PNMA 在HMX／Al－CMDB推进剂中的应用

刘所恩，陈锦芳，潘 葆，赵美玲，宫慧心，张国辉，任晓斌

（山西北方兴安化学工业有限公司，山西太原030008）

引 言

螺压复合改性双基推进剂具有综合性能优良、产品质量一致性好的优点，在各种战略战术武器中得到广泛应用。提高推进剂的能量是科技工作者一直追求的主要目标［1－4］。Ⅱ号中定剂（C2）在制式双基推进剂及复合改性双基推进剂配方中普遍使用［5－6］，但其β值（爆热系数）为－92．05kJ／kg，不利于提高推进剂的能量，因此需要研究开发新型的安定剂。

N－甲基对硝基苯胺（PNMA）是一种广泛使用的有机中间体。崔建兰等［7］报道了PNMA 的制备方法及研究进展；李吉祯等［8］研究了PNMA 作为稳定剂在推进剂中的使用情况。由于PNMA 的分子结构与二苯胺和C2等都有相似的苯胺结构，可以作为含硝酸酯推进剂的化学安定剂使用，而且其分子结构中含有硝基等含能基团，氧平衡远大于C2，对推进剂的能量贡献优于C2。本实验将PNMA 作为安定剂用于HMX／Al－CMDB中，研究了PNMA 对HMX／Al－CMDB推进剂化学安定性、燃速特性、力学性能及工艺的影响，为PNMA 作为安定剂在推进剂中的应用提供参考。

1 实 验

1．1 材 料

NC，工业纯，四川北方硝化棉股份有限公司；NG，工业纯，山西北方兴安化学工业有限公司；HMX，Ⅰ类，甘肃银光化学工业集团有限公司；Al，FLQT2型，鞍钢铝粉公司；C2，重庆长风化工厂；PNMA，黎明化工研究院。

1．2 样品的制备

HMX／Al－CMDB推进剂的基础配方（质量分数）为：NC（氮含量12%）20．0%～22．0%；NG 20．5%～24．0%；HMX 48．8%～51．8%；Al粉5．0%～8．0%；C20%～1．0%；PNMA 0%～1．0%；催化剂及工艺助剂2．5%。

采用传统的无溶剂法吸收工艺在光辊压延机上进行药团压延塑化造粒；采用螺压工艺在Φ100mm 压伸机上制备Φ5mm 药柱，药柱侧面包覆后用于燃速测试；压延药柱直接用于测试化学安定性、爆热及力学性能。

1．3 测试方法

按照GJB770B方法706．1在充氮恒压燃速仪中测试燃速；按GJB770B 方法413．1、415．1、417．1在DSC－10T 电子拉力机上和701．1、503．3方法测试力学性能、爆热及化学安定性。

2 结果与讨论

2．1 PNMA 对推进剂制备工艺的影响

对于双基黏合剂推进剂来说，吸收药组分的加入顺序、加入状态及温度、时间等影响推进剂的性能。由于PNMA 不溶于水，可以单独加入吸收器中，也可以与HMX在水中混合配成悬浮液后加入推进剂中。加入PNMA后推进剂的工艺试验结果见表1。

表1 含PNMA 的HMX／Al－CMDB推进剂的工艺试验结果Table 1 The process test results for HMX／Al－CMDB propellant containing PNMA

由表1可看出，加入PNMA 后吸收器中没有发现任何异常现象，水介质温度没有变化，没有异味及气泡，对吸收药团进行成分分析，未发现各组分的含量出现明显变化，说明PNMA 对吸收工艺没有影响。另外，从光辊压延工艺过程可以看出，含PNMA与不含PNMA 的两个配方均没有出现粘辊、鼓包等异常现象，都是在薄压7遍以后成张，薄压20遍以后加厚，药团塑化质量良好，说明可以采用传统工艺将PNMA 安全引入复合改性双基推进剂配方中。

2．2 PNMA 对HMX／Al－CMDB 推进剂化学安定性的影响

表2是HMX／Al－CMDB推进剂中加入PNMA后的甲基紫化学安定性试验结果。

由 表2 可 看 出，加 入PNMA 后，HMX／Al－CMDB推进剂的化学安定性显著提高。8个样品在120℃连续加热5h 均未发生燃爆现象，说明采用PNMA 和C2起到很好的安定作用。用PMNA 部分替代或完全替代C2后，A2、A3、A4 样品试纸变色时间大幅度增加，用PNMA 完全替代C2后A4样品的试纸变色时间较A1样品增加1倍；另外，A4～A8样品的试验结果显示，随着PNMA 加入量的减少，试纸变色时间逐渐缩短。但值得注意的是，加入0．2%PNMA 的A8样品试纸变色时间高于加入1．0%C2的A1样品，证明PNMA 对推进剂的化学安定作用明显优于C2。

表2 含PNMA 的HMX／Al－CMDB推进剂的甲基紫化学安定性试验结果Table 2 Results of methyl violet chemical stability test for HMX／Al－CMDB propellant containing PNMA

含PNMA 推进剂的化学安定性优于含C2推进剂，这与两种化学安定剂的结构及与NO2作用的机理有关。C2与NO2作用后主要生成4，4－二硝基中定剂，硝基主要选择苯环上氨基的对位结合，每个C2分子可以结合两个－NO2基团；PNMA 由于在苯环上氨基的对位已经有一个硝基基团，与NO2作用时，会在苯环上氨基的两个邻位结合两个硝基基团，这样每个PNMA分子也能结合两个－NO2基团，由于PNMA的相对分子质量比C2小很多，因此相同质量下PNMA吸收NO2的能力就远高于C2。

2．3 PNMA对HMX／Al－CMDB推进剂燃速的影响

加入PNMA 后HMX／Al－CMDB 推 进 剂 的 燃速测试结果见表3。

表3 含PNMA 的HMX／Al－CMDB推进剂的燃速测试结果Table 3 Test results of burning rates for HMX／Al－CMDB propellants containing PNMA

由表3可看出，用PNMA 部分或全部替代C2后，推进剂的燃速压强指数呈下降趋势。单独加入PNMA 的5个配方（A4～A8），燃速压强指数比A1配方的略低。但是5个配方的燃速及压强指数与PNMA 的加入量没有明显的规律。这表明PNMA对推进剂燃速没有负面影响，但有利于降低其燃速压强指数。含PNMA 推进剂配方燃速及其压强指数下降的机理有待进一步研究。

2．4 PNMA 对HMX／Al－CMDB 推进剂力学性能的影响

加入PNMA 后，HMX／Al－CMDB 推进剂的拉伸试验结果见表4。

表4 含PNMA 的HMX／Al－CMDB推进剂的拉伸试验结果Table 4 Results of tensile testing for HMX／Al－CMDB propellant containing PNMA

表4结果显示，用PNMA 替代C2后，推进剂在高温、常温、低温下的抗拉强度及断裂延伸率均没有明显的变化，与工艺试验过程中观察到的药团塑化质量结果相对应。

2．5 PNMA 对HMX／Al－CMDB 推进剂能量特性的影响

加入PNMA 后，HMX／Al－CMDB 推进剂的能量特性测试结果见表5。

由表5可知，用PNMA 全部替代C2后，推进剂的密度没有变化，爆热增加52kJ／kg，提高了0．96%。理论计算爆热增加49kJ／kg，试验结果与理论计算结果基本吻合，说明用PNMA 作安定剂可以提高推进剂的能量。分析认为，PNMA 属于硝基化合物，分子结构中有含能基团，对推进剂配方能量有贡献，其氧平衡为－10．52%，比C2的氧平衡（－246．34%）高，这是含PNMA 配方爆热提高的主要原因。

表5 含PNMA 的HMX／Al－CMDB推进剂的能量特性Table 5 Energy characteristics of HMX／Al－CMDB propellant containing PNMA

3 结 论

（1）PNMA 是一种新型化学安定剂，能够明显改善HMX／Al－CMDB 推进剂的化学安定性，基本不改变推进剂燃速，燃速压强指数稍有降低。

（2）PNMA 对推进剂的制备工艺性能及力学性能没有不良影响。

（3）PNMA 替代C2后，HMX／Al－CMDB 推进剂的密度没有变化，但对其能量的贡献明显，爆热提高52kJ／kg。

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