PBX的制备及包覆工艺研究

马婷婷, 苟瑞君

(中北大学化工与环境学院,山西 太原 030051)

PBX的制备及包覆工艺研究

马婷婷, 苟瑞君

(中北大学化工与环境学院,山西 太原 030051)

以六硝基六氮杂异伍兹烷为主体炸药,用水悬浮法制备了CL-20基压装高聚物黏结炸药(PBX)。通过正交实验优化了制备工艺,并对影响包覆效果的主要因素进行了研究。结果表明,影响包覆效果的因素大小次序为:温度>2次加入溶剂的量>加料速度>搅拌速度;最佳工艺为:实验温度60℃,2次加入溶剂的量与高聚物的质量比4∶1,加料速度0.86 mL/s,搅拌速度650 r/min;包覆后样品撞击感度的特性落高H50比原料CL-20提高了30 cm。

六硝基六氮杂异伍兹烷;高聚物黏结炸药;水悬浮法

引 言

六硝基六氮杂异伍兹烷(HN I W,俗称CL-20)是一种高能量密度材料,同其他硝胺类炸药一样,具有较高的机械感度。为了在高性能、低特征信号及低污染固体推进剂和高能炸药等方面更安全地使用,必须降低其感度。近年来,许多国家都对CL-20钝感研究非常重视[1]。资料表明[2],纯单质的CL-20较奥克托今(HMX)敏感,但用适当的添加剂(如GAP)良好聚合包覆后,其感度大有改善,与LX-14相似。长期以来,为了确保制备过程的安全性,在制备压装高聚物黏结炸药时主要采用水悬浮法。Kilgore等[3]用水悬浮法和黏结剂制备了HMX高聚物黏结炸药;Ver million等[4]用水悬浮法将RDX炸药制备成造型粉;Kenneth E Lee等发明了水悬浮法制备CL-20混合炸药的新方法;张景林等[5]用水悬浮法研制了聚奥-9 I型(JO-9 I)新型钝感传爆药。

本实验选用聚氨酯5702和聚醋酸乙烯胶(白乳胶)作为黏结剂,石蜡作为钝感剂,与乙酸乙酯配制成黏结溶液,以CL-20为主体炸药,用水悬浮法制备CL-20高聚物黏结炸药。分析了温度、加料速度、搅拌速度和2次加入黏结剂溶剂的量等工艺条件对包覆效果的影响,并对其结果进行了相应的表征。

1 实验部分

1.1 实验仪器和试剂

水浴恒温装置;电动搅拌器;HL-2B恒流泵;电子天平;真空抽滤装置;撞击感度仪。

六硝基六氮杂异伍兹烷、聚醋酸乙烯胶、石蜡、乙酸乙酯等。

1.2 实验原理和方法

利用表面化学相关技术,依靠黏结剂的相变以及分子间范德华力的物理作用,使炸药晶体表面形成连续、均匀的聚合物黏结剂包覆层[6]。

在装有搅拌、加热和蒸馏装置的混合容器中,加入水和单质高能炸药,搅拌形成水浆液,加热。将配制好的黏结剂、钝感剂(复合体系)溶液按一定流速滴加到搅拌着的适宜温度的水浆中,边加入溶液边蒸发溶剂。当全部溶液滴加完毕后,再升温并减压,以便去掉残余溶剂。将悬浮液冷却,进行洗涤、过滤、干燥和筛选,制得表面光滑、具有一定粒度的样品。其工艺流程如第14页图1所示。

图1 工艺流程图

1.3 撞击感度测试

按照GJB772A-97方法601.2特性落高法进行撞击感度测试。测试条件:落锤质量(5 000±5)g,每发药量(30±1)mg,温度10℃～35℃,相对湿度不大于75%。

2 结果与讨论

2.1 撞击感度的测试结果

实验研究表明,温度、搅拌速度、加料速度和2次加入溶剂的量是影响CL-20包覆效果的主要因素。为了优化工艺条件,确定正交实验的因素和水平如表1所示。根据表1列出的正交实验条件,对配方进行正交实验,得出正交实验结果,见表2。

表1 正交实验的因素和水平

表2 正交实验结果

由表2中R值可知,影响造粒工艺因素的大小次序为:温度>2次加入溶剂的量>加料速度>搅拌速度。较佳的工艺条件为A2B2C2D2,即温度60℃、搅拌速度650 r/min、加料速度0.86 mL/s、2次加入溶剂的量与高聚物的质量比为4∶1。在此工艺条件下,包覆的CL-20撞击感度的特性落高H50为46 cm,比原料CL-20撞击感度的特性落高H50提高了30 cm。

2.2 工艺条件对造粒工艺的影响

2.2.1 温度对造粒工艺的影响

在搅拌速度650 r/min、2次加入溶剂的量与加入高聚物的质量比为4∶1、加料速度0.86 mL/s时,分别在温度58℃、60℃、62℃、64℃下进行实验。温度对造型粉粒度的影响如图2所示。

图2 温度对CL-20造型粉平均粒径的影响

温度的高低决定了溶剂蒸发速率的大小。由图2可看出,温度越高,造型粉粒度越小。这是因为,温度过高,使得溶剂不经过扩散到水中就气化排出,造成高聚物不能充分润湿主体炸药颗粒表面,形成不完全的包覆,使CL-20造型粉颗粒过细;反之,温度过低,溶剂扩散到水中的速度太慢,炸药颗粒不但容易黏结成团,而且在包覆形成颗粒后进行强驱时易在颗粒表面形成气孔,使CL-20造型粉颗粒过大且表面不光滑。此外,温度是影响CL-20晶型转变的主要因素。资料表明,通过采用FT-IR对包覆前、后CL-20样品进行测试。结果表明,70℃时CL-20包覆前、后试样的吸收峰位置一致,CL-20晶型未转变。本实验选择乙酸乙酯为溶剂,温度控制在60℃。在此环境下包覆有利于粒度的控制。

2.2.2 2次加入溶剂的量对造粒工艺的影响

在温度60℃、搅拌速度650 r/min、加料速度0.86 mL/s条件下,研究了2次加入溶剂的量对产品感度的影响,结果如第15页表3所示。

从表3可看出,2次加入溶剂量的不同,导致造型粉的撞击感度和摩擦感度不同。当2次加入溶剂的量与高聚物的质量比为6∶1时,撞击感度提高到51 cm,摩擦感度为45%。摩擦感度变化不明显是因为,大部分溶剂会再次将颗粒表面包覆的黏结剂溶解,使炸药表面包覆的高聚物有较大的黏性,在相互碰撞的情况下黏结成表面松软的大颗粒。此时,撞击感度虽有所提高,但摩擦感度仍没有达到预期效果。同时,2次加入溶剂的量也不宜过低,以免影响包覆效果及感度。当2次加入溶剂的量与高聚物的质量比控制在4∶1时,所得产品的包覆效果良好,安全性能最好。

表3 2次加入溶剂的量对产品感度的影响

2.2.3 加料速度对造粒工艺的影响

在温度为60℃、搅拌速度650 r/min、2次加入溶剂的量与高聚物的质量比为4∶1时,考察了滴加速度对撞击感度的影响,结果见表4。

表4 加料速度对撞击感度的影响

从表4可以看出,加料速度过快,包覆的产品安全性不稳定,也就是所造出颗粒的包覆效果不好,或者形成不完全的包覆。多次实验研究显示,在一定的搅拌速度和温度下,加料速度过快,所形成的颗粒有大有小,且出现黏结成团的现象。这是因为,在一定的搅拌速度和温度下,溶剂以一定的速度扩散到水中,然后由水中蒸发出去。如果加料速度过快,在水中存在的溶剂就会过多,使得它足以再溶解已经包覆在产品表面上的高聚物,使颗粒之间发生粘连,形成较大颗粒。本实验确定加料速度为0.86 mL/s。此时,包覆效果良好,安全性能最好。

2.2.4 搅拌速度对造粒工艺的影响

在温度60℃、2次加入溶剂的量与高聚物的质量比为4∶1、加料速度0.86 mL/s下,考察了不同搅拌速度对造型粉粒度的影响(如图3所示)。

由图3可以看出,搅拌速度对颗粒的形成与形成颗粒的大小有决定性的影响。当搅拌速度为550 r/min时,包覆后产品[图3a)]颗粒较大且粗细不均匀,并且有少量的炸药和黏结剂混合物黏附在容器内壁和搅拌棒上。这是因为,搅拌速度过慢,造型粉颗粒之间没有足够的流动速度,导致颗粒之间黏结成团;当搅拌速度为750 r/min时,包覆后产品[图3c)]颗粒过细,容器内有粉末状炸药悬浮在液体表面。这是因为,搅拌速度过快,导致相互作用力过大,将刚形成表面包覆的颗粒打碎,从而达不到包覆的目的;当搅拌速度为650 r/min时,包覆后产品[图3b)]颗粒均匀,容器内搅拌液较澄清,容器内壁几乎没有粉末或团聚物存在。因此,搅拌速度控制在650 r/min较合适。

图3 不同搅拌速度下包覆后产品对比图

3 结论

1)CL-20压装高聚物黏结炸药的最佳工艺为:实验温度60℃,2次加入溶剂的量与加入的高聚物的质量比为4∶1,加料速度0.86 mL/s,搅拌速度650 r/min。在此工艺条件下,包覆的CL-20撞击感度的特性落高H50比原CL-20撞击感度提高了30 cm。

2)单因素实验结果表明,水悬浮法包覆CL-20的过程中,实验温度和搅拌速度对造型粉粒度有较明显影响,2次加入溶剂的量和加料速度对包覆层及感度有显著的影响。

[1]兵器工业情报站.国外高能量密度材料研究最新进展[M].北京:兵器工业情报所,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]冯国田.我国传爆药的研究简介[J].火工品,1999 (2):49-51.

[6]陈鲁英,赵省向,杨培进,等.CL-20炸药的包覆顿感研究[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

马婷婷,女,1985年出生,中北大学在读硕士研究生。研究方向:火炸药安全及技术。