ε-HNIW基傳爆藥的制備與表征

陳 健,王晶禹,白春華,黃 浩

(1.北京理工大學機電工程學院,北京 100081;2.中北大學化工與環境學院,山西 太原 030051)

引 言

傳爆藥在爆炸序列中起著承上啟下,擴大爆轟的作用。通常研發高能鈍感傳爆藥的途徑是應用高能量密度材料(HEDM),如六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20/HNIW)、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、1-氧 -2,6-二氨基 -3,5-二硝基吡嗪 (LLM-105)等[1-2],然后選擇適當的包覆材料和工藝,對其進行包覆。經包覆后的炸藥感度低、成型性好,通常稱為造型粉。 HNIW作為迄今能量最高、密度最大的單質炸藥,廣受關注[3-6]。美國已研制出 HNIW基造型粉 PBXC-19,LX-19、及 PATHX-列等[7]。 而國內對 HNIW的包覆鈍感研究處在探索階段,未見以ε-HNIW為主體的傳爆藥研究報道。

本研究以ε-HNIW為主體炸藥,Estane為黏結劑,微量石墨作鈍感劑,用水懸浮分散包覆工藝制備出ε-HNIW造型粉,并對其主要性能進行了測試。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

ε-HNIW,北京理工大學;1,2-二氯乙烷,分析純,天津市東麗區天大化學試劑廠;Span80,天津市博迪化工有限公司;蒸餾水,自制。

HITACHIS-4700型冷場發射掃描電子顯微鏡,日本日立公司;DSC-131型差示掃描量熱分析儀,法國 Selaram公司;Nicolet-6700型傅里葉紅外光譜分析儀。

1.2 ε-HNIW造型粉的制備

先將少量 Span80加入水中降低水的表面張力,使ε-HNIW與水充分混合,然后將配制好的黏結劑溶液 (Estane/1,2-二氯乙烷溶液)加入到ε-HNIW-水懸浮液中,在溫度 70℃、真空度 0.03M Pa、攪拌速度 700r/min、加料速度 0.7m L/s條件下攪拌45min,通過加熱蒸發溶劑實現黏結劑的相變(液態→固態),使ε-HNIW晶體表面形成連續、均勻的聚合物黏結劑包覆層[8]。

1.3 性能測試

按GJB2178.2A采用12型落錘儀對包覆樣品進行撞擊感度測試。測試條件:落錘質量(5000±5)g,藥量 (35± 1)mg,溫度 15～ 35℃ ;按 GJB2178-94中602.1爆炸概率法進行摩擦感度測試,測試條件:裝藥量 20mg,擺角 80°,壓力 2.45MPa,環境溫度 20℃ ,兩組平行實驗,每組20發,置信水平95%。按測時法進行爆速測試。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜(FT-IR)分析

為考察黏結劑 Estane對ε-HNIW的包覆情況,用 FT-IR對包覆前后的ε-HNIW進行測試,結果如圖 1所示。

圖 1 Estane、ε-HNIW和 ε-HNIW/Estane造型粉的紅外光譜圖Fig.1 FT-IRspectra of Estane,ε-HNIW andε-HNIW/Estane mouding powder

由圖 1可看出,當波數為 3500～ 2800cm-1,包覆后的ε-HNIW復合粒子既有ε-HNIW的吸收峰,又有 Estane的吸收峰,沒有出現二者以外的新特征峰。 對于ε-HNIW,在 1200～ 1 050cm-1區域內有兩個單峰和一組雙峰構成的特征峰,在 3000cm-1和740cm-1處也為ε型的吸收峰,且只有ε-HNIW在740cm 附近有一組中等強度的四重峰,其他晶型均無此特征吸收峰[9]。從圖1可看出包覆前后試樣的吸收峰位置一致,為ε-晶型,表明包覆前后的ε-HNIW晶型無變化。

2.2 形貌表征

為進一步驗證 Estane對ε-HNIW的包覆作用,采用 S-4700冷場發射掃描電鏡對包覆前后ε-HNIW的形貌進行分析,結果如圖2所示。

圖2 包覆前后ε-HNIW的掃描電鏡照片Fig.2 SEM photographs ofε-HNIW before and after coating

由圖 2可知,包覆前ε-HNIW顆粒形狀呈多面體狀,棱角分明。與原料ε-HNIW相比,包覆后的ε-HNIW表面被一層角質狀物質覆蓋,其棱角在包覆作用下變得不明顯,顆粒間有很明顯的聚合物粘連,這些都表明包覆的有效性。

2.3 熱分解特性

采用DSC對包覆前后ε-HNIW樣品的熱分解特性進行測試。圖 3為 5、10、20℃ /min升溫速率下包覆前后ε-HNIW的 DSC曲線。

由圖 3可知,包覆后ε-HNIW的 DSC曲線出現兩重放熱峰,對比包覆前后ε-HNIW熱分解的單峰曲線可以看出,包覆后ε-HNIW的第一重峰隨著升溫速率的增大,分解峰溫升高并且活化能大幅度增加,且分解峰溫較ε-HNIW提前約 1～ 2℃。 5、10、20℃ /min升溫速率下的差熱分析結果見表 1。

根據表 1統計數據,用 Kissinger公式 (1)、Rogers公式 (2)和 Arrenhis公式(3)分別計算熱分解表觀活化能、指前因子和分解速率常數[10],結果見表 2。

表 1 ε-HNIW和ε-HNIW/Estane造型粉的 DSC測試結果Table 1 Data ofε-HNIW andε-HNIW/Estane mouding powder obtained by DSC

圖 3 ε-HNIW包覆前后的 DSC曲線Fig.3 DSCcurves ofε-HNIW before and after coating

式中: T m為炸藥的放熱峰溫,K;R為氣體常數(8.314 J? mol-1? K-1);U為升溫速率 K/min;A為指前因子,s-1;Ea為活化能 J/mol;k為分解速率常數 ,s-1。

表 2 ε-HNIW和ε-HNIW/Estane造型粉的熱分解動力學參數Table 2 Thermal decomposition kinetic parameters ofε-HNIW andε-HNIW/Estane moulding powder

由表 2可知,ε-HNIW/Estane造型粉的活化能比ε-HNIW低,分解速率常數在常溫 25℃和高溫250℃下比較接近,表明 Estane沒有參與ε-HNIW的分解反應。

2.4 相容性

以 GJB772A-97中 502.1方法[11]作為評定ε-HNIW/Estane造型粉物體系相容性的指標。

由表 1和表 2計算得ΔTm為 1.17,小于 2.0℃,ΔE/E a為 6.89%,小于 20%,由此可知 Estane和ε-HNIW的相容性好,為 1級。

2.5 機械感度

對包覆前后的ε-HNIW進行撞擊感度與摩擦感度測試,結果見表 3。

表 3 ε-HNIW包覆前后的感度測試結果Table 3 The results of raw and coatedε-HNIW obtained by sensitivity test

表3表明,與原料ε-HNIW相比,包覆后ε-HNIW的撞擊感度明顯降低,H50值從 17cm增至 44cm;摩擦感度也有所降低,爆炸概率從100%減小至68%,使用安全性增加。理論研究表明[12],當PBX受到沖擊擠壓時,黏結劑可以產生較大的彈性變形,對外界的沖擊力進行緩沖,形成熱點的幾率大大降低。當PBX受摩擦時,組分中的鈍感劑可有效阻止熱點處熱量的傳播,還可起到潤滑作用,減少炸藥顆粒之間的摩擦,有助于炸藥的范性流變和黏性流變,減少了提供給熱點點火的能量,從而使其機械感度降低。

2.6 爆速測試

將ε-HNIW造型粉壓制成5個Φ10mm×10mm的藥柱,實際壓藥密度為 1.893g/cm3,測試其爆速,將測試結果與其他3種傳爆藥爆速v進行比較,結果見表 4。

表4 幾種傳爆藥爆速的測試結果Table 4 Test results of detonation velocity for several booster explosives

表 4結果表明,ε-HNIW造型粉的壓藥密度最大,爆速也最大,表明ε-HNIW是一種高能傳爆藥。

3 結 論

(1)用水懸浮分散包覆工藝,制備出ε-HNIW/Estane造型粉。Estane對ε-HNIW晶體表面起到改性作用。

(2)ε-HNIW/Estane造型粉的機械感度比ε-HNIW有所降低,H50為 44cm,摩擦感度為 68%;當平均壓藥密度為 1.893g/cm3時,爆速為 8923m/s,是一種新型高能鈍感傳爆藥。

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