3. 結(jié)果與討論

3.1 過渡層在推進劑表面的鋪展?jié)B透行為分析

通過動態(tài)接觸角測試儀，本研究記錄了不同過渡層液體滴落在固體推進劑表面的瞬時接觸角及隨后接觸角和液滴體積隨時間的變化規(guī)律。

從瞬時接觸角的圖像可以看出，三種過渡層在推進劑表面的初始接觸角均小于90°，這表明它們都具備在推進劑表面自發(fā)鋪展的基本能力。其中，過渡層2的瞬時接觸角最小，顯示出最佳的初始潤濕性。

進一步觀察接觸角隨時間的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)一個共同的趨勢：隨著時間推移，三種過渡層的接觸角都在逐漸減小，這證實了它們均在持續(xù)地進行鋪展。然而，變化的速率卻存在顯著差異。過渡層2和過渡層3的接觸角衰減速度遠(yuǎn)快于過渡層1，尤其是在滴落的初期，其接觸角迅速下降。這種差異可能與過渡層的組成密切相關(guān)。過渡層1因其組分分子量高、苯環(huán)含量多、分子鏈剛性大，導(dǎo)致其在推進劑表面的分子運動和構(gòu)象調(diào)整受到限制，從而阻礙了其快速鋪展和向推進劑內(nèi)部的滲透。相比之下，過渡層2和過渡層3的分子量較小，分子鏈更為柔順，因此更容易在推進劑表面鋪展并向內(nèi)部滲透。

與此同時，液滴體積隨時間的變化也提供了重要信息。過渡層1的液滴體積在測試時間內(nèi)幾乎保持不變，這說明其向推進劑內(nèi)部的縱向滲透非常有限，且自身的揮發(fā)性極低。反觀過渡層2和過渡層3，它們的液滴體積隨時間推移而不斷減小。這種體積的減小可能源于兩個方面的貢獻：一是液體向推進劑內(nèi)部的滲透，二是液體自身的揮發(fā)。為了區(qū)分這兩種效應(yīng)，本研究選擇在非滲透性的玻璃表面上進行了對照實驗。

結(jié)果顯示，在玻璃表面上，三種過渡層的接觸角隨時間變化很小，基本保持穩(wěn)定。更重要的是，過渡層1的體積在玻璃上同樣變化甚微，確認(rèn)了其不易揮發(fā)的特性。過渡層2的體積有輕微減少，表明其存在少量揮發(fā)。而過渡層3的體積在玻璃上減少得較為明顯，說明其在測試時間內(nèi)揮發(fā)較快。盡管過渡層3存在顯著的揮發(fā)，但在玻璃上其接觸角并未隨之大幅變化，這表明在本研究的測試條件下，揮發(fā)作用對接觸角變化的影響相對次要，主導(dǎo)接觸角變化的主要因素仍然是液滴在固體表面的鋪展和滲透行為。

3.2 推進劑表面能分析及其影響

固體表面能是評價材料表面潤濕性的關(guān)鍵參數(shù)。本研究采用經(jīng)典的OWRK法來計算固體推進劑的表面能。該方法綜合考慮了色散力和極性力對界面能的貢獻。通過測量去離子水和甘油兩種已知表面張力及其分量的參考液在推進劑表面的接觸角，并結(jié)合楊氏方程，即可計算出推進劑的總表面能及其色散力和極性力分量。

本研究對兩種不同狀態(tài)的推進劑樣品（1#為新制備樣品，2#為放置一段時間后的樣品）進行了表面能計算。結(jié)果表明，1#樣品的總表面能高達(dá)97.62 mJ/m2，而2#樣品的總表面能僅為55.83 mJ/m2。兩者相差近一倍，說明推進劑的表面能并非固定不變的。深入分析其分量發(fā)現(xiàn)，1#樣品的高表面能主要來自于其極高的極性力分量（54.0 mJ/m2），而2#樣品的極性力分量則大幅下降至43.7 mJ/m2，其色散力也顯著降低。這表明推進劑表面的化學(xué)極性是決定其表面能高低的關(guān)鍵因素。

推進劑表面能隨放置時間發(fā)生變化的原因，推測是由于其內(nèi)部的小分子組分（如增塑劑、防老劑等）會緩慢遷移至表面，從而改變了表面的化學(xué)組成。為了驗證這一點，本研究對兩種推進劑樣品進行了紅外光譜分析。結(jié)果清晰地顯示，在700~950 cm?1及1100~1600 cm?1波數(shù)范圍內(nèi)，兩者的吸收峰存在明顯差異，特別是在代表取代苯環(huán)等芳香族結(jié)構(gòu)的區(qū)域，這表明它們的表面化學(xué)成分確實有所不同。

這一發(fā)現(xiàn)具有重要的實踐意義。表面能越高的固體，越容易被液體所潤濕。本研究的計算數(shù)據(jù)恰好印證了這一點：對于表面能高達(dá)97.62 mJ/m2的1#樣品，無論是極性較強的水還是極性稍弱的甘油，在其表面的接觸角都顯著小于表面能較低的2#樣品。這意味著，如果某種過渡層在推進劑表面鋪展效果不佳，可以考慮通過預(yù)先對推進劑表面進行適當(dāng)?shù)奶幚恚ɡ缤糠蠛袠O性基團的表面處理劑），來提高其表面能，特別是極性力分量，從而促進過渡層的鋪展。

3.3 過渡層表面張力及其對鋪展的影響

液體在固體表面的鋪展能力不僅取決于固體的表面能，還取決于液體自身的表面張力。一般而言，液體的表面張力越低，越容易在固體表面鋪展。本研究對三種過渡層液體的表面張力進行了測定。結(jié)果顯示，過渡層1的表面張力最高，達(dá)到了48.7 mN/m；過渡層3次之，為38.5 mN/m；而過渡層2最低，僅有25.5 mN/m。值得注意的是，這三種過渡層的表面張力均低于前面測得的兩種推進劑的表面能（55.83 ~ 97.62 mJ/m2），這從熱力學(xué)上解釋了為何三種過渡層都能在推進劑表面自發(fā)鋪展。同時，過渡層1由于其最高的表面張力，鋪展難度最大，這與之前觀察到的其接觸角下降最慢的現(xiàn)象完全吻合。

過渡層2和過渡層3雖然分子量相近，但由于制備時所選用的溶劑不同，它們的表面張力表現(xiàn)出顯著差異。這啟發(fā)本研究，可以通過選擇合適的溶劑來調(diào)節(jié)過渡層的整體表面張力。為此，本研究進一步測定了多種常用溶劑的表面張力及其在推進劑表面的接觸角。結(jié)果表明，除了水之外，甲醇、乙酸乙酯、甲苯、環(huán)己烷等有機溶劑在推進劑表面都能迅速鋪展并伴有滲透，它們的接觸角都很小。一般來說，表面張力越低的溶劑，其接觸角也越小。例如，乙酸乙酯的表面張力（23.5 mN/m）低于甲苯（28.5 mN/m），其在推進劑上的接觸角也更小。這為本研究通過添加低表面張力溶劑來降低過渡層整體表面張力、促進其鋪展提供了直接依據(jù)。

然而，數(shù)據(jù)也揭示了一個有趣的現(xiàn)象：甲醇、甲苯、乙酸乙酯、環(huán)己烷這幾種溶劑的表面張力雖有差異，但它們在推進劑表面的接觸角差別并不像表面張力差別那么大。這說明，除了表面張力外，液體的其他特性（如粘度、分子極性等）以及固體表面的特性也在鋪展過程中扮演著重要角色。換句話說，流體的本體性質(zhì)對鋪展過程的影響，有時可能弱于固體基質(zhì)的表面性質(zhì)。因此，雙管齊下的策略——既對推進劑表面進行改性，又優(yōu)化過渡液的組成——將是最佳的選擇。

3.4 過渡層組成優(yōu)化及效果驗證

基于以上分析，本研究嘗試通過添加不同溶劑的方法對表面張力最高、鋪展性能最差的過渡層1進行優(yōu)化。分別選用乙酸乙酯、甲苯和環(huán)己烷作為稀釋溶劑，加入到過渡層1的原始配方中，形成新的改性過渡層。

對改性后過渡層的表面張力進行測定，結(jié)果令人振奮。無論加入哪種溶劑，改性后過渡層的表面張力都出現(xiàn)了斷崖式下降。其中，使用乙酸乙酯和環(huán)己烷改性的過渡層，其表面張力均降至約24.8 mN/m；使用甲苯改性的過渡層，表面張力也降至29.0 mN/m。相比優(yōu)化前的48.7 mN/m，降幅超過50%。這一顯著變化主要歸因于兩點：一是小分子溶劑的加入降低了過渡層體系的平均分子量和分子間相互作用力；二是溶劑破壞了原有組分間的強氫鍵作用，使得液體分子更容易運動。

表面張力的急劇降低直接帶來了鋪展性能的飛躍。動態(tài)接觸角測試顯示，優(yōu)化后的過渡層在推進劑表面的初始接觸角大幅降低，并且在滴落之后，其接觸角迅速減小，意味著鋪展速度大大加快。這對于實際涂敷工藝而言至關(guān)重要?？焖俚匿佌挂馕吨^渡層能夠更快地在推進劑表面形成一層連續(xù)、均勻的薄膜，避免了因局部堆積或鋪展不全導(dǎo)致的缺陷，從而保證了后續(xù)包覆層與推進劑之間獲得高質(zhì)量、高強度的界面粘接。

4. 結(jié)論

1.  過渡層的組成對其在固體推進劑表面的鋪展?jié)B透行為有決定性影響。分子量較小、剛性較弱的過渡層展現(xiàn)出更快的鋪展速度和更好的滲透性。在本研究測試范圍內(nèi)，過渡層液體的揮發(fā)對其接觸角變化的影響相對較小，鋪展?jié)B透行為主要由其與推進劑的相互作用決定。

2.  固體推進劑的表面能受其表面化學(xué)組成（尤其是極性組分）影響顯著，并會隨儲存時間而變化。表面能越高，越有利于過渡層的鋪展。增強推進劑表面的極性是提高其表面能的有效途徑。本研究中，通過表面組成差異，推進劑樣品的表面能從55.83 mJ/m2變化到97.62 mJ/m2。

3.  通過向過渡層中添加低表面張力的溶劑（如乙酸乙酯、環(huán)己烷）來優(yōu)化其組成，是一種簡便高效的改性方法。該方法可將過渡層1的表面張力從48.7 mN/m顯著降低至約24.8 mN/m，從而極大地改善了其在推進劑表面的鋪展效果，為提高推進劑與包覆層的粘接質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。