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ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ ＳＨＡＮＧＨＡＩ第３６卷２０１９年增刊
马来酸酐接枝三元乙丙橡胶（ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡ
郝会娟１，
沈兆宏２，何吉宇１，杨荣杰１（１．北京理工大学材料科学与工程学院，国家阻燃材料工程技术研究中心，北京１０００８１；
２．
上海航天动力技术研究所，浙江湖州３１３００２） 摘 要：为提高三元乙丙橡胶（ＥＰＤＭ）内绝热层材料的耐烧蚀性能，将马来酸酐接枝三元乙丙橡胶（ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ）
作为基体与无机填料之间的相容剂。采用拉力试验机、多工位－氧乙炔烧蚀测试仪、热失重分析仪和扫描电镜等分析手段研究了材料的机械性能与耐烧蚀性能。测试结果表明：添加ＥＰＤＭ－ｇ
－ＭＡＨ后，ＥＰＤＭ内绝热层材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均有所降低，并且随着ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ含量的增大，烧蚀后形成的碳层也越来越致密均匀。另一方面，当ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ质量分数为９．５％和１４．３％时，ＥＰＤＭ内绝热层材料的力学性能大幅度提升。其中，当ＥＰＤＭ－ｇ
－ＭＡＨ质量分数为１４．３％时，ＥＰＤＭ内绝热层材料综合性能最为优异，断裂伸长７．８倍，提高了１．１９１倍；拉伸强度为６．７ＭＰａ，提高了７１．８％；线烧蚀率为０．０７９
９ｍｍ·ｓ－１
，下降了１７．２％。该结果将为更多新型填料在ＥＰＤＭ材料中应用提供支持。
关键词：三元乙丙橡胶；三元乙丙橡胶接枝马来酸酐；烧蚀率中图分类号：Ｖ
４３５ 文献标志码：ＡＤＯＩ：１０．１９３２８／ｊ
．ｃｎｋｉ．１００６－１６３０．２０１９．Ｓ１．０１３收稿日期：２０１８－１０－２３；修回日期：２０１９－０３－２５基金项目：上海航天科技创新基金（ＳＡＳＴ２０１６１０５
）作者简介：郝会娟（１９９４—），女，硕士研究生，主要研究方向为三元乙丙橡胶内绝热层。通信作者：何吉宇（１９７０—）
，男，博士，教授，主要研究方向为推进剂材料和阻燃绝热材料。Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｍａｌｅｉｃ Ａｎｈｙｄｒｉｄｅ Ｇｒａｆｔｅｄ Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｐｒｏｐｙ
ｌｅｎｅ Ｄｉｅｎｅ Ｍｏｎｏｍｅｒ（ＥＰＤＭ－ｇ
－ＭＡＨ）ｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＥＰＤＭ Ｈｅａｔ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ＭａｔｅｒｉａｌｓＨＡＯ Ｈｕｉｊｕａｎ１，ＳＨＥＮ Ｚｈａｏｈｏｎｇ２，ＨＥ Ｊｉｙｕ１，ＹＡＮＧ Ｒｏｎｇｊ
ｉｅ１
（１．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｆｌａｍｅ Ｒｅｔａｒｄａｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
１０００８１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｓｐａｃｅ ＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｕｚｈｏｕ ３１３００２，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉ
ｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｂｌａｔｉｖｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｄｉｅｎｅ ｍｏｎｏｍｅｒ（ＥＰＤＭ）ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅ ｍａｌｅｉｃａｎｈｙｄｒｉｄｅ ｇｒａｆｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｄｉｅｎｅ ｍｏｎｏｍｅｒ（ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ）ｉｓ ａｄｄｅｄ ｔｏ ＥＰＤＭ ｈｅａｔｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｓ ａ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｚｅｒ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ａｂｌａｔｉｖｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆｔｅｎｓｉｌｅ ｔｅｓｔｅｒ，ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｔｉｏｎ ｏｘｙａｃｅｔｙｌｅｎｅ ａｂｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｅｒ，ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ ａｎａｌｙｚｅｒ ａｎｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｍａｓｓ ａｂｌａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ＥＰＤＭ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓｄｅｃｒｅａｓｅ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒ ｌａｙｅｒｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｆｔｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｓ ｂｅｃｏｍｅ ｄｅｎｓｅｒ ａｎｄ ｍｏｒｅｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ
ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ ａｒｅ９．５％ａｎｄ １４．３％，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＥＰＤＭ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ａｍｏｎｇ ｔｈｅｍ，ｗｈｅｎｔｈｅ ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ ｉｓ １４．３％，ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＥＰＤＭ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｔｈｅｂｅｓｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ａｔ ｂｒｅａｋ ｉｓ ７．８ｔｉｍｅｓ，ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ １．１９１ｔｉｍｅｓ．Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ６．７ＭＰａ，ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ７１．８％．Ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｓ ０．０７９ ９ｍｍ／ｓ，ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ １７．２％．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｌｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｒｅｎｅｗ ｆｉｌｌｅｒｓ ｉｎ
ＥＰＤＭ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｄｉｅｎｅ ｍｏｎｏｍｅｒ（ＥＰＤＭ）；ｍａｌｅｉｃａｎｈｙｄｒｉｄｅ ｇｒａｆｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｄｉｅｎｅｍｏｎｏｍｅｒ（ＥＰＤＭ－ｇ
－ＭＡＨ）；ａｂｌａｔｉｏｎ ｒａｔｅｓ８７
第３６卷２０１９年增刊 郝会娟，等：马来酸酐接枝三元乙丙橡胶（ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ）对三元乙丙橡胶内绝热层材料性能的影响
０ 引言
内绝热层材料是固体火箭发动机和推进剂装药的重要组成部分，位于发动机壳体与固体推进剂之间的一层隔热、耐烧蚀材料。固体火箭发动机燃烧室内壁会工作在３ ０００℃以上高温、５～１０ＭＰａ甚至更高的内压环境中，高温合金和纤维增强树脂基复合材料壳体根本无法保持其结构的稳定性，影响发动机的安全可靠性。因此，内绝热层将通过自身的分解和烧蚀，在高温、高燃气流环境中，保护发动机壳体，确保在颗粒物冲蚀作用下不失强、不烧穿，保证发动机正常工作［１］。
目前，在众多基体材料中，三元乙丙橡胶（ＥＰ－ＤＭ）综合性能最为优越，它以低密度、良好的耐候性、耐老化性能、高绝热性能以及突出的耐烧蚀性等优点，被广泛应用于固体火箭发动机燃烧室内绝热层［２－５］，其中，耐烧蚀填料多为芳纶纤维、酚醛树脂和二氧化硅等材料，阻燃剂多为磷系阻燃剂。在各类橡胶中会大量使用补强填料和非补强填料，三元乙丙橡胶也不例外，各种添加剂将会赋予橡胶更高的强度、更好的加工性能和更优越的耐热性能等。而只有各种填料在基体中分散充分，均匀性好，相应的各种性能才能得到充分发挥，最大限度保证材料质量。例如，只有补强填料分散性好，定向排列二维状态的橡胶才能均匀分布，使硫化胶的硬度保持一致，也只有硫磺在集体中分布均匀时，链段
间的分子量才不会有较大差异，保证橡胶各部分性能一致。当然，配方一定决定了样品的最佳分散度。为提高ＥＰＤＭ内绝热层材料中填料的分散性，本文引入马来酸酐接枝三元乙丙橡胶（ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ）作为增容剂，希望可以利用酸酐官能团的极性进一步增强无机填料与橡胶分子之间的化学和物理结合，减少橡胶基体与无机填料之间的极性差，在剪切力的作用下完成更有效的分散。
马来酸酐（ＭＡＨ）是一种含有多种官能团的极性化合物，分子结构中含有不饱和双键，在引发剂作用下，容易与其他聚合物发生聚合反应；酸酐基团也能够与羟基、羧基、胺基等官能团发生反应［６］。与纯物理混合相比，橡胶基体和填料之间更强的界面结合效果将有助于纳米颗粒在聚合物基体中充分发挥耐烧蚀性和增强增韧效果。因此，在一些非极性聚合物分子上引入ＭＡＨ的接枝改性聚合物，用于共混物的增容剂，能明显改善不
相容聚合物或聚合物与无机填料之间的相容性，提高复合材料的综合性能。文献［７］中研究了聚乙烯接枝马来酸酐（ＰＥ－ｇ－ＭＡＨ）在低密度聚乙烯（ＬＤＰＥ）和十二烷基磺化聚苯胺（ＰＡＮＩＤＢＳＡ）混合物中的增容作用，结果表明材料的电导率以及膜的机械和形态学性质均得到了改善。当ＰＥ－ｇ－ＭＡＨ的质量分数为５％时，电导率增加超过３个数量级，并且延展性也得到定性的改善，故在复合材料中使用增容剂作为界面剂是一种改善聚合物复合材料机械性能的便利方式。文献［８］中使用熔融加工制备聚（乳酸）（ＰＬＡ）／聚（己二酸丁二醇酯－共－对苯二甲酸酯）（ＰＢＡＴ）共混物。研究了马来酸酐接枝ＰＬＡ（ＰＬＡ－ｇ－ＭＡＨ）和碳酸钙（Ｃａ－ＣＯ３）含量对共混物的力
学性能、热性能和形态性质的影响。添加２ｐｈｒ的ＰＬＡ－ｇ－ＭＡＨ时，ＰＬＡ／ＰＢＡＴ共混物的拉伸性能、ＰＬＡ和ＰＢＡＴ之间的界面黏合性均得到改善。此外，添加ＰＬＡ－ｇ－ＭＡＨ情况下，随着ＣａＣＯ３含量的增加，复合材料的杨氏模量也随之增加。这也为进一步研究更多无机材料对聚合物性能影响提供了可能。
本文旨在验证以马来酸酐接枝三元乙丙橡胶（ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ）作为增容剂能否改善ＥＰＤＭ与更多无机材料的相容性，提高ＥＰＤＭ内绝热层材料的机械性能和耐烧蚀性能。
１ 实验部分
１．１ 主要原料
ＥＰＤＭ：块状，青岛嘉泰亿盛国际贸易有限公司；ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ：美国陶氏，接枝率为１％；纳米氧化锌：粒径（３０±１０）ｎｍ，北京赛特瑞科技发展有限公司；硬脂酸：化学纯，天津福晨化学试剂厂：芳纶浆粕：中国航天科技集团有限公司第四研究院第四十二研究所；气相法白炭黑：德固赛；促进剂ＣＺ：分析纯，天津市科迈化工有限公司；促进剂Ｄ：分析纯，北京化学试剂公司；不溶性硫磺：洛阳市三瑞实业有限公司；过氧化二异丙苯：化学纯，上海国药集团化学试剂有限公司。
１．２ 试样制备
１）橡胶的混炼
首先将非硫化ＥＰＤＭ在双辊混炼机上塑炼１５ｍｉｎ，加入一定量马来酸酐接枝三元乙丙橡胶继续塑炼；目测均匀后，依次加入增塑剂、纤维等１３ｇ，下片薄通数遍；上述填料分散较均匀后，再按照一定
９
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的顺序加入活化剂、阻燃剂、补强剂等填料９０ｇ，最
后加入促进剂与硫化剂７．３ｇ，薄通数遍后下片，并
将不含有马来酸酐接枝三元乙丙橡胶的ＥＰＤＭ样
品作为对比样品。配方设计如表１所示。
表１ ＥＰＤＭ内绝热层材料的配方设计
（其他填料质量总和为１１０．３ｇ）
Ｔａｂ．１ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＥＰＤＭ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
（ｔｏｔａｌ ｍａｓｓ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｆｉｌｌｅｒｓ ｉｓ １１０．３ｇ）
样品ＥＰＤＭ质量／ｇ
ＥＰＤＭ－ｇ－
ＭＡＨ质量／ｇ
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ
质量分数／％
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ－００ １００——
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ－１０ ９０ １０ ４．８
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ－２０ ８０ ２０ ９．５
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ－３０ ７０ ３０ １４．３
２）试样的硫化
按照各种测试所需尺寸规格，将试样预先制成半成品，停放１６ｈ以上；然后按照要求在特定模具中于１６０℃、１５ＭＰａ平板硫化机中，硫化４５ｍｉｎ后，按测试要求制得最终样品。硫化时间由硫化仪确定，采用ｔ９０作为硫化时间。
１．３ 性能测试
１）烧蚀率测试：采用多工位氧－乙炔烧蚀测定仪。按照ＧＪＢ ３２３Ａ—９６烧蚀材料烧蚀试验方法测量。该装置的喷嘴直径为２ｍｍ，烧蚀距离和时间分别为１０ｍｍ和２０ｓ，氧气和乙炔的体积流量分别为０．４２ｍ３·ｓ－１和０．３１ｍ３·ｓ－１。ＥＰＤＭ样品尺寸为Φ３０ｍｍ×１０ｍｍ的圆柱体。线性烧蚀率可表示为：线性烧蚀率＝（原始厚度－残余厚度）／烧蚀时间；质量烧蚀率可表示为：质量烧蚀率＝（原始质量－烧蚀后厚度）／烧蚀时间。
２）力学性能测试（拉伸强度、断裂伸长率）：采用上海德杰ＤＸＬＬ－５０００型电子拉力试验机进行测试。按ＧＢ／Ｔ ５２８—９２测定，哑铃状试样，拉伸速度为２００ｍｍ／ｍｉｎ，温度为２０
℃。
３）热失重分析（ＴＧＡ）：采用德国耐驰公司的ＴＧ２０９Ｆ１型热失重分析仪，测量起始热分解温度和残碳率。温度范围：４０～９００℃，氮气气氛，升温速率为１０℃／ｍｉｎ。
４）碳层微观形貌分析（ＳＥＭ）：采用ＦＥＩ６５０场发射扫描电子显微镜。样品为烧蚀测试后样品表面形成的碳层。２ 结果与讨论
２．１ 力学性能
ＥＰＤＭ内绝热层材料，作为发动机壳体与固体推进剂之间的一层不可或缺的隔热、耐烧蚀绝热材料，应当具有良好的力学性能，能承受装药在贮存、运输及飞行过程中所引起的各种应力的作用，尤其还应当具有足够的伸长率以适应发动机增压及热循环应变的需要［９］。从测试结果来看，马来酸酐接枝三元乙丙橡胶的添加对ＥＰＤＭ复合材料的力学性能有明显影响，测试结果如表２所示。
表２ ＥＰＤＭ内绝热层材料的力学性能
Ｔａｂ．２ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＥＰＤＭ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ样品断裂伸长倍数拉伸强度／ＭＰａＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ－００ ３．５６ ３．９
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ－１０ １．４２ ７．７
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ－２０ ６．１８ ６．１
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ－３０ ７．８０ ６．７
随着ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ含量的增加，ＥＰＤＭ复合材料的拉伸强度均有明显提高，尤其当ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ质量分数为４．８％时，拉伸强度提高了近一倍，马来酸酐的存在很有可能促进了无机填料在ＥＰＤＭ中的分散，增加了橡胶交联密度，提高了材料抵抗拉伸破坏的极限能力；另一方面，当ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ质量分数为９．５％和１４．３％时，ＥＰＤＭ复合材料的断裂伸长率明显提高，尤其是含量为１４．３％时，断裂伸长７．８倍，提高了１．１９１倍。结合拉伸强度的改善，说明材料的综合力学性能均得到了极大提高。然而，当ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ质量分数为４．８％时，材料断裂伸长只有１．４２倍，降低了６０％，其原因可能是ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ添加量较少，马来酸酐分布间距较大，结合它对无机材料的吸引性，形成了无机材料分布不均匀现象，使得材料出现缺陷，导致材料断裂伸长率下降。
２．２ 烧蚀性能
烧蚀率是内绝热层最重要的性能指标之一，在高温、高燃气流环境作用下，样品的烧蚀率越小，说明样
品损失越少，耐烧蚀性能越好。采用氧－乙炔烧蚀测试仪，测定样品的烧蚀率。每个试样制作５个平行试件，取平均值，其测试结果如表３所示。
０８
第３６卷２０１９年增刊 郝会娟，等：马来酸酐接枝三元乙丙橡胶（ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ）对三元乙丙橡胶内绝热层材料性能的影响
表３ ＥＰＤＭ内绝热层材料的线烧蚀率
Ｔａｂ．３ Ｌｉｎｅａｒ ａｂｌａｔｉｖｅ ｒａｔｅ ｏｆ ＥＰＤＭ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
样品线烧蚀率／（ｍｍ·ｓ－１）质量烧蚀率／（ｇ·ｓ－１）
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ－００ ０．０９６ ５ ０．０４９ ７
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ－１０ ０．０７９ ２ ０．０４６ ９
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ－２０ ０．０８５ ７ ０．０４５ ９
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ－３０ ０．０７９ ９ ０．０４２ ８
表３中显示了ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ的含量对ＥＰＤＭ
内绝热层材料耐烧蚀性能的影响，从线烧蚀率来看，
虽然线烧蚀率并没有随着ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ含量的
变化而变化，但添加了ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ的ＥＰＤＭ内
绝热层材料的线烧蚀率均得到了提高。从质量烧蚀
率来看，随着ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ含量的增加，样品的
质量烧蚀率也越来越小。很明显，ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ
的加入对改善材料耐烧蚀性能有积极影响。
２．３ 热性能分析
４组样品的ＴＧＡ数据结果与曲线如表４和图
１所示，ＥＰＤＭ复合材料的分解可以分为３个阶段，
第１阶段２８０℃～３９０℃，第２阶段３９０℃～
４９０℃，第３阶段４９０℃～５７０℃。相较于ＥＰＤＭ－
ＭＡＨ－００样品，添加ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ后并未改变
ＥＰＤＭ ３个阶段的热分解特征，只是材料的初始分
解温度稍稍降低，热失重峰值温度稍稍提高，热失重
速率和残碳量并未有较大改善。这一现象与
ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ本身性质有关，ＴＧＡ曲线中，
ＥＰＤＭ－ＭＡＨ－００样品的第１阶段和第３阶段曲线
均在其他３组配方之上，也就是说达到分解温度时，
因有反应活性较强的酸酐官能团的存在而使得材料
在同等温度下分解过程稍稍提前，或者稍稍加快。
表４ ＥＰＤＭ内绝热层材料的ＴＧＡ结果
Ｔａｂ．４ ＴＧＡ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ＥＰＤＭ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
样品热失重５％
的温度／℃
热失重
峰值／℃
单位分钟内最大
热失重速率／％
残碳量／％
（９００℃）
ＥＰＤＭ－ＭＡＨ－００ ２７７．３ ４６４．９ １４．１９ ２５．５８ＥＰＤＭ－ＭＡＨ－１０ ２６６．２ ４６５．９ １３．８５ ２４．７９ＥＰＤＭ－ＭＡＨ－２０ ２６８．３ ４６７．３ １３．８４ ２４．５２ＥＰＤＭ－ＭＡＨ－３０ ２７２．１ ４６６．６ １４．３１ ２５．９３ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ ４２９．２ ４７３．３ ３３．７５ ０．９４
２．４ 烧蚀残碳形貌
作为固体火箭发动机不可或缺的一部分，为防
图１ ＥＰＤＭ内绝热层材料的ＴＧＡ曲线Ｆｉｇ．１ ＴＧＡ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ＥＰＤＭ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
止发动机外壳的温度过高而危及其结构完整性，内绝热层主要是通过烧蚀机理防止壳体达到危及其结构完整性的温度。内绝热层材料受热后发生化学或物理状态的改变及热降解等反应。这些反应大都是吸热过程，并常伴随有表面材料的损失，通过材料自身不断地分解、烧蚀，带走大部分热量，最后形成碳隔热层，碳表面还附有热解和碳化反应产生的小分子气体附面层。这些因素综合达到耐烧蚀效果，其中起主要作用的是成碳。致密的碳层可以阻止可燃物进入火焰区、氧进入高聚物内层而发生热氧化反应，从而使得进入火焰区的可燃物减少，燃烧仅局限于高聚物表层，同时也可以抑制烟雾的扩散形成良好的热保护层。所以，在烧蚀过程中，碳化层的形成与完整、碳化层的强度以及对基材的附着牢固程度等都是至关重要的［１０－１２］。４种配方的ＥＰＤＭ内绝热层材料烧蚀后碳层表面ＳＥＭ照片如图１所示。
根据上述烧测试结果可知：添加了ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ后ＥＰＤＭ内绝热层材料比未添加ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ的ＥＰＤＭ内绝热层材料的烧蚀率要低。从图２可以看出：相对未添加ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ的ＥＰＤＭ内绝热层材料，ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ的质量分数为９．５％和１４．３％的ＥＰＤＭ内绝热层材料的残碳平整，孔隙小，高温高压气流冲刷后的沟壑也明显变少变小，这说明ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ的存在对碳层的形成过程起到了积极作用，形成了更坚固的保护层。这道防护层将防止外界的热量与氧气进入基体内部，阻止内部热分解产生的可燃气体过度外泄。这
１
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年增刊
图２ ＥＰＤＭ内绝热层材料烧蚀碳层表面电镜照片Ｆｉｇ．２ ＳＥＭ ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ ｆｏｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｄｕｅ
ｏｆ ＥＰＤＭ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
是因ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ分散在ＥＰＤＭ橡胶基体内，样品在受热分解熔融成碳过程中，酸酐官能团的存在增强了聚合物与无机材料之间的相容性，增加了构成化学键的机会，减缓了材料熔融分解的速度，从而形成更加致密均匀的碳层，改善了ＥＰＤＭ内绝热层材料的耐烧蚀性能。另一方面，当ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ质量分数为４．８％时，虽有较低的线烧蚀率，但碳层表面出现了较大的空洞。由此可知：当ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ含量较少时，酸酐官能团分布不均，出现了耐烧蚀填料等无机材料分布不均匀现象，材料存在缺陷，这些缺陷在宏观上测厚仪测量不出来，但其质量烧蚀率高于后两组样品质量烧蚀率，这一结果与ＳＥＭ照片中的结果相一致。
３ 结论
引入ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ作为增容剂，分析ＥＰ－ＤＭ－ｇ－ＭＡＨ对ＥＰＤＭ内绝热层材料的机械性能和耐烧蚀性能的影响。力学性能测试结果表明：在ＥＰＤＭ内绝热层材料中，适量ＥＰＤＭ－ｇ－
ＭＡＨ可以极大程度地改善材料的力学性能；当选用质量分数为１４．３％的ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ时，ＥＰＤＭ内绝热层材料综合力学性能最好。烧蚀测试与碳层ＳＥＭ照片显示：由部分ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ替代ＥＰＤＭ可以改善ＥＰＤＭ内绝热层材料耐烧蚀性能；当ＥＰＤＭ－ｇ－ＭＡＨ质量分数为１４．３％时，优于其他２组配方。参考文献
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（本文编辑：姚麒伟）
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