3. 结果与讨论

3.1 过渡层在推进剂表面的铺展渗透行为分析

通过动态接触角测试仪，本研究记录了不同过渡层液体滴落在固体推进剂表面的瞬时接触角及随后接触角和液滴体积随时间的变化规律。

从瞬时接触角的图像可以看出，三种过渡层在推进剂表面的初始接触角均小于90°，这表明它们都具备在推进剂表面自发铺展的基本能力。其中，过渡层2的瞬时接触角最小，显示出最佳的初始润湿性。

进一步观察接触角随时间的变化曲线，可以发现一个共同的趋势：随着时间推移，三种过渡层的接触角都在逐渐减小，这证实了它们均在持续地进行铺展。然而，变化的速率却存在显著差异。过渡层2和过渡层3的接触角衰减速度远快于过渡层1，尤其是在滴落的初期，其接触角迅速下降。这种差异可能与过渡层的组成密切相关。过渡层1因其组分分子量高、苯环含量多、分子链刚性大，导致其在推进剂表面的分子运动和构象调整受到限制，从而阻碍了其快速铺展和向推进剂内部的渗透。相比之下，过渡层2和过渡层3的分子量较小，分子链更为柔顺，因此更容易在推进剂表面铺展并向内部渗透。

与此同时，液滴体积随时间的变化也提供了重要信息。过渡层1的液滴体积在测试时间内几乎保持不变，这说明其向推进剂内部的纵向渗透非常有限，且自身的挥发性极低。反观过渡层2和过渡层3，它们的液滴体积随时间推移而不断减小。这种体积的减小可能源于两个方面的贡献：一是液体向推进剂内部的渗透，二是液体自身的挥发。为了区分这两种效应，本研究选择在非渗透性的玻璃表面上进行了对照实验。

结果显示，在玻璃表面上，三种过渡层的接触角随时间变化很小，基本保持稳定。更重要的是，过渡层1的体积在玻璃上同样变化甚微，确认了其不易挥发的特性。过渡层2的体积有轻微减少，表明其存在少量挥发。而过渡层3的体积在玻璃上减少得较为明显，说明其在测试时间内挥发较快。尽管过渡层3存在显著的挥发，但在玻璃上其接触角并未随之大幅变化，这表明在本研究的测试条件下，挥发作用对接触角变化的影响相对次要，主导接触角变化的主要因素仍然是液滴在固体表面的铺展和渗透行为。

3.2 推进剂表面能分析及其影响

固体表面能是评价材料表面润湿性的关键参数。本研究采用经典的OWRK法来计算固体推进剂的表面能。该方法综合考虑了色散力和极性力对界面能的贡献。通过测量去离子水和甘油两种已知表面张力及其分量的参考液在推进剂表面的接触角，并结合杨氏方程，即可计算出推进剂的总表面能及其色散力和极性力分量。

本研究对两种不同状态的推进剂样品（1#为新制备样品，2#为放置一段时间后的样品）进行了表面能计算。结果表明，1#样品的总表面能高达97.62 mJ/m²，而2#样品的总表面能仅为55.83 mJ/m²。两者相差近一倍，说明推进剂的表面能并非固定不变的。深入分析其分量发现，1#样品的高表面能主要来自于其极高的极性力分量（54.0 mJ/m²），而2#样品的极性力分量则大幅下降至43.7 mJ/m²，其色散力也显著降低。这表明推进剂表面的化学极性是决定其表面能高低的关键因素。

推进剂表面能随放置时间发生变化的原因，推测是由于其内部的小分子组分（如增塑剂、防老剂等）会缓慢迁移至表面，从而改变了表面的化学组成。为了验证这一点，本研究对两种推进剂样品进行了红外光谱分析。结果清晰地显示，在700~950 cm⁻¹及1100~1600 cm⁻¹波数范围内，两者的吸收峰存在明显差异，特别是在代表取代苯环等芳香族结构的区域，这表明它们的表面化学成分确实有所不同。

这一发现具有重要的实践意义。表面能越高的固体，越容易被液体所润湿。本研究的计算数据恰好印证了这一点：对于表面能高达97.62 mJ/m²的1#样品，无论是极性较强的水还是极性稍弱的甘油，在其表面的接触角都显著小于表面能较低的2#样品。这意味着，如果某种过渡层在推进剂表面铺展效果不佳，可以考虑通过预先对推进剂表面进行适当的处理（例如涂敷含有极性基团的表面处理剂），来提高其表面能，特别是极性力分量，从而促进过渡层的铺展。

3.3 过渡层表面张力及其对铺展的影响

液体在固体表面的铺展能力不仅取决于固体的表面能，还取决于液体自身的表面张力。一般而言，液体的表面张力越低，越容易在固体表面铺展。本研究对三种过渡层液体的表面张力进行了测定。结果显示，过渡层1的表面张力最高，达到了48.7 mN/m；过渡层3次之，为38.5 mN/m；而过渡层2最低，仅有25.5 mN/m。值得注意的是，这三种过渡层的表面张力均低于前面测得的两种推进剂的表面能（55.83 ~ 97.62 mJ/m²），这从热力学上解释了为何三种过渡层都能在推进剂表面自发铺展。同时，过渡层1由于其最高的表面张力，铺展难度最大，这与之前观察到的其接触角下降最慢的现象完全吻合。

过渡层2和过渡层3虽然分子量相近，但由于制备时所选用的溶剂不同，它们的表面张力表现出显著差异。这启发本研究，可以通过选择合适的溶剂来调节过渡层的整体表面张力。为此，本研究进一步测定了多种常用溶剂的表面张力及其在推进剂表面的接触角。结果表明，除了水之外，甲醇、乙酸乙酯、甲苯、环己烷等有机溶剂在推进剂表面都能迅速铺展并伴有渗透，它们的接触角都很小。一般来说，表面张力越低的溶剂，其接触角也越小。例如，乙酸乙酯的表面张力（23.5 mN/m）低于甲苯（28.5 mN/m），其在推进剂上的接触角也更小。这为本研究通过添加低表面张力溶剂来降低过渡层整体表面张力、促进其铺展提供了直接依据。

然而，数据也揭示了一个有趣的现象：甲醇、甲苯、乙酸乙酯、环己烷这几种溶剂的表面张力虽有差异，但它们在推进剂表面的接触角差别并不像表面张力差别那么大。这说明，除了表面张力外，液体的其他特性（如粘度、分子极性等）以及固体表面的特性也在铺展过程中扮演着重要角色。换句话说，流体的本体性质对铺展过程的影响，有时可能弱于固体基质的表面性质。因此，双管齐下的策略——既对推进剂表面进行改性，又优化过渡液的组成——将是最佳的选择。

3.4 过渡层组成优化及效果验证

基于以上分析，本研究尝试通过添加不同溶剂的方法对表面张力最高、铺展性能最差的过渡层1进行优化。分别选用乙酸乙酯、甲苯和环己烷作为稀释溶剂，加入到过渡层1的原始配方中，形成新的改性过渡层。

对改性后过渡层的表面张力进行测定，结果令人振奋。无论加入哪种溶剂，改性后过渡层的表面张力都出现了断崖式下降。其中，使用乙酸乙酯和环己烷改性的过渡层，其表面张力均降至约24.8 mN/m；使用甲苯改性的过渡层，表面张力也降至29.0 mN/m。相比优化前的48.7 mN/m，降幅超过50%。这一显著变化主要归因于两点：一是小分子溶剂的加入降低了过渡层体系的平均分子量和分子间相互作用力；二是溶剂破坏了原有组分间的强氢键作用，使得液体分子更容易运动。

表面张力的急剧降低直接带来了铺展性能的飞跃。动态接触角测试显示，优化后的过渡层在推进剂表面的初始接触角大幅降低，并且在滴落之后，其接触角迅速减小，意味着铺展速度大大加快。这对于实际涂敷工艺而言至关重要。快速的铺展意味着过渡层能够更快地在推进剂表面形成一层连续、均匀的薄膜，避免了因局部堆积或铺展不全导致的缺陷，从而保证了后续包覆层与推进剂之间获得高质量、高强度的界面粘接。

4. 结论

1.  过渡层的组成对其在固体推进剂表面的铺展渗透行为有决定性影响。分子量较小、刚性较弱的过渡层展现出更快的铺展速度和更好的渗透性。在本研究测试范围内，过渡层液体的挥发对其接触角变化的影响相对较小，铺展渗透行为主要由其与推进剂的相互作用决定。

2.  固体推进剂的表面能受其表面化学组成（尤其是极性组分）影响显著，并会随储存时间而变化。表面能越高，越有利于过渡层的铺展。增强推进剂表面的极性是提高其表面能的有效途径。本研究中，通过表面组成差异，推进剂样品的表面能从55.83 mJ/m²变化到97.62 mJ/m²。

3.  通过向过渡层中添加低表面张力的溶剂（如乙酸乙酯、环己烷）来优化其组成，是一种简便高效的改性方法。该方法可将过渡层1的表面张力从48.7 mN/m显著降低至约24.8 mN/m，从而极大地改善了其在推进剂表面的铺展效果，为提高推进剂与包覆层的粘接质量奠定了基础。