粘結(jié)劑和Al粉級(jí)配對(duì)Al-粘結(jié)劑體系摩擦特性的影響

任秀秀，趙省向，邢曉玲，刁小強(qiáng)，方 偉

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粘結(jié)劑和Al粉級(jí)配對(duì)Al-粘結(jié)劑體系摩擦特性的影響

任秀秀，趙省向，邢曉玲，刁小強(qiáng)，方 偉

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

為了研究粘結(jié)劑種類和含量以及Al粉級(jí)配對(duì)Al-粘結(jié)劑體系摩擦特性的影響，采用氟橡膠、202膠和ETPE作為高聚物粘結(jié)劑劑，并使用FLQT-4、FLQT-1和FLQT-0 3種規(guī)格的Al粉進(jìn)行級(jí)配，利用顆粒滑移力測(cè)量裝置獲得摩擦力和摩擦系數(shù)。結(jié)果表明：Al/粘結(jié)劑的質(zhì)量比為30∶0.7時(shí)，樣品的摩擦力和摩擦系數(shù)偏低；石蠟使Al-粘結(jié)劑體系的摩擦力和摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低，且對(duì)Al-ETPE體系影響更大；FLQT-4與FLQT-1規(guī)格的Al粉級(jí)配樣品比FLQT-4與FLQT-0規(guī)格的Al粉級(jí)配樣品的摩擦力和摩擦系數(shù)低。

鋁粉; 粘結(jié)劑; 摩擦力; 摩擦系數(shù)；級(jí)配

鋁粉作為一種高熱值的金屬添加劑，廣泛應(yīng)用于混合炸藥配方中，其氧化熱較高且具有后燃效應(yīng)，可顯著提高炸藥的爆熱和爆溫[1-2]。但是鋁粉的加入在增強(qiáng)炸藥威力的同時(shí)，也影響了炸藥的機(jī)械感度。由于鋁粉硬度和熔點(diǎn)高于普通炸藥，受到外力時(shí)形變較小，而摩擦力較大利于熱點(diǎn)的形成[3]。因此，含鋁炸藥的機(jī)械感度一般都比相應(yīng)的非含鋁炸藥的機(jī)械感度高，這使炸藥在制備、壓制成型以及炮彈裝藥等過(guò)程中的危險(xiǎn)性增加。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，摩擦生熱產(chǎn)生熱點(diǎn)的溫度與摩擦系數(shù)成正比關(guān)系，所以鋁粉在應(yīng)用于混合炸藥配方之前，可以采用表面包覆方法進(jìn)行處理，改善其摩擦性能[5]。目前，關(guān)于粘結(jié)劑種類和鋁粉粒度級(jí)配對(duì)Al-粘結(jié)劑體系摩擦特性的影響未見相關(guān)報(bào)道。本研究通過(guò)改變粘結(jié)劑種類和含量，對(duì)鋁粉進(jìn)行不同粒徑的級(jí)配，制備了多種Al-粘結(jié)劑體系樣品。同時(shí)，采用自主研制的顆?；屏y(cè)量裝置測(cè)量樣品的摩擦力，并計(jì)算出摩擦系數(shù)，比較不同粘結(jié)劑對(duì)鋁粉摩擦性能的影響，為混合炸藥配方中鋁粉的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

材料：鋁粉，活性98.9%，鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；氟橡膠，F(xiàn)2603，晨光化工廠；202膠，天津染化八廠； ETPE，西安近代化學(xué)研究所；石蠟，大連石化公司；乙酸乙酯、石油醚，均為分析純，天津有機(jī)廠。儀器：顆?；屏y(cè)量裝置，西安近代化學(xué)研究所。

1.2 樣品制備

采用“直接法”工藝對(duì)鋁粉進(jìn)行包覆，樣品配方見表1。

表1 Al-粘結(jié)劑體系的配方組成

Tab.1 The formulation of Al-binder system

1.3 樣品測(cè)試

采用顆?；屏y(cè)量裝置對(duì)樣品進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，儀器如圖1所示。

圖1 測(cè)量裝置示意圖

將少量樣品放置在下摩擦盤的凹槽中，設(shè)定好相關(guān)參數(shù)：加壓砝碼5kg，轉(zhuǎn)速10rpm，砝碼所在檔位7檔，摩擦柱規(guī)格Ф8mm，室溫，進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)摩擦定律[6]：

F=μN(yùn) （1）

式（1）中：為摩擦力；為摩擦系數(shù)；為正壓力。圖1中標(biāo)記了正壓力、砝碼重量以及力臂和。和分別為90mm和540mm。根據(jù)力矩平衡條件有：

G（a+b）=Na （2）

將式（2）代入式（1）中，則摩擦系數(shù)的計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與討論

2.1 粘結(jié)劑種類和含量對(duì)Al-粘結(jié)劑體系摩擦特性的影響

采用顆?；屏y(cè)量裝置對(duì)制備的Al-粘結(jié)劑樣品進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，獲得9種樣品的摩擦力，并由公式（3）計(jì)算出摩擦系數(shù)，圖2和表2分別為3種粘結(jié)劑在不同含量下包覆Al粉的摩擦力變化曲線和摩擦系數(shù)值。

圖2 樣品摩擦力隨粘結(jié)劑含量變化曲線

表2 樣品的摩擦系數(shù)

Tab.2 The friction coefficient of sample

由圖2可知，粘結(jié)劑含量為0時(shí)，F(xiàn)LQT-4規(guī)格的鋁粉靜摩擦力為93N，隨著樣品中Al粉與氟橡膠、202膠和ETPE這3種粘結(jié)劑的質(zhì)量比從30/0逐漸升高至30/1時(shí)，靜摩擦力先變小再升高。當(dāng)兩者質(zhì)量比為30/0.7時(shí)，靜摩擦力顯然最小。說(shuō)明粘結(jié)劑的含量對(duì)Al-粘結(jié)劑體系的靜摩擦力影響不是簡(jiǎn)單變化。這3種粘結(jié)劑溶液在Al粉上的鋪展系數(shù)都大于0，說(shuō)明Al粉能夠被他們潤(rùn)濕，粘結(jié)劑可以包覆在Al粉顆粒表面[7]。粘結(jié)劑含量較少時(shí)，包覆效果不理想，隨著粘結(jié)劑含量增加，對(duì)鋁粉顆粒包覆更完全，降低了Al粉顆粒之間相互接觸摩擦的概率，摩擦力降低幅度變大，但是當(dāng)粘結(jié)劑含量增加到一定程度后，由于粘結(jié)劑是粘彈性材料，表現(xiàn)出一定的黏滯性，摩擦力不降反而增大。

由圖2可以看出，Al/粘結(jié)劑的質(zhì)量比為30/0.7時(shí)，用202膠作粘結(jié)劑的樣品摩擦力最小，ETPE作粘結(jié)劑的樣品摩擦力相對(duì)較大。分析原因認(rèn)為，202膠的粘度在40~80CPS范圍內(nèi)，小于氟橡膠和ETPE。

粘結(jié)劑屬于高分子添加劑，包覆在Al粉顆粒表面，Al粉與直接接觸的材料之間有一層類似潤(rùn)滑膜的表面膜，這層膜將摩擦副之間的原子結(jié)合力轉(zhuǎn)變?yōu)榉兜氯A力，降低了表面分子作用力，因此降低了摩擦過(guò)程中的摩擦阻力，減緩了Al粉顆粒的黏著摩擦效應(yīng)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)粘結(jié)劑表面包覆處理過(guò)的Al粉顆粒變圓滑，粗糙的棱角變少，使摩擦界面的微凸體接觸點(diǎn)數(shù)目變少。

2.2 石蠟對(duì)Al-粘結(jié)劑體系摩擦特性的影響

由圖2可知鋁粉與氟橡膠、202膠和ETPE這3種粘結(jié)劑的質(zhì)量比為30/0.7時(shí)，Al-粘結(jié)劑體系的摩擦力和摩擦系數(shù)都最小，因此選定這一配比的樣品，來(lái)探究加入廣泛使用的石蠟對(duì)其摩擦力和摩擦系數(shù)的影響。圖3和表3分別為Al/粘結(jié)劑/石蠟質(zhì)量比為30/0.7/0.7時(shí)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)獲得的摩擦力變化曲線和摩擦系數(shù)。

圖3 Al/粘結(jié)劑/石蠟質(zhì)量比為30/0.7/0.7時(shí)的摩擦力變化曲線

表3 Al/粘結(jié)劑/石蠟質(zhì)量比為30/0.7/0.7時(shí)的摩擦系數(shù)

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

由圖3與表3可知，相較于未添加石蠟的Al-粘結(jié)劑體系，Al/粘結(jié)劑/石蠟樣品的摩擦力與摩擦系數(shù)都明顯降低，表明外包石蠟的樣品較外包粘結(jié)劑的Al樣品更加光滑，可以進(jìn)一步降低Al-粘結(jié)劑體系的摩擦力和摩擦系數(shù)。這是因?yàn)槭炚承孕?，在表面包覆石蠟以后，包覆顆粒之間不會(huì)相互粘連，而高分子的粘性較大，包覆中間物會(huì)發(fā)生粘連，使表面略粗糙[8]。石蠟的加入使Al-ETPE體系的摩擦系數(shù)相較于Al-氟橡膠和Al-202膠體系的摩擦系數(shù)降低的幅度更大，說(shuō)明采用石蠟對(duì)Al-ETPE體系的摩擦特性影響效果顯著，可能是因?yàn)槭灨尊そY(jié)在粘度較大的ETPE上。石蠟是固態(tài)長(zhǎng)鏈烷烴的混合物，主要組分是直鏈烷烴，幾乎沒有長(zhǎng)側(cè)鏈，其分子量小、質(zhì)軟、粘度低，具有良好的潤(rùn)滑性[9]，可以緩解顆粒之間或微凸體之間的相互摩擦，同時(shí)粘結(jié)劑的表面包覆作用也使鋁粉顆粒之間直接接觸的概率減少。

2.3 鋁粉級(jí)配對(duì)Al-粘結(jié)劑體系摩擦特性的影響

氟橡膠是廣泛使用的高聚物粘結(jié)劑，以氟橡膠為典型代表，保持鋁Al粉與氟橡膠質(zhì)量比為30/0.7，采用不同粒徑的Al粉進(jìn)行級(jí)配，樣品配方如表4所示。

表4 Al粉級(jí)配樣品配方組成

Tab.4 The formulation of sample graded by aluminum

對(duì)Al粉級(jí)配的3種樣品進(jìn)行顆粒滑移力測(cè)量，得到摩擦力和摩擦系數(shù)如表5所示。

表5 Al粉級(jí)配樣品摩擦力和摩擦系數(shù)

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

從表5可知，Al粉級(jí)配會(huì)極大影響Al-粘結(jié)劑體系的摩擦力和摩擦系數(shù)。FLQT-4規(guī)格的Al粉粒徑約4μm，單獨(dú)使用此規(guī)格的Al粉對(duì)應(yīng)的摩擦力和摩擦系數(shù)最小。FLQT-1和FLQT-0規(guī)格的Al粉粒徑分別為29μm和43μm，隨著級(jí)配Al粉的粒徑增大，樣品的摩擦力和摩擦系數(shù)隨之增大。對(duì)于Al粉級(jí)配的樣品，可將Al粉顆粒這種金屬材料簡(jiǎn)化為密集堆積的剛性小球[10]。若含有粒徑相對(duì)較小的細(xì)顆粒，則整個(gè)級(jí)配體系顆粒之間的間隙減少，從而顆粒之間更加緊密，表面粗糙程度就偏低，摩擦系數(shù)也相應(yīng)偏低[11]。當(dāng)級(jí)配的Al粉顆粒粒徑增大，顆粒之間的凹凸不平的粗糙峰會(huì)越來(lái)越顯著，當(dāng)受到外力作用時(shí)，摩擦副接觸界面處的粗糙峰會(huì)嚙合嵌入地更深，導(dǎo)致摩擦阻力和摩擦系數(shù)變大。

3 結(jié)論

（1）鋁粉與粘結(jié)劑的質(zhì)量比為30/0.7時(shí)，包覆后的Al-粘結(jié)劑體系樣品摩擦力和摩擦系數(shù)偏低，可以為含鋁炸藥的配方比例作參考。

（2）添加石蠟以后，Al-粘結(jié)劑體系的摩擦力和摩擦系數(shù)明顯降低。石蠟對(duì)ETPE作粘結(jié)劑的鋁粉樣品的摩擦性能影響強(qiáng)于氟橡膠和202膠為添加劑的鋁粉樣品。

（3） FLQT-4規(guī)格的鋁粉粒徑小，對(duì)應(yīng)的Al-粘結(jié)劑體系的摩擦力和摩擦系數(shù)也偏小。其中采用FLQT-4和FLQT-1規(guī)格的鋁粉進(jìn)行級(jí)配的Al-粘結(jié)劑樣品的摩擦系數(shù)小于FLQT-4和FLQT-0級(jí)配的樣品。

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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，在讀碩士研究生，主要從事混合炸藥配方與工藝研究。