ET PE 發射藥表觀黏度的實驗研究

魏學濤,劉 毅,袁忍讓,武冠男

(西安近代化學研究所,陜西 西安 710065)

引 言

含能熱塑性彈性體(ETPE)發射藥具有高能低燒蝕、低敏感的優良特性,世界各國都將ETPE 發射藥作為取代常規NC 發射藥的重要技術途徑。研究表明[1-2],采用ET PE 作為發射藥黏合劑,具有充填大量固體填料的能力,即在固體質量分數高達70%～80%的情況下,ETPE 發射藥仍然具有良好的力學性能。由于ETPE 黏結劑的工藝特性與傳統的NC 黏結劑不同,后者僅有塑性,而前者既有塑性又有彈性,而且ETPE 發射藥通常含有大量的高能固體添加物(質量分數一般高于60%),其工藝難點在于如何使固體添加物在ETPE 材料中混合均勻以及在適宜的壓力下成型[3-4]。發射藥藥料的表觀黏度及其與剪切應力的關系是壓伸成型的理論基礎,關于發射藥藥料表觀黏度的測試以及規律性研究,前人已經做出了大量工作,如戴健吾等[5]利用霍普勒稠度計對雙基藥的流變性進行了初步研究,給出了雙基藥的流動曲線與流動指數。周建東等人[6]利用毛細管法測試了RDX 質量分數為0 ～46.9%時對NC-DBP 體系流變性能的影響;潘新洲等人[7]利用ARES 平板流變儀研究了RDX/PEG 懸浮液的流變性能。但是關于固體組分質量分數超過50%的三基藥,尤其是ETPE發射藥的表觀黏度研究報道較少,其成型溫度、成型壓力等工藝條件的確定要靠大量實驗。

本實驗利用A RES 應變式流變儀研究了不同配方組成E TPE 發射藥的表觀黏度,并提出了表觀黏度的調控方法,以期為ETPE 發射藥的工藝研究提供參考。

1 實 驗

1.1 儀 器

DU65 型電熱油浴恒溫箱,上海實驗儀器廠;ARES 應變流變儀,美國TA 儀器公司。

1.2 樣品的制備

設計了4 種ETPE 發射藥配方,見表1。黏結劑采用AM MO/BAM O 共聚物,AM M O 軟段與BAMO 硬段的摩爾比為7 ∶3;含能填料采用5 類超細RDX。

表1 ETPE 發射藥配方Table 1 Formulations of several ETPE propellants

利用捏合、壓延的方法制備實驗樣品,并裁剪成長40mm、寬20 mm 、厚度為5 mm 的實驗樣品;在烘箱中依次于85、90 和95 ℃保溫2 h,然后利用ARES 應變流變儀進行流變性能測試。

2 結果與討論

2.1 溫度對ETPE表觀黏度的影響

為了考察實驗溫度對ETPE 發射藥流變性能的影響,測試了ETPE1006 樣品在85、90 和95 ℃3個溫度條件下的表觀黏度(η)與剪切應力(ζ)的變化曲線,結果見圖1。

圖1 不同溫度下ETPE1006 發射藥表觀黏度-剪切應力的關系曲線Fig.1 Apparent viscosity vs shearing stress relationships of ETPE propellant at different temperatures

由圖1可見,隨著溫度的增加,ET PE 發射藥的表觀黏度減小,在90 ℃以下時,溫度對表觀黏度的影響不明顯;當溫度大于90 ℃時,溫度對表觀黏度的影響較大。因此,ETPE1006 配方的加工溫度應大于90 ℃,以90 ～95 ℃為宜。

2.2 黏結劑的相對分子質量對表觀黏度的影響

BAM O/AMM O 黏結劑由預聚體軟段AM MO和硬段BAM O 組成,軟段和硬段的摩爾比不但影響其本身的黏度,更影響其力學性能。結果表明,當硬段與軟段的摩爾比為3 ∶7 時,黏結劑與發射藥的力學性能最佳。

為了研究BAM O/AMM O 共聚物相對分子質量對E TPE 發射藥表觀黏度的影響,測試了ET PE1006 和ET PE1008 配方在95 ℃時的流變性能曲線,見圖2。

圖2 黏結劑的相對分子質量對ETPE發射藥黏度的影響Fig.2 Effect of binder molecular mass on the apparent viscosity of ETPE propellant

一般認為,在剪切速率不寬的范圍內,發射藥以及聚合物的流變規律屬于假塑性流體,按照表觀黏度與剪切應力的指數規律對圖2 的流變曲線進行數值處理,得到ETPE1006 和ET PE1008 配方的流變方程分別:

式中:η為物料的表觀黏度,Pa·s;ζ為物料的剪切應力,Pa。

由圖2可見,隨著熱塑性彈性體BAM O/AMMO 共聚物相對分子質量的增大,ETPE 發射藥的表觀黏度隨之增大。這是由于共聚物相對分子質量越大,整個大分子鏈的流動阻力越大,運動更困難,大分子間的內摩擦增大,造成表觀黏度升高,流動性差。就兩種配方對比而言,BAMO/AMMO 共聚物相對分子質量大的物料隨剪切應力的增加,其表觀黏度降低得更快一些,也就是說對剪切應力更敏感。

2.3 固體添加劑RDX 含量對ETPE 發射藥表觀黏度的影響

為了考察固體添加劑RDX 含量對E TPE 發射藥表觀黏度的影響,在實驗溫度90 ℃時,測試了相同ETPE 相對分子質量和RDX 規格的一組樣品ETPE09-05 和ETPE1008表觀黏度隨剪切應力的變化曲線,結果見圖3。

圖3 RDX 含量對ETPE 發射藥黏度的影響Fig.3 Effect of RDX content on the apparent viscosity of ETPE propellant

由圖3可見,隨著固體添加劑RDX 含量的增加,發射藥的表觀黏度大幅度上升。另外,固體質量分數高的配方,其物料表觀黏度隨剪切應力的變化更為敏感。這與雙基藥、復合火藥中固體顆粒的存在對表觀黏度的影響不同。雙基藥中固體顆粒一般是彈道改良劑,含量很少(質量分數一般小于3%),鑲嵌在硝化棉大分子之間,降低了硝化棉大分子之間的作用力,有利于降低表觀黏度[8]。復合火藥中固體質量分數小于30%時,黏度隨固體含量增加而增加,但當固體質量分數在30%～45%時,混合體系的黏度隨固體含量增加而減小,原因是固體添加物改變了聚合物從黏彈性流動轉變為塑性流動[9];而E TPE 發射藥固體顆粒的質量分數一般大于70%,混合體系表現為剛性大,因此固體添加物含量進一步增加時,黏度隨之增加。

2.4 固體添加劑的表面特性對ETPE 發射藥表觀黏度的影響

降低表觀黏度是ETPE 發射藥工藝研究的主要任務。一般可以采用對RDX 進行表面處理以改善其表面特性,如加入鍵合劑可使RDX 與黏結劑之間形成分子橋[9];或加入表面活性劑可以降低RDX 的靜電感度[10]。本研究利用一種高分子鈍感劑對RDX表面處理,以研究RDX表面特性的變化對E TPE 發射藥表觀黏度的影響,實驗結果見圖4。

圖4 含不同RDX 的ETPE 發射藥的表觀黏度-剪切應力曲線Fig.4 Apparent viscosity-shearing stress curves of ETPE propellant w ith different RDX

對圖4 進行數據處理,可以得到E TPE1009 發射藥表觀黏度與剪切應力的關系式:

由圖4可見,用降感劑對RDX表面處理后發射藥的表觀黏度降幅很大。由式(2)和式(3)可見,用高分子鈍感材料對RDX表面處理后,在剪切應力大幅減小的前提下,表觀黏度減小了一個數量級。

一般情況下,固體添加劑RDX 經過表面處理后,其機械感度會下降。用質量分數為6%的表面處理劑處理RDX 后,其機械感度測試結果見表2。

表2 表面處理后RDX 機械感度的測試結果Table 2 Experiment result of f riction and impact sensitivity for IMRDX

由表2可見,經過表面處理后,RDX 的機械感度大大降低,有利于提高RDX 加料和混合過程中的安全性。用鈍感材料對RDX 進行表面處理后,其機械感度降低,這是由于RDX表面被惰性材料包覆后,降低了RDX 的動態應力,使得RDX 晶體更容易變形,另外也改善了RDX表面性能,降低撞擊感度。

由于表面處理材料為不含能的惰性材料,其用量對感度測試結果影響較大,因此在滿足感度要求的前提下可減少RDX表面處理材料的用量,以減少對ETPE 發射藥能量的影響。

3 結 論

(1)ETPE1006 加工溫度 應在90 ～95 ℃,以此可調節配方的黏度。

(2)隨著熱塑性彈性體BAMO/AM MO 共聚物相對分子質量的增大,ETPE 發射藥的表觀黏度也隨之增大,對剪切應力更敏感。

(3)E TPE 發射藥的固體顆粒質量分數一般大于60%,進一步增加時,黏度隨之增加。

(4)利用降感材料對固體添加劑RDX 的表面進行處理是調節ETPE 發射藥表觀黏度最好方法,不但可以顯著降低表觀黏度,而且有助于提高ETPE 發射藥的加工安全性。

[1]鄭林,胡章斌.關于熱塑性彈性體發射藥的發展概況[J].火炸藥學報,2007,30(6):64-71.

ZH ENG Lin,H U Zhang-bin.Progress in the thermoplastic elastomer propellant at abroad[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2007,30(6):64-71.

[2]何利民,蕭忠良,張續柱.國外火藥含能黏結劑研究動態[J].含能材料,2003,11(2):99-102.

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[4]彭翠枝,程普生,鄭斌.國外先進固體發射藥及裝藥技術研究概況[C]∥2006年火炸藥新技術研討會論文集.北京:總裝火炸藥技術專業組,2006:459-462.

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[7]潘新洲,鄭劍,郭翔.RDX/PEG 懸浮液的流變性能[J].火炸藥學報,2007,30(2):5-7.PAN Xin-zhou,ZHENG Jian,GUO Xiang.Rheological behavior of RDX/PEG suspension[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2007,30(2):5-7.

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