CN106248553A - 基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法，包括以下步骤：步骤A：采用气体分子为探针，在一定压力和温度条件下，测试粘结剂的气体渗透系数和至少一个***含量不为零的PBX的气体渗透系数；步骤B：采用改进的HIM模型，拟合步骤A中测得的粘结剂的气体渗透系数和PBX的气体渗透系数，计算得到PBX中界面空穴厚度。本方法对PBX界面结构表征技术简单易行，可以定量表征纳米尺度下PBX的界面结构，对于研究温度、应力加载条件下PBX界面结构的演变规律具有重要作用，也为考察不同键合剂对PBX界面结构的影响规律提供了有效途径。

Description

基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法

技术领域

本发明属于PBX结构表征技术领域，具体涉及一种基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法。

背景技术

PBX是一类以聚合物塑料为连续相、高能***晶体为分散相的高填充复合材料，是武器***中重要的特殊功能材料和结构部件，在武器的起爆传爆***及主装药中具有广泛应用。然而受加工成型和运输贮存等过程中温度、应力等冲击作用，PBX部件内部极有可能形成各种形式的微结构变化和内损伤聚集，对PBX部件的理化性能造成影响，导致***部件做功性能变差、力学性能退化、承载能力下降，甚至出现宏观裂纹和断裂失效，进而影响武器的安全性和可靠性。

PBX内损伤发生的部位包括：***晶体破碎、聚合物粘结剂断裂、以及***与粘结剂界面脱粘。其中，***与粘结剂的界面处是PBX中最易发生损伤的部位。因此，对PBX界面微结构进行表征，研究PBX界面微结构随温度、应力等因素的演化规律，是探明PBX内损伤形成机制的重要途径，也为解决PBX出现裂纹奠定重要基础。目前，可用于表征PBX界面微结构的技术有很多，按照表征尺度可以分为三类。第一类为宏观尺度表征手段，包括电子和光学显微镜。但是显微镜仅能观察表面的局部形貌，无法定量表征PBX内部结构。第二类为微米尺度表征手段，主要为断层扫描X射线(CT)。第三类为纳米尺度表征手段，包括X射线小角散射(SAXS)、中子小角散射(SANS)、中子反射(NR)、正电子淹没(PALS)等。但是，上述表征技术中，能定量描述10nm以下微结构的技术仍很匮乏；而且，尚没有专门针对PBX界面结构的表征方法。

为解决上述问题，本专利提供了一种基于气体渗透的PBX界面结构表征技术：以气体分子为探针，通过测试PBX的气体渗透特性，定量表征PBX内***与粘结剂界面结构。由于气体分子尺寸一般小于1nm，其传递过程受纳米尺度的缺陷结构影响显著，因此适宜表征PBX中的纳米尺度界面结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法，定量表征PBX内***与粘结剂界面结构。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法，包括以下步骤：

步骤A：采用气体分子为探针，在一定压力和温度条件下，测试粘结剂的气体渗透系数和至少一个***含量不为零的PBX的气体渗透系数；

步骤B：采用改进的HIM模型，拟合步骤A中测得的粘结剂的气体渗透系数和PBX的气体渗透系数，计算得到PBX中界面空穴厚度。

进一步的技术方案是，所述的气体分子为不易冷凝的无机气体。

进一步的技术方案是，所述的气体分子选自氦气、氢气、氮气或氩气。

进一步的技术方案是，所述的气体渗透系数的测试方法为恒容变压法或恒压变容法；气体的进料压力为0.2～0.5MPa；温度为20～80℃。

进一步的技术方案是，所述的PBX中***的质量分数不大于10％。

进一步的技术方案是，所述的PBX中的***选自HMX、RDX或TATB中的一种；***的平均尺寸已知。

进一步的技术方案是，所述的改进的HIM模型中***与粘结剂的界面结构类型为空穴，气体在界面处的传递形式为努森扩散，且***晶体不透气。

进一步的技术方案是，所述的改进的HIM模型的数学表达式如下：

$P_r={\[1+{\mathrm{\φ}}_{II}(\frac{1}{{\mathrm{\φ}}_{iII}({\mathrm{\λ}}_i-1)+1}-1)+{\mathrm{\φ}}_I(\frac{1}{-{\mathrm{\φ}}_{dI}+{\mathrm{\φ}}_{iI}({\mathrm{\λ}}_i-1)+1}-1)\]}^{-1}---\left(1\right)$

${\mathrm{\φ}}_I=\frac{{\mathrm{\φ}}_d}{{\mathrm{\π\φ}}_d^{\′2}}---\left(2\right)$

φ_II＝2^2/33^1/3φ'_dθ (3)

${\mathrm{\φ}}_{dI}={\mathrm{\π\φ}}_d^{\′2}---\left(4\right)$

${\mathrm{\φ}}_{iI}=4\sqrt[3]{{\left(\frac{3}{2}\right)}^2}{\mathrm{\π\φ}}_d^{\′2}({\mathrm{\θ}}^2+\sqrt[3]{\frac{3}{2}}\mathrm{\θ})---\left(5\right)$

${\mathrm{\φ}}_{iII}=\sqrt[3]{{\left(\frac{3}{2}\right)}^2}{\mathrm{\π\φ}}_d^{\′2}\[\sqrt[3]{{\left(\frac{3}{2}\right)}^2}+4{\mathrm{\θ}}^2+4\sqrt[3]{\frac{3}{2}}\mathrm{\θ}\]---\left(6\right)$

${{\mathrm{\φ}}^{\′}}_d=\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{\φ}}_d}{\mathrm{\π}}}---\left(7\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{t}{d_p}---\left(8\right)$

$P_i=t\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{RT\πM}}_W}}---\left(9\right)$

其中，P_r为PBX的气体渗透系数与粘结剂的气体渗透系数的比；Φ_d为***在PBX中的体积分数；d_p为***的直径；t为***与粘结剂界面空隙的厚度；λ_i为***与粘结剂界面空隙的气体渗透系数与粘结剂的气体渗透系数的比，R为气体常数，T为温度，M_W为气体探针的分子量，P_i为***与粘结剂界面空隙的气体渗透系数。

PBX的气体渗透系数通过步骤A测得；粘结剂的气体渗透系数通过步骤A测试，当***的体积分数为0时，测得的气体渗透系数即为粘结剂的气体渗透系数；***与粘结剂界面空隙的气体渗透系数通过式(10)来计算。

进一步的技术方案是，所述的气体的进料压力为0.4MPa。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

本方法对PBX界面结构表征技术简单易行，可以定量表征纳米尺度下PBX的界面结构，对于研究温度、应力加载条件下PBX界面结构的演变规律具有重要作用，也为考察不同键合剂对PBX界面结构的影响规律提供了有效途径。

附图说明

图1为实施例1制备的PBX薄膜的扫描电镜(SEM)图。

图2为实施例1中拟合***与粘结剂界面空隙的结果图。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

实施例1：

将4g F2311橡胶加入96g乙酸乙酯中，在40℃下搅拌10小时，得到含量为4wt％F2311的乙酸乙酯溶液。将平均粒径为1.36μm的HMX加入乙酸乙酯溶液中，搅拌10分钟，超声分散30分钟，得到含量分别为0、0.04、0.2、0.32、0.4wt％的HMX悬浮液。采用刮涂法，将含量为0、0.04、0.2、0.32、0.4wt％的HMX悬浮液分别涂覆在聚偏氟乙烯(PVDF)多孔超滤膜表面，湿涂层厚度为120μm。PVDF超滤膜表面孔径为15nm。在30℃下挥发溶剂，制得PBX薄膜。经电子显微镜测得，PBX薄膜厚度为1.1μm，如附图1所示。

PBX薄膜中HMX体积分数分别为0、1、5、8、10％。以N₂分子为探针，采用恒压变容法，在0.4MPa、20℃下，测得PBX薄膜的气体渗透系数分别为0.311、0.364、0.416、0.439、0.455Barrer。将上述实验参数及测得的PBX薄膜气体渗透系数带入改进的HIM模型中(PBX薄膜中HMX体积分数分别为0％时测得的气体渗透系数即为粘结剂的气体渗透系数)，拟合得到***与粘结剂界面空隙的厚度t为2.2nm，拟合度R＝0.9998，结果如附图2所示。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (9)

1.一种基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤A：采用气体分子为探针，在一定压力和温度条件下，测试粘结剂的气体渗透系数和至少一个***含量不为零的PBX的气体渗透系数；

步骤B：采用改进的HIM模型，拟合步骤A中测得的粘结剂的气体渗透系数和PBX的气体渗透系数，计算得到PBX中界面空穴厚度。

2.根据权利要求1所述的基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法，其特征在于所述的气体分子为不易冷凝的无机气体。

3.根据权利要求2所述的基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法，其特征在于所述的气体分子选自氦气、氢气、氮气或氩气。

4.根据权利要求1所述的基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法，其特征在于所述的气体渗透系数的测试方法为恒容变压法或恒压变容法；气体的进料压力为0.2～0.5MPa；温度为20～80℃。

5.根据权利要求1所述的基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法，其特征在于所述的PBX中***的质量分数不大于10％。

6.根据权利要求1所述的基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法，其特征在于所述的PBX中的***选自HMX、RDX或TATB中的一种；***的平均尺寸已知。

7.根据权利要求1所述的基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法，其特征在于所述的改进的HIM模型中***与粘结剂的界面结构类型为空穴，气体在界面处的传递形式为努森扩散，且***晶体不透气。

8.根据权利要求1所述的基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法，其特征在于所述的改进的HIM模型的数学表达式如下：

$P_r={\[1+{\mathrm{\φ}}_{II}(\frac{1}{{\mathrm{\φ}}_{iII}({\mathrm{\λ}}_i-1)+1}-1)+{\mathrm{\φ}}_I(\frac{1}{-{\mathrm{\φ}}_{dI}+{\mathrm{\φ}}_{iI}({\mathrm{\λ}}_i-1)+1}-1)\]}^{-1}---\left(1\right)$

${\mathrm{\φ}}_I=\frac{{\mathrm{\φ}}_d}{{{\mathrm{\π\φ}}^{\′}}_d^2}---\left(2\right)$

φ_ΙΙ＝2^2/33^1/3φ'_dθ (3)

${\mathrm{\φ}}_{dI}={{\mathrm{\π\φ}}^{\′}}_d^2---\left(4\right)$

${\mathrm{\φ}}_{iI}=4\sqrt[3]{{\left(\frac{3}{2}\right)}^2}{{\mathrm{\π\φ}}^{\′}}_d^2({\mathrm{\θ}}^2+\sqrt[3]{\frac{3}{2}}\mathrm{\θ})---\left(5\right)$

${\mathrm{\φ}}_{iII}=\sqrt[3]{{\left(\frac{3}{2}\right)}^2}{{\mathrm{\π\φ}}^{\′}}_d^2\[\sqrt[3]{{\left(\frac{3}{2}\right)}^2}+4{\mathrm{\θ}}^2+4\sqrt[3]{\frac{3}{2}}\mathrm{\θ}\]---\left(6\right)$

${{\mathrm{\φ}}^{\′}}_d=\sqrt[3]{\frac{{\mathrm{\φ}}_d}{\mathrm{\π}}}---\left(7\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{t}{d_p}---\left(8\right)$

$P_i=t\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{RT\πM}}_W}}---\left(9\right)$

其中，P_r为PBX的气体渗透系数与粘结剂的气体渗透系数的比；Φ_d为***在PBX中的体积分数；d_p为***的直径；t为***与粘结剂界面空隙的厚度；λ_i为***与粘结剂界面空隙的气体渗透系数与粘结剂的气体渗透系数的比，R为气体常数，T为温度，M_W为气体探针的分子量，P_i为***与粘结剂界面空隙的气体渗透系数。

9.根据权利要求1所述的基于气体渗透法对塑料粘接***中界面结构的表征方法，其特征在于气体的进料压力为0.4MPa。