大气等离子体处理对三元乙丙绝热层表面性能的影响_梁夏敏.pdf

第 46 卷第 2 期固 体 火 箭 技 术Journal of Solid ocket TechnologyVol46 No2 2023大气等离子体处理对三元乙丙绝热层表面性能的影响梁夏敏1*，李东峰1，杨洁1，李华兴1，刘征哲1，罗国勤1，桑丽鹏1，王玉1，尹华丽1，2(1湖北航天化学技术研究所，襄阳441003;2航天化学动力重点实验室，襄阳441003)摘要:为解决三元乙丙(EPDM)绝热层机械打磨效率低、噪音大、粉尘多，以及溶剂清洗带来的安全、操作人员的健康等问题，探究大气等离子体处理技术取代机械打磨的可行性。运用大气等离子体对 EPDM 绝热层进行表面处理，通过傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜-能量色散谱仪、表面能测量仪对处理前后 EPDM 绝热层表面形貌、化学元素组成和表面润湿性进行表征，采用万能材料试验机对处理前后 EPDM 绝热层和衬层的界面粘接性能进行测试。实验结果表明，等离子体处理后的 EPDM 绝热层表面新增含氧基团，表面氧元素含量增加，表面形貌更加均匀，表面能由 2543 mN/m 升高到4306 mN/m，EPDM 绝热层/衬层的界面粘接强度由 189 MPa 提高到 216 MPa，证明了大气等离子体处理技术取代机械打磨具有可行性。关键词:表面处理;大气等离子体;三元乙丙绝热层;表面能;粘接强度中图分类号:V255文献标识码:A文章编号:1006-2793(2023)02-0272-07DOI:107673/jissn1006-2793202302011Effects of atmospheric pressure plasma treatmenton surface properties of EPDM insulationLIANG Xiamin1*，LI Dongfeng1，YANG Jie1，LI Huaxing1，LIU Zhengzhe1，LUO Guoqin1，SANG Lipeng1，WANG Yu1，YIN Huali1，2(1Hubei Institute of Aerospace Chemotechnology，Xiangyang441003，China;2Science and Technology on Aerospace Chemical Power Laboratory，Xiangyang441003，China)Abstract:For solving the problems of low efficiency，loud noise，dust during the mechanical grinding of EPDM insulation，aswell as safety and health of operators in solvent cleaning，the feasibility replacing the mechanical grinding with the atmospheric pres-sure plasma treatment technology was exploredThe surface of EPDM insulation was treated by means of the atmospheric pressureplasma treatment technologyThe surface morphology，chemical composition and surface wettability of EPDM insulation before andafter treatment were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy(FTI)，scanning electron microscope-X-ray energydispersive spectroscopy(SEM-EDS)and surface energy measuring meterThe interfacial bonding properties between EPDM insulationand liner were tested by universal material testing machineThe experimental results show that the surface of EPDM insulation afterplasma treatment occur the new oxygen-containing chemical groups，and the oxygen content on the surface is increased;the surfacemorphology is more uniform，the surface energy increases from 2543 mN/m to 4306 mN/m，and the interfacial bonding strength be-tween EPDM insulation and liner increases from 189 MPa to 216 MPaIt is proved that replacement of mechanical grinding withthe atmospheric pressure plasma treatment technology is feasibleKey words:surface treatment;atmospheric pressure plasma;EPDM insulation;surface energy;bonding strength272收稿日期:2022-06-29;修回日期:2022-11-27。基金项目:国家自然科学基金面上项目(NSFC22175059)。通讯作者:梁夏敏，男，硕士，研究方向为固体火箭发动机衬层及界面粘接。0引言三元乙丙(EPDM)绝热层以其低密度、良好的耐候性、耐老化性、高绝热性和耐烧蚀性，广泛用于固体火箭发动机燃烧室的内绝热层12。然而，EPDM 主链分子处于饱和状态，极性低，导致 EPDM 绝热层表面能低，与衬层的粘接强度低。在传统工艺中，采用人工砂纸打磨或喷砂处理可提高其与衬层的界面粘接性能，但机械打磨的处理方式存在效率低、噪音大、粉尘多，以及溶剂清洗带来的安全、操作人员的健康等问题。自 20 世纪 80 年代发展起来的等离子体处理技术具有快速、高效、清洁以及不伤害基体本身性能等优点3，因而广泛应用于航空航天等聚合物表面处理领域45。等离子体处理技术能够不改变材料整体性能，只改变基体材料的表面形貌与表面成分，改善材料表面润湿性，增大其表面能，优化材料的性能610。绝热层材料表面等离子体处理方面已有较多研究，尤其针对目前应用最广泛的 EPDM 绝热层。相关研究表明，使用 N2、H2、Ar 混合气体的微波等离子体对 EPDM橡胶表面修饰，EPDM 橡胶表面接触角从 101降为34，表面能由 59 mJ/m2提高到 133 mJ/m2，表面粗糙度增加，而且研究发现表面性能改变与等离子体所用气体种类有关:O2等离子体处理后的表面最粗糙，N2等离子体处理后的表面则相对平滑，主要为羟基，也存在部分羰基和羧基1114，这些表面物理和化学性质的改变有利于提高绝热层与衬层的粘接性能1516。因此，应用等离子体技术提升绝热层表面性能在理论上具有可行性。本文采用大气等离子体技术处理 EPDM 绝热层表面，考察等离子体处理对绝热层表面接触角、表面能以及绝热层/衬层界面粘接强度的影响，为等离子体安全、清洁、高效处理 EPDM 绝热层表面的应用可行性提供有价值的参考依据。1实验11材料及试剂EPDM 绝热层，湖北航天化学技术研究所;端羟基聚丁二烯(HTPB，型)，羟值为 0678 mmol/g，黎明化工研究设计院有限责任公司;甲苯二异氰酸酯(TDI)，甘肃银光化学工业集团有限公司;乙酸乙酯，国药集团化学试剂有限公司，其他材料均为市售。25 mm钢制粘接试件，自制。12试样制备121表面处理(1)预处理准备片状 EPDM 绝热层及带有 EPDM 绝热层的25 mm 钢制粘接试件，使用乙酸乙酯擦拭绝热层表面，于 80 烘箱中烘 3 h。(2)大气等离子体处理调节大气等离子体处理仪(型号 SPA-2600)仪器参数处理速度、功率、气体压力、处理次数，气体使用高纯氮气，通过改变功率、速度参数(单位%，100%时速度为 200 mm/s)对 EPDM 绝热层表面进行不同的循环扫描处理。大气等离子体处理仪的工作原理:如图 1 所示，在高压电源的激励下，使氮气等工艺气体在大气环境下电离产生等离子体，并直接作用在待处理样品表面，仪器结构主要分为高压激励电源、等离子体发生装置喷枪、控制系统三部分，控制系统用于整个仪器的参数控制，设置仪器参数(处理速度、功率、气体压力、处理次数)后开始运行，激励电源对进入的气体进行电离产生等离子体，通过管道从喷枪喷出作用于材料表面。图 1大气等离子体处理仪工作原理Fig1Working principle of atmospheric plasma processor(3)砂纸打磨使用 60 号砂纸打磨 EPDM 绝热层，然后使用带有乙酸乙酯的纱布擦拭表面，于 80 烘箱中烘 3 h 待用。122粘接试件制备将等 离 子 体 处 理、未 经 过 处 理、手 工 打 磨 的25 mm钢制粘接试件上涂覆 HTPB/TDI 衬层，固化参数=138，配方组成见表 1，按标准 Q/G 1732008要求制作粘接试件，步骤如下:(1)按配方比例配置 HTPB/TDI 衬层料浆，固化参数=136，80 预反应 30 min;(2)在 25 mm 钢制粘接试件上刷涂衬层料浆02 g，25 mm 钢制粘接试件如图 2 中 a 所示;(3)刷有衬层的 25 mm 钢制粘接试件置于 80 烘箱中预固化一段时间后，将两片带有衬层的 25 mm钢制粘接试件对粘，用涂有脱模剂的铝箔固定，如图 2中 b、c 所示;(4)25 mm 钢制粘接试件于 50 烘箱中固化3722023 年 4 月梁夏敏，等:大气等离子体处理对三元乙丙绝热层表面性能的影响第 2 期7 d，取出，除去铝箔，进行力学性能测试。表 1衬层组成Table 1Liner fundamental formulation%HTPBTDIChain extender Solid filers PlasticizerOthers7199649145图 225 mm 钢制粘接试件Fig2Steel bonding specimen with 25 mm13测试分析(1)采用德国 Bruker 公司的 Equinox55 型傅里叶变换红外光谱测试仪，表征 EPDM 绝热层处理前后表面化学基团变化;(2)采用 FEI 公司 Quanta650 型扫描电子显微镜(SEM)和 QUANTAX 型 X 射线能谱仪(EDS)，表征EPDM 绝热层处理前后表面形貌和元素组成;(3)采用 XG-CAME 型表面能测量仪，测试处理前后 EPDM 绝热层表面接触角及表面能，表面能测试所用液体为水、乙二醇、二碘甲烷;(4)力学性能测试，采用 CMT4254 万能试验机，执行 Q/G 1732008 固体火箭发动机燃烧室界面粘接强度测试方法 25 mm 试样拉伸法，测试温度 20，拉伸速度 20 mm/min。2分析与讨论21红外分析未经任何处理和手工机械打磨的 EPDM 绝热层表面化学组成基本不变，红外光谱图如图 3 所示。图中，2922 cm1为CH2的 CH 伸缩振动峰，2851 cm1为CH3的 CH 伸缩振动峰，1377 cm1为CH3的CH 的变形振动吸收峰，1459 cm1为 CH2的剪式振动吸收峰，722 cm1为(CH2)n(n4)的吸收峰。因此