基于聚多巴胺的仿生界面设计在含能材料中的应用研究进展
发布时间：2021-01-25 19:44
界面结构对含能材料的力学性能、安全性能、热稳定性均具有重要的影响。聚多巴胺（PDA）是一种能使绝大多数基体功能化的表面化学材料,具有制备简单易控,反应温和,操作安全,可再进一步功能化等优点。近年来,仿生PDA包覆广泛应用于含能材料领域并取得良好进展。本文就PDA基仿生可控界面对含能材料结构和性能影响进行了综述。从PDA粘结机理出发,介绍了PDA对含能材料和功能填料进行表面功能化的方法,重点阐述了PDA表面改性对炸药的安全性能、热稳定性、力学性能和导热性能的影响规律。总结了PDA在含能材料结构设计和性能调控中的独特优势,指明目前存在的问题,建议进一步探明PDA与含能材料、粘结剂间作用机理,设计规整可控的界面结构,引入功能性高分子,并拓展含能材料用表面功能化材料种类。
【文章来源】：含能材料. 2020,28(06)北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
贻贝在聚四氟乙烯（PTFE）上粘附照片；（b,c）界面粘结足丝蛋白Mefp‐5和简化分子基团示意图；（d)Mefp‐5的氨基酸序列；（e）多巴胺分子结构，含有Mefp‐5中发现的氨基和儿茶酚结构基团；（f）多巴胺在基体表面沉积过程示意图；（g）多巴胺膜厚度随沉积时间的变化趋势；（h）聚多巴胺包覆基体的化学镀；（i）多巴胺沉积前后25种基体的XPS特征信号分析[12]
多数含能晶体具有多种晶型，在受热、溶剂等刺激下容易发生相变。伴随相变，含能晶体产生微缺陷和孔穴，在受到撞击、摩擦时，这些缺陷会成为热点，增加含能晶体的感度[25]。巩飞艳等[10]利用仿生多巴胺的强界面作用来抑制含能晶体相变，制备方法如图2所示。PDA包覆量仅0.5%就可将HMX的β‐δ相变温度提高约28℃。在200℃下加热30 min后，HMX的撞击感度从5 J下降到2 J，而HMX@PDA的撞击感度不变（5 J），表明HMX在热损伤后的感度增加，相变延迟有利于多晶炸药的安全性。进一步地，含能晶体的等温和非等温动力学特性研究表明，成核是相变过程中的限速步骤[26]。PDA包覆显著降低了相变速率，尤其是成核速率。密度泛函理论计算和试验结果显示，相变抑制起源于PDA的聚合物链与HMX晶体表面的官能团之间的强烈相互作用，PDA包覆阻碍了晶体表面δ-核的形成，如图3所示[26]。相比于传统炸药晶体（如HMX、黑索今RDX),1,3,5‐三氨基‐2,4,6‐三硝基苯（TATB）晶体为平面层状π‐堆积结构，具有特殊的各向异性结构，使得其本身表现出明显的粘弹性[27]，热作用下TATB的体积膨胀以及外界力作用下TATB单层晶体的滑移导致TATB具有显著的变形[28]。PDA包覆对各向异性含能晶体的不可逆热膨胀具有良好的抑制作用，如图4所示[29]。包覆1.5%PDA后，TATB@PDA不可逆膨胀应变比纯TATB下降27.7%（从0.520%下降到0.376%）。与TATB/普通聚合物粘结剂（如含氟聚合物和聚氨酯共聚物等）相比，采用原位聚合方法在TATB表面形成了致密、刚性的PDA交联网络以及强烈的化学粘附作用，TATB@PDA复合材料的耐蠕变性能显著改善[30]。可见，PDA包覆在一定程度上有助于降低热力作用下变形对材料应用的影响，对提高各向异性含能材料的形稳性具有重要意义。
相比于传统炸药晶体（如HMX、黑索今RDX),1,3,5‐三氨基‐2,4,6‐三硝基苯（TATB）晶体为平面层状π‐堆积结构，具有特殊的各向异性结构，使得其本身表现出明显的粘弹性[27]，热作用下TATB的体积膨胀以及外界力作用下TATB单层晶体的滑移导致TATB具有显著的变形[28]。PDA包覆对各向异性含能晶体的不可逆热膨胀具有良好的抑制作用，如图4所示[29]。包覆1.5%PDA后，TATB@PDA不可逆膨胀应变比纯TATB下降27.7%（从0.520%下降到0.376%）。与TATB/普通聚合物粘结剂（如含氟聚合物和聚氨酯共聚物等）相比，采用原位聚合方法在TATB表面形成了致密、刚性的PDA交联网络以及强烈的化学粘附作用，TATB@PDA复合材料的耐蠕变性能显著改善[30]。可见，PDA包覆在一定程度上有助于降低热力作用下变形对材料应用的影响，对提高各向异性含能材料的形稳性具有重要意义。界面脱粘是PBX损伤破坏的主要机制之一，成为影响其力学性能的重要环节[31]。传统界面改性方法，如添加键合剂或偶联剂，与炸药和粘结剂间相互作用并不是很牢固，作用机理有待验证，且不能有效调控其界面结构[32]。为了解决这一难题，何冠松等[33]将仿生PDA引入PBX中，报道了一种全新的高效界面改性方法来提高PBX的力学性能，如图5所示。PDA的引入增强了TATB和粘结剂界面相互作用，显著提高了PBX的拉伸、压缩强度和应变，并改善了耐蠕变性能。基于界面化学“相互作用键合”与物理“互锁”相结合的新模型，给出了界面增强效应的机理：氢键的形成和其它超分子间的相互作用（包括π‐π堆积和电荷转移）增强了TATB晶体与含氟聚合物粘结剂之间的界面结合。此外，PDA包覆增加了炸药晶体表面粗糙度，与粘结剂分子形成物理“互锁”作用。同样，基于PDA包覆HMX晶体，改性PBX的储能模量、力学强度和韧性以及耐蠕变性能明显提高。此外，改性HMX基PBX的β‐δ相变温度提高了16℃，摩擦感度从84%降低到40%，在一定程度上解决了HMX基PBX的相变、力学性能差、感度高等问题[34]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生聚多巴胺对HMX、TATB和铝粉的界面性能改性[J]. 祝青,吴束力,肖春,谢虓,李尚斌,罗观. 含能材料. 2019(11)
[2]PDA包覆铝粉及其在HTPB中的分散稳定性[J]. 肖春,祝青,谢虓,罗观,李尚斌. 火炸药学报. 2017(03)
[3]TATB基PBX界面粘结改善研究进展[J]. 何冠松,林聪妹,刘佳辉,刘世俊,刘永刚. 含能材料. 2016(03)
[4]TATB基高聚物粘结炸药的蠕变特性研究[J]. 李明,温茂萍,何强,庞海燕,敬世明. 含能材料. 2005(03)
本文编号：2999783
【文章来源】：含能材料. 2020,28(06)北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
贻贝在聚四氟乙烯（PTFE）上粘附照片；（b,c）界面粘结足丝蛋白Mefp‐5和简化分子基团示意图；（d)Mefp‐5的氨基酸序列；（e）多巴胺分子结构，含有Mefp‐5中发现的氨基和儿茶酚结构基团；（f）多巴胺在基体表面沉积过程示意图；（g）多巴胺膜厚度随沉积时间的变化趋势；（h）聚多巴胺包覆基体的化学镀；（i）多巴胺沉积前后25种基体的XPS特征信号分析[12]
多数含能晶体具有多种晶型，在受热、溶剂等刺激下容易发生相变。伴随相变，含能晶体产生微缺陷和孔穴，在受到撞击、摩擦时，这些缺陷会成为热点，增加含能晶体的感度[25]。巩飞艳等[10]利用仿生多巴胺的强界面作用来抑制含能晶体相变，制备方法如图2所示。PDA包覆量仅0.5%就可将HMX的β‐δ相变温度提高约28℃。在200℃下加热30 min后，HMX的撞击感度从5 J下降到2 J，而HMX@PDA的撞击感度不变（5 J），表明HMX在热损伤后的感度增加，相变延迟有利于多晶炸药的安全性。进一步地，含能晶体的等温和非等温动力学特性研究表明，成核是相变过程中的限速步骤[26]。PDA包覆显著降低了相变速率，尤其是成核速率。密度泛函理论计算和试验结果显示，相变抑制起源于PDA的聚合物链与HMX晶体表面的官能团之间的强烈相互作用，PDA包覆阻碍了晶体表面δ-核的形成，如图3所示[26]。相比于传统炸药晶体（如HMX、黑索今RDX),1,3,5‐三氨基‐2,4,6‐三硝基苯（TATB）晶体为平面层状π‐堆积结构，具有特殊的各向异性结构，使得其本身表现出明显的粘弹性[27]，热作用下TATB的体积膨胀以及外界力作用下TATB单层晶体的滑移导致TATB具有显著的变形[28]。PDA包覆对各向异性含能晶体的不可逆热膨胀具有良好的抑制作用，如图4所示[29]。包覆1.5%PDA后，TATB@PDA不可逆膨胀应变比纯TATB下降27.7%（从0.520%下降到0.376%）。与TATB/普通聚合物粘结剂（如含氟聚合物和聚氨酯共聚物等）相比，采用原位聚合方法在TATB表面形成了致密、刚性的PDA交联网络以及强烈的化学粘附作用，TATB@PDA复合材料的耐蠕变性能显著改善[30]。可见，PDA包覆在一定程度上有助于降低热力作用下变形对材料应用的影响，对提高各向异性含能材料的形稳性具有重要意义。
相比于传统炸药晶体（如HMX、黑索今RDX),1,3,5‐三氨基‐2,4,6‐三硝基苯（TATB）晶体为平面层状π‐堆积结构，具有特殊的各向异性结构，使得其本身表现出明显的粘弹性[27]，热作用下TATB的体积膨胀以及外界力作用下TATB单层晶体的滑移导致TATB具有显著的变形[28]。PDA包覆对各向异性含能晶体的不可逆热膨胀具有良好的抑制作用，如图4所示[29]。包覆1.5%PDA后，TATB@PDA不可逆膨胀应变比纯TATB下降27.7%（从0.520%下降到0.376%）。与TATB/普通聚合物粘结剂（如含氟聚合物和聚氨酯共聚物等）相比，采用原位聚合方法在TATB表面形成了致密、刚性的PDA交联网络以及强烈的化学粘附作用，TATB@PDA复合材料的耐蠕变性能显著改善[30]。可见，PDA包覆在一定程度上有助于降低热力作用下变形对材料应用的影响，对提高各向异性含能材料的形稳性具有重要意义。界面脱粘是PBX损伤破坏的主要机制之一，成为影响其力学性能的重要环节[31]。传统界面改性方法，如添加键合剂或偶联剂，与炸药和粘结剂间相互作用并不是很牢固，作用机理有待验证，且不能有效调控其界面结构[32]。为了解决这一难题，何冠松等[33]将仿生PDA引入PBX中，报道了一种全新的高效界面改性方法来提高PBX的力学性能，如图5所示。PDA的引入增强了TATB和粘结剂界面相互作用，显著提高了PBX的拉伸、压缩强度和应变，并改善了耐蠕变性能。基于界面化学“相互作用键合”与物理“互锁”相结合的新模型，给出了界面增强效应的机理：氢键的形成和其它超分子间的相互作用（包括π‐π堆积和电荷转移）增强了TATB晶体与含氟聚合物粘结剂之间的界面结合。此外，PDA包覆增加了炸药晶体表面粗糙度，与粘结剂分子形成物理“互锁”作用。同样，基于PDA包覆HMX晶体，改性PBX的储能模量、力学强度和韧性以及耐蠕变性能明显提高。此外，改性HMX基PBX的β‐δ相变温度提高了16℃，摩擦感度从84%降低到40%，在一定程度上解决了HMX基PBX的相变、力学性能差、感度高等问题[34]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生聚多巴胺对HMX、TATB和铝粉的界面性能改性[J]. 祝青,吴束力,肖春,谢虓,李尚斌,罗观. 含能材料. 2019(11)
[2]PDA包覆铝粉及其在HTPB中的分散稳定性[J]. 肖春,祝青,谢虓,罗观,李尚斌. 火炸药学报. 2017(03)
[3]TATB基PBX界面粘结改善研究进展[J]. 何冠松,林聪妹,刘佳辉,刘世俊,刘永刚. 含能材料. 2016(03)
[4]TATB基高聚物粘结炸药的蠕变特性研究[J]. 李明,温茂萍,何强,庞海燕,敬世明. 含能材料. 2005(03)
本文编号：2999783
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