氟聚合物/TATB基PBX的界面结构

论文摘要

本文以氟聚合物／TATB基PBX为研究对象，表征和分析了TATB的结构及表面特性，偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物的表面特性。利用多种方法研究了TATB与氟聚合物的界面作用机制、成型工艺对炸药晶体的破坏及氟聚合物在PBX造型粉和药柱中的分布。采用分子动力学方法（MD）模拟了氟聚合物的序列结构对其吸附行为的影响。通过TATB、氟聚合物及二者间相互作用的系统研究，为高填充型复合含能材料（PBX）的界面改性和配方设计提供理论和实验依据。采用扫描电镜（SEM）、反相气相色谱（IGC）、接触角、光电子能谱（XPS）、傅立叶红外光声光谱（FTIR-PAS）研究了四种不同粒度TATB的结构与表面性质。研究发现，随着粒度的减小，TATB表面空洞、空隙及内部缺陷逐渐减少，表面更加光滑，其苯环的面内弯曲振动和C=C振动向高波数方向移动。首次发现TATB表面的色散分量随着温度的升高而增加，且随粒度增大上升速率更快。四种TATB具有明显不同的表面酸碱性质，细颗粒TATB可以提供正的路易斯酸碱性，而其它粒度的TATB在极性探针分子的作用下均表现为吸热吸附。对氟聚合物的表面性质研究表明，氟聚合物的色散分量随着温度升高而降低，含有较多的三氟氯乙烯链段的氟聚合物具有较强的色散自由能效应和亲电子特性。PBX的力学性能、安全性能与PBX的界面性质密切相关。为此利用XPS和FTIR-PAS技术研究了氟聚合物与TATB的界面作用，发现TATB与氟聚物粘结剂间的界面间仅存在弱范德华作用力或类氢键作用。随着共聚物中三氟氯乙烯含量的减少，氟聚合物的氢与NO2作用在增强，氟聚合物在TATB表面的吸附量增大，表明NO2与H的作用强于NH2与F、Cl间的相互作用。具有更多缺陷的粗颗粒TATB对氟聚合物具有更好的吸附作用。粘结剂在药柱中的分布对PBX性能的影响是值得探讨的问题，但是对这一问题的研究目前还未见文献报道。通过对造型粉和PBX药柱的研究，发现药柱成型过程中压力作用下炸药晶体会破碎，生成孪晶和穿晶裂纹，并导致界面脱粘。用背散射电子成像（BSE）和能量色散谱仪（EDX）观察药柱剖面发现，粘结剂在药柱中分布主要集中在造型粉的界面，高温高压下粘结剂在药柱中塑性流动受限是其形成的原因。为了从分子水平上揭示PBX中氟聚合物与TATB的界面作用机制，采用COMPASS力场和NVT系综的动力学计算模拟了TATB对氟聚合物的吸附行为。氟聚合物包括PVDF、PCTFE及按1∶1，1∶2，1∶3，1∶4生成的VDF／CTFE的交替共聚物或无规共聚物模型。从吸附能、吸附平衡的链构象、吸附前后链的末端距及其变化等方面进行分析发现：在TATB表面吸附时，交替共聚物链具有较强的吸附能力。研究表明，单体比为1∶1的交替共聚物吸附效果最佳，链以trains型构象吸附于TATB表面；随着共聚物链段中CTFE链节的增加，在TATB表面吸附能力变差、吸附能降低，尾型（tail）或环型（loop）链构象数增多。这与二者的界面作用中H与NO2的作用较强的研究结果一致。进一步研究了温度、多链和溶剂等因素对交替共聚物吸附行为的影响，结果表明：交替共聚物的吸附能力和链的构象形式对环境温度有很大的依赖性，其最佳吸附温区为300～320K，此时共聚物链的吸附点多，以train型构象为主；揭示了VDF／CTFE交替共聚物与TATB表面的强亲和性和非表面凝聚吸附的特性；溶剂化的共聚物链在TATB表面活性大为降低，共聚物链以tail型构象形成表面吸附态，从而降低了VDF／CTFE交替共聚物在TATB晶体表面的铺展能力。在PBX药柱的宏观性能研究中发现，吸附性能更好的F2311造粒工艺性更佳；F2314／TATB基PBX药柱具有更高的力学性能，表明在选择粘结剂时，不仅要考虑界面作用，粘结剂本身的强度对PBX药柱的力学性能也有明显影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 塑料粘结炸药及相关的一些基础性问题
• 1.2 PBX中表界面行为的研究进展
• 1.2.1 PBX粘结理论简介
• 1.2.2 以TATB为基的PBX配方中的界面行为研究
• 1.2.3 在TATB/氟聚合物PBX中界面研究中涉及的理论问题
• 1.3 研究内容的提出
• 参考文献
• 第一部分 TATB与氟聚合物的相关物化参数
• 第二章 TATB的结构表征与表面性质
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 TATB样品的制备
• 2.2.2 测试仪器及方法
• 2.2.2.1 TATB的粒度测试
• 2.2.2.2 TATB的比表面积测试
• 2.2.2.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.2.4 接触角测试
• 2.2.2.5 反相气相色谱（IGC）测试
• 2.2.2.6 光电子能谱（XPS）
• 2.2.2.7 傅立叶红外光声光谱（FTIR-PAS）
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 TATB的粒度及比表面积
• 2.3.2 TATB颗粒的形貌特征研究
• 2.3.3 接触角法研究TATB的表面能
• 2.3.4 反相气相色谱（IGC）研究TATB的表面酸碱常数
• 2.3.4.1 反相气相色谱（IGC）测试表面酸碱常数的原理
• 2.3.4.2 比保留体积的计算
• 2.3.4.3 色散表面张力
• 2.3.4.4 四种TATB的表面酸碱常数
• 2.3.5 XPS研究TATB表面元素组成
• 2.3.6 FTIR-PAS研究TATB的表面基团的特征
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第三章 氟聚合物的的结构及表面性质
• 3.1 前言
• 3.2 氟聚合物的纯化及测试方法
• 3.2.1 氟聚合物的纯化
• 3.2.2 测试仪器及方法
• 3.2.2.1 氯含量测试
• 3.2.2.2 分子量测试
• 3.2.2.3 DSC测试
• 3.2.2.4 接触角测试
• 3.2.2.5 反相气相色谱测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 氟聚合物的纯化及表征
• 3.3.2 接触角研究
• 3.3.3 反相气相色谱研究氟聚合物的表面酸碱常数
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第二部分 TATB基PBX的界面性质
• 第四章 PBX中TATB与粘结剂的界面作用
• 4.1 前言
• 4.2 界面表征分析及吸附实验
• 4.2.1 样品的制备
• 4.2.2 测试仪器与方法
• 4.2.2.1 FTIR-PAS测试
• 4.2.2.2 XPS测试
• 4.2.2.3 吸附等温线测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 XPS和FTIR-PAS对TATB吸附态的研究
• 4.3.1.1 粗颗粒TATB/氟聚合物界面
• 4.3.1.2 细颗粒TATB/氟聚合物界面
• 4.3.1.3 气流颗粒TATB/氟聚合物界面
• 4.3.1.4 亚微米TATB/氟聚合物界面
• 4.3.2 TATB对氟聚合物的吸附等温线
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 PBX的微观结构及粘结剂分布
• 5.1 前言
• 5.2 材料与测试仪器
• 5.2.1 主要原材料
• 5.2.2 测试仪器与原理
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 造型粉的制备与表征
• 5.3.2 PBX药柱的微观结构
• 5.3.2.1 药柱剖面的扫描电子显微镜观察
• 5.3.2.2 SEM图像的统计处理
• 5.3.3 粘结剂在PBX药柱中的分布
• 5.3.3.1 能谱分析
• 5.3.3.2 背散射电子（BSE）分析
• 5.3.3.3 切割药柱剖面的BSE分析
• 5.4 结论
• 参考文献
• 第六章 偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物吸附的分子动力学模拟
• 6.1 前言
• 6.2 建模与结构优化
• 6.2.1 TATB晶体
• 6.2.2 TATB表面的构建
• 6.2.3 含氟共聚物
• 6.3 吸附过程模拟
• 6.3.1 聚合物与TATB表面作用模型
• 6.3.2 吸附作用范围的确定
• 6.3.3 吸附过程的动力学模拟
• 6.4 吸附聚合物链的构象统计分析
• 6.5 聚合物吸附前后的末端距变化
• 6.6 温度、多链、晶面和溶剂对吸附行为的影响
• 6.6.1 温度对吸附行为的影响
• 6.6.2 晶面对吸附作用的影响
• 6.6.3 多链吸附
• 6.6.4 溶剂分子对吸附行为的影响
• 6.7 聚合物力学性能的模拟
• 6.8 结论
• 参考文献
• 第三部分 PBX的力学性能研究
• 第七章 TATB基PBX的力学及形稳性研究
• 7.1 前言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 实验所用的主要原材料
• 7.2.2 接触角测试
• 7.2.3 造型粉的制备
• 7.2.4 药柱的压制
• 7.2.5 药柱的密度及形稳性测试
• 7.2.6 药柱的力学性能测试
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 TATB的颗粒度对成型性能的影响
• 7.3.2 粘结剂对力学性能的影响
• 7.3.3 偶联剂对TATB基PBX药柱界面的改性研究
• 7.4 结论
• 参考文献
• 研究展望
• 致谢