功能助劑對2，4-二硝基苯甲醚基熔鑄炸藥性能的影響

蒙君煚，姜振明2，張向榮，周霖

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京100081；2.甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司，甘肅白銀730900）

功能助劑對2，4-二硝基苯甲醚基熔鑄炸藥性能的影響

蒙君煚1，姜振明2，張向榮1，周霖1

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京100081；2.甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司，甘肅白銀730900）

為了獲得適用于2，4-二硝基苯甲醚（DNAN）基熔鑄炸藥的功能助劑體系，改善其裝藥性能，通過黏附功確定功能助劑為吐溫60和醋酸丁酸纖維素（CAB）；采用巴西實驗、靜態(tài)剪切實驗、撞擊感度爆炸概率法實驗、摩擦感度爆炸概率法實驗、小隔板實驗和液體靜力稱量法，研究了功能助劑對DNAN 20/奧克托今80（HMX 80）熔鑄炸藥的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、撞擊感度、摩擦感度、沖擊波感度和裝藥密度的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明：功能助劑使得DNAN 20/HMX 80熔鑄炸藥在-40℃、20℃、60℃下的拉伸強(qiáng)度分別增大6.25%、10.3%、47.8%，剪切強(qiáng)度分別增大23.5%、27.8%、45.1%；摩擦感度、撞擊感度和沖擊波感度分別降低14.29%、4.76%、3.11%；相對密度提高0.2%.因此，功能助劑吐溫60和CAB可以用于改善DNAN基熔鑄炸藥的力學(xué)性能和安全性能。

兵器科學(xué)與技術(shù)；2，4-二硝基苯甲醚；功能助劑；黏附功；性能測試

0 引言

熔鑄炸藥是當(dāng)前世界各國在軍事上應(yīng)用最為廣泛的一類混合炸藥，約占軍用混合炸藥80%以上［1］。以TNT為基的熔鑄炸藥在世界范圍內(nèi)受到廣泛應(yīng)用，但由于其彈性差、韌性差、強(qiáng)度低、易脆，在受到機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力的作用時，很容易發(fā)生損傷、裂紋、脆裂等現(xiàn)象。同時，其安全性能也較差，感度高，容易殉爆，易被碎片和射流引爆、燃燒易轉(zhuǎn)為爆轟，所以，在生產(chǎn)和使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)安全問題［1］。進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，很多國家把提高武器系統(tǒng)在戰(zhàn)場上的生存能力和彈藥貯存、運(yùn)輸及勤務(wù)處理的安全，作為研制炸藥的重要任務(wù)，開始研究和發(fā)展不敏感炸藥，以替代安全性能較差的TNT基熔鑄炸藥。2，4-二硝基苯甲醚（DNAN）熔點94℃ ～96℃，密度1.55 g/cm3，作為一種熔鑄載體炸藥，是非常好的TNT替代品［2］。與TNT相比，盡管DNAN自身的能量較低，但由于其低粘性（約為TNT粘度的0.6倍）特點，可通過提高固相顆粒（如奧克托今（HMX）、黑索今（RDX））的含量達(dá)80%），使得DNAN基熔鑄炸藥的能量水平不低于TNT基熔鑄炸藥。與此同時，DNAN的感度遠(yuǎn)低于TNT，使得DNAN基熔鑄炸藥的整體安全性能優(yōu)于TNT基熔鑄炸藥［3-5］。2000年后，國內(nèi)外陸續(xù)研制出一系列以DNAN為基的熔鑄炸藥，如 IMX-101［6］、IMX-104［6］、PAX-21［7-9］等。2010年，IMX-101炸藥已成功用作大口徑榴彈的新型主裝藥，并率先在美國裝備部隊。

目前，DNAN的研究主要集中在物理性能、相容性、熱性能［3，9-12］以及DNAN基熔鑄炸藥配方的性能研究，如爆炸性能［13］、烤燃實驗［14］等，但有關(guān)功能助劑對DNAN基熔鑄炸藥的影響研究相對較少。在熔鑄炸藥中添加一定量的功能助劑主要是為了改善藥柱的力學(xué)性能和安全性能［15-18］。常用的功能助劑主要有表面活性劑和增塑劑等。一般地，表面活性劑可以增加炸藥顆粒的自由流動性和分散性、降低炸藥的感度，提高裝藥密度；增塑劑可以改善炸藥的機(jī)械力學(xué)性能，減少藥柱裂紋。本文以常用的表面活性劑（吐溫60、吐溫80）和增塑劑（醋酸丁酸纖維素（CAB）、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP））作為研究對象，根據(jù)粘附功大小確定適于DNAN基熔鑄炸藥的表面活性劑和增塑劑，同時研究了表面活性劑和增塑劑對DNAN基熔鑄炸藥的力學(xué)性能、機(jī)械感度、沖擊波感度和裝藥質(zhì)量的影響。

1 實驗部分

1.1實驗材料

工業(yè)HMX，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)，使用激光粒度分析儀（Mastersizer 3000）測試，其中位粒徑D50為18 μm；DNAN，湖北東方化工有限公司生產(chǎn)，密度為1.55 g/cm3；吐溫60、吐溫80，北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司生產(chǎn)，密度分別為1.044 g/mL 和1.08 g/mL（25℃）；CAB，上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)，密度為1.15～1.22 g/cm3；DBP，湖北瑞今化學(xué)有限公司生產(chǎn)，密度為1.048 g/mL（20℃）.

1.2測試藥柱制備

按實驗方案準(zhǔn)確稱取DNAN、CAB、吐溫60、HMX待用；向混合釜內(nèi)加入稱量好的DNAN，開動攪拌（轉(zhuǎn)速約40 r/min）使其熔化，控制DNAN熔化溫度110℃～115℃；待DNAN全部熔化后，依次緩慢加入 CAB、吐溫 60，攪拌熔解混合（轉(zhuǎn)速約500 r/min），在110℃～115℃范圍內(nèi)保溫熔解混合120～140 min；CAB、吐溫60熔解混合結(jié)束后，緩慢加入不同粒度HMX使其混合均勻，保溫攪拌混合10～15 min；保溫結(jié)束后，澆鑄不同尺寸藥柱。

1.3相容性測試

在專用試管中稱入單一炸藥試樣2.5 g，在另一專用試管中稱入混合試樣5 g，混合質(zhì)量比1∶1，在100℃下加熱40 h后，測真空試管內(nèi)的真空度變化，按公式R=Vc-（Va+Vb）計算放氣量R，其中Vc為混合試樣放氣量，Va為炸藥放氣量，Vb為接觸材料放氣量。按照國家軍用標(biāo)準(zhǔn) GJB772A—97方法501.2，評價組分相容性：R＜3.0 mL，相容；R為3.0～5.0 mL，中等反應(yīng)；R＞5.0 mL，不相容。

1.4接觸角測試

Giese等［19］、Van Oss等［20］提出用薄層毛細(xì)滲透技術(shù)測定液體在粉體上的接觸角，在此方法中，將粉體柱看作是毛細(xì)管束，液體通過毛細(xì)作用滲入粉體柱［21-23］。本文采用此方法測定HMX顆粒樣品的接觸角。

根據(jù)Washburn方程可知，若液體由于毛細(xì)作用滲入半徑為r的毛細(xì)管中，液體滲透過程中，壓縮粉體床中的氣體引起的壓力差的平方（Δp）2為時間t的函數(shù)，其方程為

式中：γ為液體的表面張力（mN/m）；β為與粉體床自身的性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)；η為液體的粘度（mPa·s）；θ為接觸角（°）。

作出（Δp）2-t關(guān)系圖，將得到一條近似的線性直線，求出斜率

由（2）式可知，測量接觸角θ時，必須知道η、γ、β.其中：β與粉體自身性質(zhì)有關(guān)，可由其他測試液得到。本實驗選取二碘甲烷為測試液，得到HMX顆粒的β值為134.4.DNAN熔點94℃ ～96℃，所以，在測量DNAN+功能助劑的表面張力與粘度時，必須對DNAN進(jìn)行加熱至融化。本文選取100℃為測試溫度，表面張力采用JK99C全自動張力儀測量，粘度采用DV-1尼潤數(shù)字式粘度計測量，接觸角采用JF99AX粉體接觸角測量儀測試。

為了保證接觸角盡可能準(zhǔn)確，在測量過程中必須保證裝填密度相同，這就要求裝填質(zhì)量和體積必須一致。每一種接觸角的測定至少有5次平行實驗，以消除滯后效應(yīng)。同時，為了去除HMX顆粒中的水分，首先HMX在室溫環(huán)境中風(fēng)干18 h，然后轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中在90℃干燥2 h.

1.5力學(xué)性能測試

采用巴西實驗法測量炸藥拉伸強(qiáng)度。巴西實驗是1959年Berenbaum等［24］發(fā)明的一種間接測量巖石、混凝土等脆性材料的拉伸應(yīng)力應(yīng)變的方法。隨著散斑干涉法、云紋干涉法和數(shù)字圖象處理等在巴西實驗中的應(yīng)用，進(jìn)入20世紀(jì)80年代，它被廣泛地用于測量炸藥的力學(xué)性能［25-27］。

如圖1所示為巴西實驗加載示意圖，根據(jù)牛頓應(yīng)力理論，材料中心點的拉伸強(qiáng)度由（3）式計算：

式中：σ為試樣拉伸強(qiáng)度（MPa）；δ為試件的厚度（m）；D為試樣直徑（m）；F為最大載荷（N）。

剪切強(qiáng)度按GJB772A—97方法415.1抗剪強(qiáng)度雙剪法進(jìn)行測試。將被測試樣置于材料試驗機(jī)的剪切夾具中，施加單軸向靜載荷使試樣受剪切力作用后斷裂破壞，記錄最大載荷值，按（4）式計算試樣的剪切強(qiáng)度

式中：p為試樣斷裂破壞時承受的最大剪切負(fù)荷（N）；A0為試樣橫截面積（m2）。

圖1　巴西實驗加載示意圖Fig.1 Loading of Brazilian disc test

力學(xué)性能測試采用CMT4000材料試驗機(jī)。巴西實驗每個試件的尺寸均為φ40 mm×10 mm藥片，如圖2所示。剪切實驗每個試件的尺寸均為φ20 mm×30 mm藥柱。每種實驗分別加工30個試件，其中配方A1、配方A2試樣各15個，每個配方在高溫（60℃）、常溫（20℃）、低溫（-40℃）各進(jìn)行5次實驗。對配方A1、配方A2的15個試樣的密度進(jìn)行了測量，平均密度分別為1.795 g/cm3、1.788 g/cm3.

圖2　巴西實驗樣品形狀Fig.2 Sample for Brazilian test

1.6機(jī)械感度測試

撞擊感度，按GJB772A—97方法601.1撞擊感度爆炸概率法進(jìn)行測試。采用WL21落錘儀，落錘質(zhì)量10 kg，落錘高度250 mm，每發(fā)試樣藥量50 mg，實驗4組，每組25發(fā)。

摩擦感度，按GJB772A—97方法602.1摩擦感度爆炸概率法進(jìn)行測試。采用VM21型摩擦感度儀，擺錘質(zhì)量1.5 kg，落錘擺角90°，每發(fā)試樣的藥量30 mg，表壓3.92 MPa，實驗4組，每組25發(fā)。

1.7沖擊波感度測試

沖擊波感度，按GJB772A—97方法605.1沖擊波感度卡片式隔板法進(jìn)行測試。實驗所用主發(fā)藥柱均采用 φ40 mm×40 mm特屈兒藥柱，藥柱密度1.57 g/cm3，被發(fā)藥柱采用尺寸為φ25 mm×76 mm，藥柱密度分別為1.795 g/cm3、1.788 g/cm3.隔板采用三醋酸纖維素酯片，每塊隔板厚0.185 mm.實驗裝置如圖3所示。實驗有效發(fā)數(shù)20發(fā)，通過見證板上的凹坑，來判定是否起爆。

圖3　沖擊波感度測試裝置圖Fig.3 Shock sensitivity test set-up

1.8密度測試

藥柱實際密度采用GJB772A—97方法401.2液體靜力稱量法測試，理論密度根據(jù)各組分密度計算得到。

2 結(jié)果與討論

2.1相容性

內(nèi)相容性測試結(jié)果如表1所示。通過內(nèi)相容性測試可知，DNAN或HMX與各種功能助劑之間放氣增量均小于3 mL，滿足相容性標(biāo)準(zhǔn)，說明其內(nèi)相容性良好。

2.2黏附功

黏附功W表示將單位面積的A相和B相界面分離為A相和B相兩個與氣相交界的表面時所需的功［28］。在潤濕性研究中，固液相黏附功可以表征潤濕程度的好壞，接觸體系的黏附功越大，對形成有效、高能的黏結(jié)結(jié)構(gòu)越有利。黏附功表達(dá)式為

表1　內(nèi)相容性測定值（100℃，保溫40 h）Tab.1 Measured values of internal compatibility （100℃，40 h）

根據(jù)（1）式可知，在測量接觸角時，必須得到液體的表面張力與粘度，因此對DNAN+功能助劑的表面張力與粘度進(jìn)行了測試。在本文中，每種功能助劑的比例為1%（質(zhì)量百分比），測試結(jié)果如表2所示。100℃時DNAN/HMX、（DNAN+功能助劑）/ HMX的接觸角測試結(jié)果如表3所示。

表2　表面張力和粘度（100℃）Tab.2 Surface tension and viscosity（100℃）

根據(jù)（5）式，黏附功的計算結(jié)果如表3所示。

表3　接觸角與黏附功（100℃）Tab.3 Contact angle and adhesion work（100℃）

由表3可知，在純DNAN中加入質(zhì)量百分比為1%的表面活性劑或增塑劑都可以使DNAN/HMX的黏附功變大。通過對比兩種表面活性劑吐溫60、吐溫80可知，在DNAN中加入質(zhì)量百分比為1%的吐溫60對黏附功的改變更大，更容易使DNAN包覆在HMX表面；對比兩種增塑劑DBP、CAB可知，質(zhì)量百分比為1%的CAB對黏附功的改變更大。因此，選擇吐溫60、CAB作為DNAN基熔鑄炸藥的功能助劑。

為了進(jìn)一步評價功能助劑對藥柱力學(xué)性能、機(jī)械感度、沖擊波感度、相對密度的影響，本文設(shè)計了兩個簡單的配方：配方A1為20%DNAN和80% HMX；配方A2為18%DNAN，1%吐溫60，1%CAB和80%HMX.

2.3力學(xué)性能

對配方A1、配方A2的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度進(jìn)行了測試，實驗結(jié)果如表4所示。

表4　拉伸強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度Tab.4 Tensile strength and shear strength

由表4可知，與沒有加入功能助劑的配方A1相比，配方A2在-40℃、20℃、60℃下的拉伸強(qiáng)度分別增大了6.25%、10.3%、47.8%；配方A2在-40℃、20℃、60℃下的剪切強(qiáng)度分別增大了 23.5%、27.8%、45.1%.

由表4亦可知，溫度對力學(xué)性能有較大的影響，隨著溫度的降低，拉伸強(qiáng)度逐漸增加，在-40℃時，拉伸強(qiáng)度值最高；在常溫時剪切強(qiáng)度值最大，溫度升高或降低，剪切強(qiáng)度都減小。

2.4機(jī)械感度

對配方A1、配方A2的撞擊感度和摩擦感度進(jìn)行了測試，實驗結(jié)果如表5所示。由表5可知，與配方A1相比，配方A2在摩擦感度與撞擊感度分別降低了14.29%、4.76%.

表5　機(jī)械感度Tab.5 Mechanical sensitivity

2.5沖擊波感度

分別對配方A1、配方A2的沖擊波感度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表6所示。由表6可知，與配方A1相比，配方A2的沖擊波感度降低了3.11%.

表6　沖擊波感度Tab.6 Shock sensitivity

2.6裝藥質(zhì)量

相對密度對熔鑄炸藥性能有顯著影響，相對密度越高則表示藥柱內(nèi)部的縮孔縮松、微小氣孔越少，從而可以提高炸藥的發(fā)射安全性。表7對比了配方A1、配方A2的相對密度。

表7　相對密度Tab.7 Relative density

圖4　藥柱內(nèi)部裂紋示意圖Fig.4 Internal crack of charge

由表7可知，由于含有功能助劑，配方A2的實際密度比配方A1有所降低，但是相對密度比配方A1提高了0.2%，表明藥柱內(nèi)部氣孔更少，藥柱裝藥質(zhì)量更好。

圖4對配方A1、配方A2藥柱內(nèi)部澆鑄質(zhì)量進(jìn)行了比較，兩個藥柱都是在室溫下冷卻凝固。由圖4可知，配方A2藥柱內(nèi)部裂紋明顯減少，說明功能助劑可以改善界面特性，減小藥柱內(nèi)部裂紋，提高藥柱的裝藥質(zhì)量。

2.7功能助劑對DNAN基熔鑄炸藥性能的影響機(jī)理

表面活性劑可以減小DNAN的表面張力，提高DNAN對HMX的潤濕作用。因此，在DNAN中加入吐溫60后，可以使HMX顆粒表面包覆一層表面活性劑，而且由于CAB與DNAN部分互溶，在多相體系間形成籠狀結(jié)構(gòu)，能夠提高DNAN基熔鑄炸藥的動態(tài)壓縮性能，因此提高了炸藥的安全性能。

CAB具有彈性模量大、塑性形變小、強(qiáng)度高的優(yōu)點，在材料中起到增韌增彈的作用［15］。由于DNAN為層狀結(jié)構(gòu)，分之間沒有氫鍵，只有較弱的范德華力作用，其基體強(qiáng)度和韌性較低，而CAB具有較高的剛性，因此，在DNAN中加入CAB時藥柱的力學(xué)性能得以改善。

3 結(jié)論

依據(jù)黏附功為判據(jù)，選擇吐溫60和CAB作為DNAN基熔鑄炸藥的功能助劑，并研究了這兩種功能助劑對DNAN基熔鑄炸藥力學(xué)性能、機(jī)械感度、沖擊波感度、相對密度的影響規(guī)律，得到的結(jié)論如下：

1）吐溫60和CAB與DNAN基熔鑄炸藥各組分內(nèi)相容性良好。

2）吐溫60和CAB可以有效提高DNAN基熔鑄炸藥的力學(xué)性能和安全性能。

3）功能助劑吐溫60與CAB適用于DNAN基熔鑄炸藥。

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Effect of Functional Agents on the Performance of 2，4-dinitroanisole-based Melt-cast Explosives

MENG Jun-jiong1，JIANG Zhen-ming2，ZHANG Xiang-rong1，ZHOU Lin1
（1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Gansu Yinguang Chemical Industry Group Co.，Ltd，Baiyin 730900，Gansu，China）

In order to obtain the system of functional agents for 2，4-dinitroanisole（DNAN）-based meltcast explosives and improve the performance of its charge，Tween 60 and cellulose acetate butyrate （CAB）are chosen as the preferred agents according to the calculated works of adhesion.The influences of functional agents on tensile strength，shear strength，impact sensitivity，friction sensitivity，shock sensitivity and charge density of DNAN 20/HMX 80 melt-cast explosive are analyzed by using Brazil test，static shear test，determination of friction sensitivity-explosion probability method，determination of impact sensitivity-explosion probability method，small scale gap test and hydrostatic weighing method.The results show that，when 1wt%Tween 60 and 1wt%CAB are added in DNAN 20/HMX 80 melt-cast explosive，its tensile strength is increased by 6.25%，10.3%and 47.8%at-40℃，20℃ and 60℃，respectively；its shear strength are increased by 23.5%，27.8%and 45.1%at-40℃，20℃ and 60℃，respectively；its friction sensitivity，impact sensitivity and shock sensitivity are decreased by14.29%，4.76%and 3.11%，respectively；and its relative density is increased by 0.2%.Therefore，Tween 60 and CAB can be used to improve the mechanical properties and safety performance of DNAN-based melt-cast explosives.

ordnance science and technology；2，4-dinitroanisole；functional agent；adhesion work；performance test

TG55

A

1000-1093（2016）03-0424-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.03.006

2015-06-24

國防“086”專項項目（00401030181）

蒙君煚（1987—），男，博士研究生。張向榮（1975—），男，講師。E-mail：zhangxr@bit.edu.cn