲线和摩擦系数值。

图2 样品摩擦力随粘结剂含量变化曲线

表2 样品的摩擦系数

Tab.2 The friction coefficient of sample

由图2可知，粘结剂含量为0时，FLQT-4规格的铝粉静摩擦力为93N，随着样品中Al粉与氟橡胶、202胶和ETPE这3种粘结剂的质量比从30/0逐渐升高至30/1时，静摩擦力先变小再升高。当两者质量比为30/0.7时，静摩擦力显然最小。说明粘结剂的含量对Al-粘结剂体系的静摩擦力影响不是简单变化。这3种粘结剂溶液在Al粉上的铺展系数都大于0，说明Al粉能够被他们润湿，粘结剂可以包覆在Al粉颗粒表面[7]。粘结剂含量较少时，包覆效果不理想，随着粘结剂含量增加，对铝粉颗粒包覆更完全，降低了Al粉颗粒之间相互接触摩擦的概率，摩擦力降低幅度变大，但是当粘结剂含量增加到一定程度后，由于粘结剂是粘弹性材料，表现出一定的黏滞性，摩擦力不降反而增大。

由图2可以看出，Al/粘结剂的质量比为30/0.7时，用202胶作粘结剂的样品摩擦力最小，ETPE作粘结剂的样品摩擦力相对较大。分析原因认为，202胶的粘度在40~80CPS范围内，小于氟橡胶和ETPE。

粘结剂属于高分子添加剂，包覆在Al粉颗粒表面，Al粉与直接接触的材料之间有一层类似润滑膜的表面膜，这层膜将摩擦副之间的原子结合力转变为范德华力，降低了表面分子作用力，因此降低了摩擦过程中的摩擦阻力，减缓了Al粉颗粒的黏着摩擦效应。同时，经过粘结剂表面包覆处理过的Al粉颗粒变圆滑，粗糙的棱角变少，使摩擦界面的微凸体接触点数目变少。

2.2 石蜡对Al-粘结剂体系摩擦特性的影响

由图2可知铝粉与氟橡胶、202胶和ETPE这3种粘结剂的质量比为30/0.7时，Al-粘结剂体系的摩擦力和摩擦系数都最小，因此选定这一配比的样品，来探究加入广泛使用的石蜡对其摩擦力和摩擦系数的影响。图3和表3分别为Al/粘结剂/石蜡质量比为30/0.7/0.7时进行摩擦试验获得的摩擦力变化曲线和摩擦系数。

图3 Al/粘结剂/石蜡质量比为30/0.7/0.7时的摩擦力变化曲线

表3 Al/粘结剂/石蜡质量比为30/0.7/0.7时的摩擦系数

Tab.3 The friction coefficient of Al/binder/wax with the mass ratio of 30/0.7/0.7

由图3与表3可知，相较于未添加石蜡的Al-粘结剂体系，Al/粘结剂/石蜡样品的摩擦力与摩擦系数都明显降低，表明外包石蜡的样品较外包粘结剂的Al样品更加光滑，可以进一步降低Al-粘结剂体系的摩擦力和摩擦系数。这是因为石蜡粘性小，在表面包覆石蜡以后，包覆颗粒之间不会相互粘连，而高分子的粘性较大，包覆中间物会发生粘连，使表面略粗糙[8]。石蜡的加入使Al-ETPE体系的摩擦系数相较于Al-氟橡胶和Al-202胶体系的摩擦系数降低的幅度更大，说明采用石蜡对Al-ETPE体系的摩擦特性影响效果显著，可能是因为石蜡更易黏结在粘度较大的ETPE上。石蜡是固态长链烷烃的混合物，主要组分是直链烷烃，几乎没有长侧链，其分子量小、质软、粘度低，具有良好的润滑性[9]，可以缓解颗粒之间或微凸体之间的相互摩擦，同时粘结剂的表面包覆作用也使铝粉颗粒之间直接接触的概率减少。

2.3 铝粉级配对Al-粘结剂体系摩擦特性的影响

氟橡胶是广泛使用的高聚物粘结剂，以氟橡胶为典型代表，保持铝Al粉与氟橡胶质量比为30/0.7，采用不同粒径的Al粉进行级配，样品配方如表4所示。

表4 Al粉级配样品配方组成

Tab.4 The formulation of sample graded by aluminum

对Al粉级配的3种样品进行颗粒滑移力测量，得到摩擦力和摩擦系数如表5所示。

表5 Al粉级配样品摩擦力和摩擦系数

Tab.5 The friction force and friction coefficient of sample graded by aluminum

从表5可知，Al粉级配会极大影响Al-粘结剂体系的摩擦力和摩擦系数。FLQT-4规格的Al粉粒径约4μm，单独使用此规格的Al粉对应的摩擦力和摩擦系数最小。FLQT-1和FLQT-0规格的Al粉粒径分别为29μm和43μm，随着级配Al粉的粒径增大，样品的摩擦力和摩擦系数随之增大。对于Al粉级配的样品，可将Al粉颗粒这种金属材料简化为密集堆积的刚性小球[10]。若含有粒径相对较小的细颗粒，则整个级配体系颗粒之间的间隙减少，从而颗粒之间更加紧密，表面粗糙程度就偏低，摩擦系数也相应偏低[11]。当级配的Al粉颗粒粒径增大，颗粒之间的凹凸不平的粗糙峰会越来越显著，当受到外力作用时，摩擦副接触界面处的粗糙峰会啮合嵌入地更深，导致摩擦阻力和摩擦系数变大。

3 结论

（1）铝粉与粘结剂的质量比为30/0.7时，包覆后的Al-粘结剂体系样品摩擦力和摩擦系数偏低，可以为含铝炸药的配方比例作参考。

（2）添加石蜡以后，Al-粘结剂体系的摩擦力和摩擦系数明显降低。石蜡对ETPE作粘结剂的铝粉样品的摩擦性能影响强于氟橡胶和202胶为添加剂的铝粉样品。

（3） FLQT-4规格的铝粉粒径小，对应的Al-粘结剂体系的摩擦力和摩擦系数也偏小。其中采用FLQT-4和FLQT-1规格的铝粉进行级配的Al-粘结剂样品的摩擦系数小于FLQT-4和FLQT-0级配的样品。

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Influence of Binder and Aluminum Powder Gradation on Friction Properties of Al-Binder System

REN Xiu-xiu, ZHAO Sheng-xiang, XING Xiao-ling, DIAO Xiao-qiang, FANG Wei

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an ,710065)

In order to research the influence of the type and content of binders and the aluminum particle graduation on the frictional properties of Al-binder system, fluorine rubber, 202 glue and ETPE were used as polymer binders, and FLQT-4, FLQT-1 and FLQT-0 of three aluminum powder specifications were used for grading. The friction force and friction coefficient have been measured by particle slip force measuring device. The results show that, the friction and friction coefficient of the sample are lower when the mass ratio of Al/binder is 30/0.7. Wax can further reduce the friction and friction coefficient of Al-binder system and has a greater impact on the Al-ETPE system. Al-binder sample graded with FLQT-4 and FLQT-1 has lower friction and friction coefficients than that of FLQT-4 and FLQT-0.

Aluminum powder；Binder；Friction；Friction coefficient；Graduation

1003-1480（2018）05-0029-04

TQ560.71

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.05.008

2018-06-07

任秀秀（1994 -），女，在读硕士研究生，主要从事混合炸药配方与工艺研究。