基于羥丙基纖維素制備乙醇凝膠推進(jìn)劑

摘要：傳統(tǒng)的乙醇膠凝劑甲基纖維素 （MC） 和羥丙基甲基纖維素 （HPMC） 必須加入一定比例 的水作為溶劑才能形成凝膠。為了制備高性能的乙醇凝膠綠色推進(jìn)劑，采用羥丙基纖維素 （HPC） 作為無(wú)水膠凝劑，并對(duì)其制備的乙醇凝膠推進(jìn)劑進(jìn)行剪切測(cè)試、屈服應(yīng)力測(cè)試、應(yīng)變掃 描和頻率掃描等測(cè)試。結(jié)果表明，HPMC 凝膠需加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6% 的水作為溶劑，其臨界膠 凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%；HPC 凝膠不需要加水，其臨界膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8%。當(dāng)膠凝劑質(zhì)量分 數(shù)為 8% 時(shí)，HPMC、HPC 凝膠的屈服應(yīng)力分別在 2.5 Pa 左右和 24.8 Pa，HPC 凝膠具有更大的 屈服應(yīng)力；同時(shí) HPC 比 HPMC 具有更大的線性黏彈區(qū)域，臨界應(yīng)變更大。

關(guān)鍵詞：乙醇凝膠；羥丙基纖維素 （HPC）；黏度；屈服應(yīng)力；流變性能

中圖分類號(hào)：TJ55; TQ560.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

凝膠燃料推進(jìn)劑在航空、航天、武器和機(jī)械領(lǐng) 域應(yīng)用廣泛[1-5] ，它為工業(yè)、科技和國(guó)防力量的發(fā)展提 供重要保障。常規(guī)推進(jìn)劑分為液體推進(jìn)劑和固體推 進(jìn)劑，其中液體推進(jìn)劑具有比沖高、易加注、易霧化 等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是不易儲(chǔ)存，容易泄露引發(fā)事故；固體 推進(jìn)劑具有安全性高、易儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是推力調(diào) 控困難、含能較低。凝膠推進(jìn)劑是在傳統(tǒng)的液體推 進(jìn)劑中加入一些膠凝劑，使其成為一種半固體的凝 膠狀態(tài)[6] ，它結(jié)合了液體和固體推進(jìn)劑的優(yōu)點(diǎn)，具有 良好的應(yīng)用前景[7]。

凝膠屬于非牛頓流體，其流變性對(duì)后續(xù)霧化和 燃燒等有重要影響[8-9]。為了獲得流變性合適的高性 能凝膠推進(jìn)劑，大量學(xué)者針對(duì)其制備及流變性等開 展了一系列研究 ，取得了顯著成果。甲基纖維素 （MC） 作為膠凝劑，其在純乙醇中的臨界膠凝劑質(zhì)量 分?jǐn)?shù)可低至 8%，而在金屬化乙醇條件下，臨界膠凝 劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)可低至 6%[10-11]。Nandagooalan 等[12] 用羥 丙基甲基纖維素（HPMC）作為膠凝劑制備乙醇凝膠， 并使用錐板流變儀測(cè)試乙醇凝膠燃料的剪切流變行 為，發(fā)現(xiàn)剪切黏度取決于乙醇濃度和膠凝劑濃度。

John 等 [13] 分別選用 MC 和 HPMC 作為膠凝劑，對(duì)比 兩種膠凝劑制備的乙醇凝膠的流變特性，結(jié)果表明 HPMC 乙醇凝膠的相對(duì)觸變面積和蠕變應(yīng)變明顯高 于 MC 乙醇凝膠。曹錦文等[14] 制備了含有納米鋁顆 粒的 JP-10 凝膠燃料，發(fā)現(xiàn)金屬顆粒鋁粉加入后，燃 料的密度和黏度均增大，且依然具有良好的剪切變 稀特性。Yang 等[15]選用聚酰胺樹脂作為膠凝劑制備 含有微米級(jí)硼和鋁顆粒的煤油凝膠，當(dāng)膠凝劑質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為 3% 時(shí) ，金屬顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到 45%， 有利于提高推進(jìn)性能。葉緯東等[16]在庚烷/硝酸異丙 酯混合體系中加入不同粒徑的無(wú)機(jī)納米膠凝劑和納 米鋁粉，探討膠凝劑和鋁粉對(duì)凝膠燃料流變性能的 影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)大粒徑的膠凝劑使得凝膠燃料的零 剪切黏度更大，且鋁粉的加入使得凝膠燃料的整體 強(qiáng)度提高。

與無(wú)機(jī)膠凝劑相比，纖維素類衍生物的膠凝劑 能夠參與燃燒，并且具有良好的凝膠效果，因而得到 廣泛應(yīng)用[16-17]。常用于制備乙醇凝膠的膠凝劑 MC和 HPMC 不溶于乙醇，需加入一定比例的水作為溶 劑，而水的加入會(huì)顯著降低凝膠燃料的熱值。為了 進(jìn)一步改善乙醇凝膠的性能，本文選用羥丙基纖維 素 （HPC） 作為膠凝劑，它能夠很好地溶解于乙醇等 極性有機(jī)溶劑，不需要加水就能夠在常溫下形成穩(wěn) 定的乙醇凝膠，通過(guò)進(jìn)行剪切測(cè)試、屈服應(yīng)力測(cè)試、 應(yīng)變掃描和頻率掃描，考察了不同乙醇凝膠的流 變性能，為燃料后續(xù)應(yīng)用評(píng)估及系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有效 參考。

1""" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

主要原料：無(wú)水乙醇，分析純，上海邁瑞爾生化 科技有限公司；HPC，分析純，河北品科研生物科技有 限公司；MC，分析純，上海耐澄生物科技有限公司； HPMC，分析純，北京德航五洲科技有限公司；去離 子水。

主要儀器：MCR302e 型 Anton Paar 流變儀，奧地 利安東帕公司；ME203E 型精密電子天平，梅特勒-托 利多（上海）儀器有限公司。

1.2 制備方法

MC 和 HPMC 乙醇凝膠的制備：首先，將無(wú)水乙 醇和水按比例混合在燒杯中 ，再分別緩慢加 入 MC 和 HPMC 膠凝劑，攪拌 5 min 后，靜置 12 h 制備 乙醇凝膠，待樣品穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于 MC 乙醇 凝膠 ，實(shí)驗(yàn)中加入 MC 膠凝劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4%～ 10%，加入水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8%～14%。對(duì)于 HPMC 乙 醇凝膠，加入 HPMC 膠凝劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4%～10%， 加入水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4%～8%。實(shí)驗(yàn)中當(dāng) MC 作為膠 凝劑，加入水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于 8% 時(shí)難以形成凝膠， 而 HPMC 相對(duì) MC 來(lái)說(shuō)所需水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，最 低可至 4% 即可部分成膠。

本文用 MC10-10 表示 MC 乙醇凝膠中加入的 MC 膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%， 以此類推。用 HPMC8-4表示 HPMC 乙醇凝膠中加 入的 HPMC 膠凝劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為 4%，以此類推。

HPC 乙醇凝膠的制備：首先，將無(wú)水乙醇加入燒 杯中 ，再緩慢加入 HPC 膠凝劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4%～ 10%），攪拌 5 min 后，靜置12 h 制備乙醇凝膠，待樣 品穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試。本文用 HPC10 表示 HPC 乙醇 凝膠中加入的 HPC 膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%，以此類推。

1.3 流變性能測(cè)試

首先，采用直徑為 30 mm 同軸圓筒形轉(zhuǎn)子的流 變儀在（25±0.1）℃ 下測(cè)定懸浮液的流變性質(zhì)。 穩(wěn)態(tài)剪切測(cè)試：選用旋轉(zhuǎn)模式-對(duì)數(shù)剪切速率掃 描方法，剪切速率為 0.1～100 s?1。選用旋轉(zhuǎn)模式-屈 服和流動(dòng)應(yīng)力方法測(cè)定黏度曲線 ，剪切應(yīng)力 為 0.1～100 Pa。

應(yīng)變掃描：選用振蕩模式-振幅掃描方法，振蕩 角頻率控制在 10 rad/s，剪切應(yīng)變?yōu)?0.01%～100%，以 確定線性黏彈性區(qū)域（LVE），區(qū)域內(nèi)彈性模量與施加 的剪切應(yīng)變無(wú)關(guān)。

頻率掃描：選用振蕩模式-頻率掃描方法，角頻 率為 0.1～100 rad/s。

2""" 結(jié)果與討論

2.1 成膠性能

凝膠推進(jìn)劑可以在倒立的燒杯中不流動(dòng)是文獻(xiàn) 中常用的凝膠判定標(biāo)準(zhǔn)之一[18] ，此條件下膠凝劑的最 低濃度為臨界膠凝劑濃度。臨界膠凝劑濃度越低， 制備成穩(wěn)定的凝膠燃料所需膠凝劑的用量越少。實(shí) 驗(yàn)對(duì)比了 MC、HPMC 和 HPC 的成膠性能，由于 MC 和 HPMC 不溶于乙醇，因此要加入少量水作為溶劑， 所以實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制乙醇和水的比例來(lái)確定臨界膠 凝劑濃度。圖 1（ a）和圖 1（ b）分別為 MC10-12 和 MC10-14 的乙醇凝膠圖片，均有明顯分層，表明在此 條件下無(wú)法全部形成乙醇凝膠。圖 2（a）、2（b）和 2（c）分別為 HPMC8-4、HPMC8-8 和 HPMC10-6 的乙 醇凝膠圖片。圖 2（a）中大部分乙醇成為凝膠狀，上 部仍有少量分層；圖 2（b）和圖 2（c）均形成穩(wěn)定的乙 醇凝膠，無(wú)分層現(xiàn)象。HPC 具有很好的有機(jī)溶解性 能，直接溶于乙醇，可以制備成無(wú)水乙醇凝膠。圖 3 為 HPC8 乙醇凝膠燃料的照片，燃料樣品保持了乙醇 燃料的無(wú)色透明狀，凝膠呈現(xiàn)出一種類固體的狀態(tài)， 并且可以在倒立的燒杯中不流動(dòng)。

不同條件下乙醇凝膠的特性如表 1 所示。當(dāng) HPC 作為膠凝劑時(shí)，HPC6 可制備成乙醇凝膠，此時(shí) 凝膠具有一定的流動(dòng)性 ，可通過(guò)傾斜燒杯流動(dòng) ；HPC8 可制備成穩(wěn)定的乙醇凝膠，此時(shí)凝膠在倒立的 燒杯中不流動(dòng) ；HPC10 制備的乙醇凝膠則更加黏 稠。HPMC 作為膠凝劑時(shí)，HPMC8-4 制備的乙醇凝 膠分層嚴(yán)重，只有一半成膠；HPMC8-6 制備的乙醇凝 膠有少量分層；HPMC8-8 制備的乙醇凝膠可在倒立 的 燒 杯 中 不 流 出 。 HPMC6-6 樣 品 不 能 夠 成 膠 ； HPMC10-6 樣品能形成穩(wěn)定的乙醇凝膠，并可以在倒 立的燒杯中不流出，具有較好的凝膠效果。

表 2 列出了不同凝膠樣品在低剪切速率（0.1 s?1） 下的黏度值。分析不同凝膠樣品的黏度值可以發(fā) 現(xiàn)，最低的成膠黏度為 62.98 Pa·s（HPMC8-8），低于此 黏度的樣品（HPC6、HPMC8-6）不能全部成膠，所以 用低剪切速率（0.1 s?1）下二者黏度的平均值作為判斷 臨界膠凝劑濃度的準(zhǔn)則之一。在水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8% 時(shí)，HPMC 的臨界膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8%；在水質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為 6% 時(shí)，HPMC 的臨界膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%。 同時(shí) HPC 的臨界膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8%。HPMC10-6 與 HPMC8-8 相比，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更少，HPMC 作為 有機(jī)膠凝劑，可以參與燃燒，相同條件下熱值更高。

2.2 剪切變稀性能

凝膠燃料是具有剪切變稀、強(qiáng)屈服應(yīng)力的非牛 頓流體，剪切變稀等流變特性是凝膠燃料從類固體 變?yōu)橐后w的關(guān)鍵參數(shù)[19] ，其對(duì)凝膠燃料的霧化和燃燒 有重要影響。通過(guò)控制剪切速率為 0.1～100 s?1，研究 了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 HPC 和 HPMC 膠凝劑乙醇凝膠 樣品的表觀黏度隨剪切速率的變化規(guī)律，結(jié)果如圖 4 所示。由圖可得，乙醇凝膠樣品的黏度都隨著剪切 速率的增大而減小，均表現(xiàn)出剪切變稀的特性。原 因是纖維素分子在乙醇中溶脹并伸展成鏈狀結(jié)構(gòu)從 而形成三維網(wǎng)絡(luò)凝膠，乙醇凝膠在剪切作用下分子 鏈被打開，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸被拉伸、延展，鏈與鏈之間 接觸形成的氫鍵被破壞，更容易產(chǎn)生相對(duì)滑移，內(nèi)部 阻力減小，宏觀上表現(xiàn)為黏度減小[20]。

對(duì)比 HPMC8-6 和 HPMC8-8 黏度測(cè)量結(jié)果可以 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由 6% 增大到 8% 時(shí)，乙醇凝 膠樣品的黏度顯著增大。這是由于水的比例增大， 促進(jìn)了膠凝劑的溶解，使得所形成的凝膠結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。隨著剪切速率的增大，HPC 乙醇凝膠黏度先增 大后逐漸減小，最大黏度出現(xiàn)在剪切速率為 0.28 s?1 附近，HPC10 乙醇凝膠的最大黏度為 359.17 Pa·s；在 剪切速率為 100 s?1 ，HPC 膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)由 6% 增加 到 8%、10% 時(shí)，乙醇凝膠樣品的黏度分別增加了 4.3 Pa·s 和 4.2 Pa·s；對(duì)比 HPC6 和 HPMC8-8 的黏度 曲線，可以看出二者黏度接近，說(shuō)明制備相同黏度的 凝膠，所需要 HPC 的量比 HPMC 更少。

根據(jù)凝膠樣品黏度曲線的特征，進(jìn)一步采用非 牛頓流體冪律型本構(gòu)方程來(lái)描述表觀黏度隨剪切速 率的變化關(guān)系。針對(duì) HPMC 乙醇凝膠和 HPC 乙醇 凝膠，選用 Carreau 模型[21] ，其本構(gòu)方程如式 （1） 所示，

其中： 為黏度； 為剪切速率；n 為流動(dòng)行為特性指 數(shù)（簡(jiǎn)稱流動(dòng)指數(shù)），用來(lái)表征流體流動(dòng)行為與牛頓 流體流動(dòng)行為差異的程度； 是零剪切黏度，是剪切 速率趨于 0 時(shí)的黏度，反映了物體從靜止到流動(dòng)的難 易程度， 越大的物體在外力作用初始時(shí)刻的抗擾動(dòng)能力越強(qiáng)； 是無(wú)窮剪切黏度；K 是 Carreau 模型 的稠度指數(shù)， 。利用 Carreau 模型擬合 HPMC 乙醇凝膠和 HPC 乙醇凝膠的表觀黏度隨剪切速率的 變化，結(jié)果見表 3，由結(jié)果可得兩種凝膠樣品均符合 Carreau 模型，相關(guān)系數(shù)（R 2 ）均為 0.99。當(dāng) HPMC 膠 凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 8%增加 10% 時(shí) ， 增加了 483.56 Pa·s；當(dāng) HPC 膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 6% 增加到 8%、10% 時(shí)， 分別增加了 111.51 Pa·s 和 199.92 Pa·s，說(shuō)明隨 著膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，抗干擾能力逐漸增強(qiáng)。

2.3 屈服應(yīng)力

選用旋轉(zhuǎn)模式-屈服和流動(dòng)應(yīng)力方法測(cè)定黏度曲 線，控制剪切應(yīng)力為 0.1～100 Pa，黏度峰值所對(duì)應(yīng)的 剪切應(yīng)力即為屈服應(yīng)力。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下 HPMC 和 HPC 乙醇凝膠樣品的黏度隨剪切應(yīng)力的變化曲線如 圖 5 所示。由圖可得，所有乙醇凝膠樣品的黏度均隨 著剪切應(yīng)力的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。觀察 HPMC 乙醇凝膠的 3 條曲線，屈服應(yīng)力均較小，且隨 著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，屈服應(yīng)力沒(méi)有明顯變化，均在 2.5 Pa 左右。而對(duì)于 HPC 乙醇凝膠，隨著膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，屈服應(yīng)力值明顯增大。HPC 膠凝劑質(zhì)量分 數(shù)為 6%、8%、10% 時(shí)所對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力分別為 8.9、 24.8、35.3 Pa。對(duì)比兩種膠凝劑形成的乙醇凝膠 ， HPC 乙醇凝膠具有更大的屈服應(yīng)力，小于此屈服應(yīng) 力的凝膠均不會(huì)流動(dòng)，具有更好的抵御外界干擾的 能力；并且可以通過(guò)控制膠凝劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)調(diào)控 屈服應(yīng)力。

2.4 應(yīng)變掃描測(cè)試

應(yīng)變掃描測(cè)試是為了獲得凝膠燃料的黏彈性變 化規(guī)律，凝膠彈性到黏性行為的轉(zhuǎn)變是由于凝膠內(nèi) 部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形[22]。凝膠的應(yīng)變掃描測(cè)試實(shí)驗(yàn) 存在一個(gè)臨界應(yīng)變，其所對(duì)應(yīng)的臨界應(yīng)力也是材料 開始發(fā)生變形時(shí)的最小力，即屈服應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力小 于臨界應(yīng)變時(shí)，儲(chǔ)能模量（G'）不隨著應(yīng)變振幅變化的 區(qū)域?yàn)榫€性黏彈性區(qū)域 （LEV）；大于臨界應(yīng)變時(shí) ， G'開始下降，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變形，凝膠燃料 從彈性向黏性行為轉(zhuǎn)變[23]。

圖 6 示出了角頻率在 10 rad/s 下 HPMC 乙醇凝 膠的應(yīng)變曲線，HPMC 的所有乙醇凝膠樣品的臨界 應(yīng)變均在 1.2% 左右，說(shuō)明 HPMC 膠凝劑和水的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)對(duì)線性黏彈性區(qū)域影響不大。隨著 HPMC 膠凝 劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，乙醇凝膠樣品的 G'顯著增加；隨著 水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，G'也顯著增加，說(shuō)明水的增加有 助于增強(qiáng) HPMC 凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。值得注意的是 ， HPMC8-6 凝膠燃料在測(cè)試應(yīng)變范圍內(nèi)損耗模量（G''） 均大于 G'，表明其黏性行為占主導(dǎo)，凝膠樣品更接近 于液體，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不強(qiáng)，抗變形能力弱；而在應(yīng) 變低于臨界值時(shí)，HPMC8-8 和 HPMC10-6 均是 G'大 于 G''，其彈性行為占主導(dǎo)，更接近固體，具有更強(qiáng)的 機(jī)械強(qiáng)度。

圖 7 示出了角頻率為 10 rad/s 時(shí) HPC 乙醇凝膠的應(yīng)變曲線，應(yīng)變振幅為 0.01%～100%。HPC 作為膠 凝劑時(shí) ，隨著其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大 ，臨界應(yīng)變均在 14%～16%，儲(chǔ)能模量 G'明顯增大。對(duì)比 HPMC 和 HPC 兩種乙醇凝膠樣品，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下 HPC 比 HPMC 具有更大的線性黏彈區(qū)域，臨界應(yīng)變更大，說(shuō) 明 HPC 具有更強(qiáng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有利于儲(chǔ)存。

2.5 頻率掃描測(cè)試

控制剪切應(yīng)變小于 1%（小于臨界屈服應(yīng)變），角 頻率為 0.1～100 rad/s，探討 G'和 G''的頻率依賴性，以 了解凝膠燃料樣品的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。低頻率模擬的 是在儲(chǔ)存或者運(yùn)輸過(guò)程中的干擾，高頻率模擬的是 撞擊或注射等更短時(shí)間的過(guò)程[24-25]。

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下 HPMC 乙醇凝膠樣品的頻率掃 描結(jié)果如圖 8 所示。由圖可得，HPMC 乙醇凝膠樣品 的 G'和 G''是頻率的近線性函數(shù)，但隨著頻率的增 加，G'和 G''增加的趨勢(shì)減緩。在 HPMC8-6 凝膠中， G''幾乎都大于 G'；在 HPMC8-8 凝膠中 ，低頻率時(shí) G'大 于 G''，當(dāng)頻率大 于 2.5" rad/s 時(shí) G''大 于 G'； 在 HPMC10-6 凝膠中，G'幾乎都大于 G''，說(shuō)明彈性占主導(dǎo)，與 HPMC8-6 凝膠相反。由上述結(jié)果可以看出， 隨著膠凝劑及水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，G'和 G''均整體增 大，G'增加更快，逐漸從黏性主導(dǎo)變?yōu)閺椥灾鲗?dǎo)。

HPC 乙醇凝膠樣品在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)的頻率掃 描結(jié)果如圖 9 所示。由圖 9 可得，HPC 乙醇凝膠樣 品的 G'和 G''是頻率的線性函數(shù)。在測(cè)試范圍內(nèi)， HPC6 均是 G''大于 G'。HPC8 在頻率小于 39.8 rad/s 時(shí) ， G''大于 G'；當(dāng)頻率大于 39.8" rad/s時(shí) ， G'更大。 HPC10 在頻率小于 15.8 rad/s 時(shí)，G''大于 G'；當(dāng)頻率 大于 15.8 rad/s 時(shí)，G'更大，這說(shuō)明在高頻下彈性行為 占主導(dǎo)。隨著膠凝劑在體系中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，乙 醇凝膠樣品的模量均增加，總體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)。在頻率 為 10 rad/s時(shí)，HPC8 凝膠和 HPMC8-8 凝膠的 G'分別 為 165.8 Pa 和 31.2 Pa，說(shuō)明用 HPC 作為膠凝劑制備 的乙醇凝膠彈性模量更大，具有更穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3""" 結(jié) 論

（1）分別采用 MC、HPMC 和 HPC 3 種膠凝劑制 備了乙醇凝膠燃料，觀察了其成膠性能，測(cè)試了其剪 切變稀、屈服應(yīng)力及黏彈性等流變特性，綜合實(shí)驗(yàn)結(jié) 果發(fā)現(xiàn)，HPC 是一種性能良好的無(wú)水乙醇膠凝劑。

（2）MC 和 HPMC 不溶于乙醇，需要加入質(zhì)量分 數(shù)為 6% 的水作為溶劑，其臨界膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%；采用 HPC 制備的乙醇凝膠不需要加水就具有 良好的成膠性能，其臨界膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8%。

（3）HPC 和 HPMC 乙醇凝膠均表現(xiàn)為剪切變稀 特性 ，當(dāng)膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù) 從 8% 增 加 到 10% 時(shí) ， HPMC 的 K 值增加了 18.92 Pa·s2 ，n 值減小了 0.28；HPC 的 K值增加了 0.65 Pa·s2 ，n 值減小了 0.06。HPC6 和 HPMC8-8 的黏度接近，說(shuō)明在相同黏度條件下所需 要 HPC 的量比 HPMC 更少。

（4）隨著膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，HPMC 乙醇凝 膠的屈服應(yīng)力沒(méi)有明顯的變化，均在 2.5 Pa 左右； HPC 乙醇凝膠屈服應(yīng)力值明顯增大，HPC 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為 6%、8%、10% 的凝膠所對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力分別為 8.9、24.8、35.3 Pa。

（5）對(duì) HPC 和 HPMC 乙醇凝膠進(jìn)行應(yīng)變掃描測(cè) 試，HPMC 乙醇凝膠的臨界應(yīng)變均在 1.2% 左右，說(shuō) 明 HPMC 膠凝劑和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)線性黏彈性區(qū)域 影響不大。HPC 乙醇凝膠隨著膠凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增 大，臨界應(yīng)變均在 14%～16%。對(duì)比 HPMC 和 HPC 兩 種凝膠樣品，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下 HPC 比 HPMC 具有更 大的線性黏彈區(qū)域，臨界應(yīng)變更大，說(shuō)明 HPC 具有更 強(qiáng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有利于儲(chǔ)存。

參考文獻(xiàn)：

DAWN A，" KUMARI" H." Low" molecular" weight"" supra[1]molecular gels under shear： Rheology as the tool for elucid[1]ating" structure-function" correlation[J]. Chemistry，" 2018， 24（4）： 762-776.

趙中楠， 張興群， 翟志毫， 等. 負(fù)載石榴皮提取物的聚乙烯 醇基水凝膠傷口敷料的制備與表征[J]. 功能高分子學(xué)報(bào)， 2023， 36（2）： 136-145.

張濤， 秦瞳， 秦旭東， 等. 創(chuàng)新運(yùn)載火箭研制體系加速推進(jìn) 航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)[J]. 國(guó)防科技工業(yè)， 2019（6）： 39-41.

GAN" Y，" QIAO" L." Combustion" characteristics" of" fuel droplets with addition of nano and micron-sized aluminum particles[J]. Combustion and Flame， 2011， 158（2）： 354-368.

郭延磊， 肖艷. 羧基化聚己內(nèi)酯基有機(jī)水凝膠的制備及其 在信息存儲(chǔ)方面的應(yīng)用[J]. 華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué) 版）， 2023， 49（6）： 800-808.

楊鴻輝. 凝膠推進(jìn)劑及其流變特性研究進(jìn)展[J]. 推進(jìn)技 術(shù)， 2022（5）： 1-16.

張蒙正. 凝膠推進(jìn)劑流動(dòng)、霧化及燃燒[M]. 西安： 西北工 業(yè)大學(xué)出版社， 2018： 7-35.

SONG W， HWANG J， KOO J. Atomization of gelled ker[1]osene" by" multi-hole" pintle" injector" for" rocket" engines[J]. Fuel， 2021， 285： 119212.

E X T F， ZHI X M， ZHANG Y M， et al. Jet fuel containing ligand-protecting" energetic" nanoparticles：" A" case" study" of boron" in" JP-10[J]. Chemical" Engineering" Science，" 2015， 129： 9-13.

JYOTI B V S， BAEK S W. Rheological characterization of metalized" and" non-metalized" ethanol" gel" propellants[J]. Propellants，" Explosives，" Pyrotechnics，" 2014，" 39（6）：" 866- 873.

BOTCHU" V" S，" JYOTI" B." Formulation" and" comparative study of rheological properties of loaded and unloaded eth- anol based gel propellants[J]. Journal of Nergetic Materials， 2013， 33（2）： 125-139.

NANDAGOOALAN P， JOHN J， BAEK S W， et al. Shear[1]flow" rheology" and" viscoelastic" instabilities" of" ethanol" gel fuels[J]." Experimental" Thermal" and" Fluid" Science，" 2018， 99（22）： 181-189.

JOHN" J，" NANDAGOOALAN" P，" BAKE" S" W， et al. Rhe[1]ology of solid-like ethanol fuel for hybrid rockets： Effect of type and concentration of gellants[J]. Fuel， 2017， 209： 96- 108.

曹錦文， 潘倫， 張香文， 等. 含納米鋁顆粒的JP-10凝膠燃 料理化及流變性能[J]. 含能材料， 2020， 28（5）： 382-390.

YANG" D" L，" XIA" Z" X，" HUANG" L" Y， et al." Synthesis" of metallized kerosene gel and its characterization for propul[1]sion applications[J]. Fuel， 2020， 262： 116684.

葉緯東 喬治軍， 李嘉顥， 等. 含鋁凝膠燃料的流變特性研 究[J]. 爆破器材， 2022， 51（2）： 17-25.

劉凱強(qiáng)， 陳 鈿， 王寧飛， 等. 航空煤油的羥丙基纖維素凝 膠化研究[J]. 含能材料， 2005， 13（1）： 58-60.

GANY" A，" LIM" Y" S，" QIAO" L." Combustion" of" nanofluid fuels with the addition of boron and iron particles at dilute and dense concentrations[J]. Combustion and Flame， 2012， 159（4）： 1732-1740.

PADWAL M" B，" NATAN" B，" MISHRA" D" P." Gel"" propel[1]lants[J]. Progress in Energy and Combustion Science， 2021， 83： 100885.

龔靜芝， 封鋒， 鄧寒玉， 等. 石蠟基凝膠燃料的制備及性能 表征[J]. 含能材料， 2016， 24（6）： 560-564.

陳勁強(qiáng)， 姚峰， 陳泓宇， 等. 鋁顆粒對(duì)乙醇胺凝膠性能的影 響[J]. 華東理工大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版）， 2023， 49（1）： 1-7.

MOHSAN H， ALIBEK I， SALAHUD K， et al. The effects of zero" and "high" shear" rates" viscosities" on" the"" transporta[1]tion" of" heat" and" mass" in" boundary" layer" regions：" A" non[1]Newtonian fluid with carreau model[J]. Journal of Molecu[1]lar Liquids， 2020， 317： 113991.

SUN" H" Y，" JIANG" J，" ZhANG" L， et al." Rheological" and atomization" behavior" of" glycyrrhizic" acid" based" supramo[1]lecular" gel" propellant" simulant[J]." Colloids" and" Surfaces A：" Physicochemical" and" Engineering" Aspects，" 2022，" 640： 128460.

鄂秀天鳳， 潘倫， 張香文， 等. 高觸變性高密度凝膠碳?xì)淙?料的制備及性能[J]. 含能材料， 2019， 27（6）： 501-508.

CAO Q， LIAO W， WU W T， et al. Combustion character[1]istics of inorganic kerosene gel droplet with fumed silica as gellant[J]. Experimental Thermal and Fluid Science， 2019， 103： 377-384.