PBX的制備及包覆工藝研究

馬婷婷, 茍瑞君

(中北大學化工與環境學院,山西 太原 030051)

PBX的制備及包覆工藝研究

馬婷婷, 茍瑞君

(中北大學化工與環境學院,山西 太原 030051)

以六硝基六氮雜異伍茲烷為主體炸藥,用水懸浮法制備了CL-20基壓裝高聚物黏結炸藥(PBX)。通過正交實驗優化了制備工藝,并對影響包覆效果的主要因素進行了研究。結果表明,影響包覆效果的因素大小次序為:溫度>2次加入溶劑的量>加料速度>攪拌速度;最佳工藝為:實驗溫度60℃,2次加入溶劑的量與高聚物的質量比4∶1,加料速度0.86 mL/s,攪拌速度650 r/min;包覆后樣品撞擊感度的特性落高H50比原料CL-20提高了30 cm。

六硝基六氮雜異伍茲烷;高聚物黏結炸藥;水懸浮法

引 言

六硝基六氮雜異伍茲烷(HN I W,俗稱CL-20)是一種高能量密度材料,同其他硝胺類炸藥一樣,具有較高的機械感度。為了在高性能、低特征信號及低污染固體推進劑和高能炸藥等方面更安全地使用,必須降低其感度。近年來,許多國家都對CL-20鈍感研究非常重視[1]。資料表明[2],純單質的CL-20較奧克托今(HMX)敏感,但用適當的添加劑(如GAP)良好聚合包覆后,其感度大有改善,與LX-14相似。長期以來,為了確保制備過程的安全性,在制備壓裝高聚物黏結炸藥時主要采用水懸浮法。Kilgore等[3]用水懸浮法和黏結劑制備了HMX高聚物黏結炸藥;Ver million等[4]用水懸浮法將RDX炸藥制備成造型粉;Kenneth E Lee等發明了水懸浮法制備CL-20混合炸藥的新方法;張景林等[5]用水懸浮法研制了聚奧-9 I型(JO-9 I)新型鈍感傳爆藥。

本實驗選用聚氨酯5702和聚醋酸乙烯膠(白乳膠)作為黏結劑,石蠟作為鈍感劑,與乙酸乙酯配制成黏結溶液,以CL-20為主體炸藥,用水懸浮法制備CL-20高聚物黏結炸藥。分析了溫度、加料速度、攪拌速度和2次加入黏結劑溶劑的量等工藝條件對包覆效果的影響,并對其結果進行了相應的表征。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器和試劑

水浴恒溫裝置;電動攪拌器;HL-2B恒流泵;電子天平;真空抽濾裝置;撞擊感度儀。

六硝基六氮雜異伍茲烷、聚醋酸乙烯膠、石蠟、乙酸乙酯等。

1.2 實驗原理和方法

利用表面化學相關技術,依靠黏結劑的相變以及分子間范德華力的物理作用,使炸藥晶體表面形成連續、均勻的聚合物黏結劑包覆層[6]。

在裝有攪拌、加熱和蒸餾裝置的混合容器中,加入水和單質高能炸藥,攪拌形成水漿液,加熱。將配制好的黏結劑、鈍感劑(復合體系)溶液按一定流速滴加到攪拌著的適宜溫度的水漿中,邊加入溶液邊蒸發溶劑。當全部溶液滴加完畢后,再升溫并減壓,以便去掉殘余溶劑。將懸浮液冷卻,進行洗滌、過濾、干燥和篩選,制得表面光滑、具有一定粒度的樣品。其工藝流程如第14頁圖1所示。

圖1 工藝流程圖

1.3 撞擊感度測試

按照GJB772A-97方法601.2特性落高法進行撞擊感度測試。測試條件:落錘質量(5 000±5)g,每發藥量(30±1)mg,溫度10℃～35℃,相對濕度不大于75%。

2 結果與討論

2.1 撞擊感度的測試結果

實驗研究表明,溫度、攪拌速度、加料速度和2次加入溶劑的量是影響CL-20包覆效果的主要因素。為了優化工藝條件,確定正交實驗的因素和水平如表1所示。根據表1列出的正交實驗條件,對配方進行正交實驗,得出正交實驗結果,見表2。

表1 正交實驗的因素和水平

表2 正交實驗結果

由表2中R值可知,影響造粒工藝因素的大小次序為:溫度>2次加入溶劑的量>加料速度>攪拌速度。較佳的工藝條件為A2B2C2D2,即溫度60℃、攪拌速度650 r/min、加料速度0.86 mL/s、2次加入溶劑的量與高聚物的質量比為4∶1。在此工藝條件下,包覆的CL-20撞擊感度的特性落高H50為46 cm,比原料CL-20撞擊感度的特性落高H50提高了30 cm。

2.2 工藝條件對造粒工藝的影響

2.2.1 溫度對造粒工藝的影響

在攪拌速度650 r/min、2次加入溶劑的量與加入高聚物的質量比為4∶1、加料速度0.86 mL/s時,分別在溫度58℃、60℃、62℃、64℃下進行實驗。溫度對造型粉粒度的影響如圖2所示。

圖2 溫度對CL-20造型粉平均粒徑的影響

溫度的高低決定了溶劑蒸發速率的大小。由圖2可看出,溫度越高,造型粉粒度越小。這是因為,溫度過高,使得溶劑不經過擴散到水中就氣化排出,造成高聚物不能充分潤濕主體炸藥顆粒表面,形成不完全的包覆,使CL-20造型粉顆粒過細;反之,溫度過低,溶劑擴散到水中的速度太慢,炸藥顆粒不但容易黏結成團,而且在包覆形成顆粒后進行強驅時易在顆粒表面形成氣孔,使CL-20造型粉顆粒過大且表面不光滑。此外,溫度是影響CL-20晶型轉變的主要因素。資料表明,通過采用FT-IR對包覆前、后CL-20樣品進行測試。結果表明,70℃時CL-20包覆前、后試樣的吸收峰位置一致,CL-20晶型未轉變。本實驗選擇乙酸乙酯為溶劑,溫度控制在60℃。在此環境下包覆有利于粒度的控制。

2.2.2 2次加入溶劑的量對造粒工藝的影響

在溫度60℃、攪拌速度650 r/min、加料速度0.86 mL/s條件下,研究了2次加入溶劑的量對產品感度的影響,結果如第15頁表3所示。

從表3可看出,2次加入溶劑量的不同,導致造型粉的撞擊感度和摩擦感度不同。當2次加入溶劑的量與高聚物的質量比為6∶1時,撞擊感度提高到51 cm,摩擦感度為45%。摩擦感度變化不明顯是因為,大部分溶劑會再次將顆粒表面包覆的黏結劑溶解,使炸藥表面包覆的高聚物有較大的黏性,在相互碰撞的情況下黏結成表面松軟的大顆粒。此時,撞擊感度雖有所提高,但摩擦感度仍沒有達到預期效果。同時,2次加入溶劑的量也不宜過低,以免影響包覆效果及感度。當2次加入溶劑的量與高聚物的質量比控制在4∶1時,所得產品的包覆效果良好,安全性能最好。

表3 2次加入溶劑的量對產品感度的影響

2.2.3 加料速度對造粒工藝的影響

在溫度為60℃、攪拌速度650 r/min、2次加入溶劑的量與高聚物的質量比為4∶1時,考察了滴加速度對撞擊感度的影響,結果見表4。

表4 加料速度對撞擊感度的影響

從表4可以看出,加料速度過快,包覆的產品安全性不穩定,也就是所造出顆粒的包覆效果不好,或者形成不完全的包覆。多次實驗研究顯示,在一定的攪拌速度和溫度下,加料速度過快,所形成的顆粒有大有小,且出現黏結成團的現象。這是因為,在一定的攪拌速度和溫度下,溶劑以一定的速度擴散到水中,然后由水中蒸發出去。如果加料速度過快,在水中存在的溶劑就會過多,使得它足以再溶解已經包覆在產品表面上的高聚物,使顆粒之間發生粘連,形成較大顆粒。本實驗確定加料速度為0.86 mL/s。此時,包覆效果良好,安全性能最好。

2.2.4 攪拌速度對造粒工藝的影響

在溫度60℃、2次加入溶劑的量與高聚物的質量比為4∶1、加料速度0.86 mL/s下,考察了不同攪拌速度對造型粉粒度的影響(如圖3所示)。

由圖3可以看出,攪拌速度對顆粒的形成與形成顆粒的大小有決定性的影響。當攪拌速度為550 r/min時,包覆后產品[圖3a)]顆粒較大且粗細不均勻,并且有少量的炸藥和黏結劑混合物黏附在容器內壁和攪拌棒上。這是因為,攪拌速度過慢,造型粉顆粒之間沒有足夠的流動速度,導致顆粒之間黏結成團;當攪拌速度為750 r/min時,包覆后產品[圖3c)]顆粒過細,容器內有粉末狀炸藥懸浮在液體表面。這是因為,攪拌速度過快,導致相互作用力過大,將剛形成表面包覆的顆粒打碎,從而達不到包覆的目的;當攪拌速度為650 r/min時,包覆后產品[圖3b)]顆粒均勻,容器內攪拌液較澄清,容器內壁幾乎沒有粉末或團聚物存在。因此,攪拌速度控制在650 r/min較合適。

圖3 不同攪拌速度下包覆后產品對比圖

3 結論

1)CL-20壓裝高聚物黏結炸藥的最佳工藝為:實驗溫度60℃,2次加入溶劑的量與加入的高聚物的質量比為4∶1,加料速度0.86 mL/s,攪拌速度650 r/min。在此工藝條件下,包覆的CL-20撞擊感度的特性落高H50比原CL-20撞擊感度提高了30 cm。

2)單因素實驗結果表明,水懸浮法包覆CL-20的過程中,實驗溫度和攪拌速度對造型粉粒度有較明顯影響,2次加入溶劑的量和加料速度對包覆層及感度有顯著的影響。

[1]兵器工業情報站.國外高能量密度材料研究最新進展[M].北京:兵器工業情報所,1997.

[2]Simpson R L,Urtiew P A,Vrnellas D L,et al.CL-20 performance exceeds that of HMX and its sensitivity is moderate[J].Prop Explos Pyrotech,1997,22:249.

[3]Kilgore W R,Di Maggio J J.Plastic bonded HMX:its preparation by the sourry method,20-T-2[R].[S.1]: Holston Defense Corporation,1995.

[4]Ver million J L,Dubberly R C.Plastic bonded RDX:its preparation by the slurry method,20-T-16[R].[S.1]: Holston Defense Corporation,1953.

[5]馮國田.我國傳爆藥的研究簡介[J].火工品,1999 (2):49-51.

[6]陳魯英,趙省向,楊培進,等.CL-20炸藥的包覆頓感研究[J].含能材料,2006,14(3):171-173.

Abstract:In order to obtain high energy low sensitivity explosive,CL20 was used as the base explosive to make pressed PBX bywater slurry method.The orthogonal experi ment for optimizing processwas designed,and factors affecting the coating effectwere investigated through single factor tests.The result indicates that the order of influencing factors for coating effect is temperature,second addition of the solvent,the adding rate,agitating rate.The optimized technical condition is experiment temperature of 60℃,second addition of the solvent to the polymers of 4∶1,the adding rate of 0.86 mL/s and the agitating rate of 650 r/min.The characteristic heightH50of the hit sensitivity of coated samples is higher than that of CL-20 by 30 cm.

Key words:hexanitrohexaazaisowurtzitane;polymer bonding explosives;water slurrymethod

Preparation and coating technology of pressed PBX

MA Ting-ting,GOU Rui-jun
(College of Chem ical and Environment Engineeri ng,North Un icersity of China,Ta iyuan Shanxi030051,Chi na)

TQ560.7

A

1004-7050(2010)04-0013-04

2010-05-13

馬婷婷,女,1985年出生,中北大學在讀碩士研究生。研究方向:火炸藥安全及技術。