杂质对DNTF炸药热安定性的影响研究

高　杰，王　浩，刘瑞鹏，罗一鸣，王　玮，蒋秋黎



杂质对DNTF炸药热安定性的影响研究

高杰，王浩，刘瑞鹏，罗一鸣，王玮，蒋秋黎

（西安近代化学研究所，陕西西安，710065）

通过真空安定性试验和烤燃试验分别研究了纯度98.6%、纯度99.5%DNTF的热安定性。结果表明：纯度98.6%、纯度99.5%DNTF均满足真空安定性试验对放气量的要求，纯度98.6%DNTF比纯度99.5%DNTF的自发火温度提高了7℃，说明少量杂质的存在对DNTF的热安定性有一定的好处。

DNTF; 杂质；TFO；BFFO；热安定性

DNTF是一种新型高能量密度材料，具有能量密度高、爆速高、安定性好、感度适中、威力大等特点，其综合性能超过了HMX，除此之外，DNTF突出的优点是熔点较低，可以替代TNT作为新的熔铸炸药载体，使熔铸炸药的能量大幅提高，具有广泛的应用前景[1-4]。但在DNTF合成过程中会产生TFO（三呋咱并氧杂环庚三烯化合物）、BFFO（双呋咱并（b,f）氧化呋咱氧杂环庚三烯化合物）两种杂质，由于TFO、BFFO与DNTF为同分异构体，在DNTF合成过程中，要想将TFO、BFFO两种杂质完全去除比较困难，并且会大幅提高DNTF的成本，这势必会在一定程度上制约DNTF的推广应用。本研究采用真空安定性试验和烤燃试验对含有不同量杂质的 DNTF进行热安定性研究，探讨杂质对DNTF热安定性的影响，为DNTF炸药的应用以及单质炸药产品质量的制定奠定基础。

1　试验

1.1试验样品

试验样品：纯度分别为98.6%和99.5%的DNTF样品，均由西安近代化学研究所提供；

1.2试验过程及方法

（1）真空安定性试验：参照GJB 772A-97方法501.2进行，试验条件为100ºC、48h，在相同条件下进行3发平行试验；

（2）烤燃试验：分别称取50g两种不同纯度的试验样品，各自装填于100mL小烧杯中，装填过程中保持药量以及药面高度相同。试验时将组合好的待测样品固定于自研的烤燃试验系统中，以1ºC/min的升温速率进行加热，直至待测样品发生反应，通过附加的计算机系统实时记录整个过程中的试验数据。在相同条件下平行进行3发试验。

本试验中使用的烤燃试验系统主要由加热炉、环形热电极、控温仪、测温热电偶以及记录计算机等部分组成，构成示意图如图1所示。

图1　烤燃试验装置示意图Fig.1　Schematic of cook-off test device

系统使用具有良好保温加热性能和抗爆性能的热电路，总加热功率为1kW。同时通过高精度控温仪控制系统温度，使温度范围介于0~800±0.5ºC之间。试验时通过试验系统顶部可以打开的顶盖将待测样品稳固固定于钢制加热炉内，并且使用 4只直径为2mm的测温热电偶测量温度。其中1只悬置于加热炉内用于测试系统温度，另4只则插入待测样品烧杯中，用于测量样品的温度，4只热电偶布局示意图如图2所示。

图2　温度测量点布置图Fig.2　Temperature measuring point layout

用计算机数据采集系统对试验数据进行记录和处理。通过此烤燃试验，可以得到待测样品发生爆炸的时间、温度、现象以及内部温度随时间变化的曲线。

2　结果分析与讨论

2.1不同纯度DNTF真空安定性试验

真空安定性试验的原理是：一定质量的炸药样品在恒温、真空的条件下进行热分解，一段时间后测量样品分解所产生的气体压强，再根据气体定律换算成标准状况下的气体体积，用这一数值表示炸药真空安定性的优劣。通过真空热安定性试验（测试条件：100℃、48h）测试不同纯度DNTF炸药，结果见表1。

表1　不同纯度DNTF炸药放气量测试结果Tab.1　Gas testing results of different purity of DNTFexplosive

由表1试验数据计算出纯度为98.6%的DNTF 3次试验的平均放气量约为0.60mL/g，而纯度为99.5%的DNTF 3次试验的平均放气量约为0.11mL/g，前者的放气量为后者的5倍以上。这表明相同试验条件下，杂质的放气量显著高于 100%纯 DNTF炸药的放气量，并且随着杂质含量的减少，化学纯度更高的DNTF炸药试样表现出更佳优良的热稳定性。尽管 98.6% DNTF的放气量明显大于99.5%DNTF的放气量，但两者的平均放气量均小于真空安定性试验的评价限度2mL/g，满足通用工艺条件的使用要求。

2.2不同纯度DNTF烤燃试验

对不同纯度的 DNTF炸药试样进行烤燃试验是为了考察炸药热反应过程随温度的变化规律，同时测量炸药的自发火温度，而自发火温度是衡量炸药热感度的一个重要指标。通过对两种不同纯度的DNTF的自发火温度进行对比，以确定杂质含量对DNTF炸药热感度特性的影响。试验时按照1.2节试验过程及方法分别对纯度为98.6%DNTF和99.5%DNTF试验样品进行烤燃试验。

图3　纯度为98.6%和99.5的DNTF烤燃试验结果Fig.3　Cook-off test results of DNTF with purity of 98.6% and 99.5%

图3是纯度为98.6%和99.5%的DNTF在加热条件下，温度随时间的变化曲线。由图3中测试曲线可以看出，在试验早期，由于温度比较低，炸药试样发生化学反应速率比较缓慢，两条曲线基本重合。随着试验继续进行，当温度达到218℃左右时，由于热积累发生自加热现象，纯度为99.5%DNTF的升温速率明显增大，在229.6℃时突然跃迁到241.2℃，此时突然听到样品发出了爆响声，说明纯度为 99.5% DNTF在229.6℃发生了自发火，自发火温度为229.6℃。而对于纯度为98.6%DNTF，当温度达到224℃左右时，由于热积累发生自加热现象，升温速率明显增大，在236.6℃时突然跃迁到350.5℃，此时突然听到样品发出了爆响声，说明98.6%的DNTF在236.6℃发生了自发火，自发火温度为236.6℃。纯度为98.6%DNTF比纯度为99.5%DNTF的自发火温度提高了7℃。这说明炸药样品中含有的杂质在一定程度上可以减缓DNTF炸药的热反应过程，适当提高DNTF的自发火温度。

2.3纯度对DNTF热安定性影响原因分析

真空安定性试验和烤燃试验是表征炸药热安定性常用的两种方法，广泛应用于各类炸药及其装药性能的评价及分级之中。前者考察的是炸药样品在一定温度条件下较长时间不发生爆燃反应的可靠性能，而后者则着重考察炸药试样随温度变化而发生化学反应的剧烈程度。在不同条件下样品中所含有的杂质对试验结果的影响是不同的。在真空安定性试验条件下，杂质热分解过程明显高于100%DNTF炸药的热分解过程，杂质含量高的试样明显表现出更高的放气量。尽管如此，试验结果指出98.6%DNTF的放气量依然远小于安定性临界判断值，不影响正常条件下的合理使用。而在烤燃试验条件下，温度逐渐升高到临界自发火温度时，DNTF单质炸药表现出的热分解速率显著高于杂质分解速率。因此可以忽略杂质分解过程对总反应的贡献程度。含有较多杂质的DNTF样品表现出相对较高的自发火温度可能是由于以下两方面因素所导致的：其一是由于化学反应速率与反应物浓度正相关，含有更多杂质的样品相当于降低了DNTF的反应浓度，因此需要更长时间达到反应临界；其二是由于在高于样品熔点的温度条件下，杂质对DNTF分解过程的削减效果可能更加突出，因此杂质含量较高的样品的自发火温度有所提高，但并不能彻底改变烤燃试验的最终结果。

烤燃试验的试验条件更接近于武器弹药的试验条件，在满足真空安定性试验要求的情况下，对于炸药使用过程中的热安全性分析和评价，烤燃试验更具实际意义[5]。由此，本研究中，纯度98.6%DNTF、纯度 99.5%DNTF真空安定性试验的放气量均远小于2mL/g，98.6%DNTF自发火温度较纯度99.5%DNTF自发火高，判定纯度98.6%的DNTF热安定性较纯度99.5%的DNTF热安定性好，说明一定量杂质的存在对DNTF的热安定性有一定的好处。

3　结 论

（1） 杂质的存在会对 DNTF的热安定性有影响，但影响较小，通过真空安定性试验和烤燃试验综合考虑，杂质对于DNTF的热安定性有一定的好处，纯度98.6%的DNTF比纯度99.5%的DNTF自发火温度提高了7℃。

（2）表征炸药热安定性的方法较多，不同的试验得出的结论可能不同，应该结合不同的试验综合考虑。

[1] 王亲会.DNTF基熔铸炸药的性能研究[J].火炸药学报，2003,26(3):57-59.

[2] 王亲会,张亦安,金大勇.DNTF炸药的能量及可熔铸性[J].火炸药学报,2004,27(4):14-16.

[3] 胡焕性,张志忠,赵凤起,等.高能量密度材料 3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱性能及应用研究[J].兵工学报,2004,25(2): 155-158.

[4] 罗一鸣,王浩,蒋秋黎,等.熔铸炸药热爆炸临界工艺温度的计算方法[J].兵工自动化,2012,31(7):42-44.

[5] 张蕊,冯长根,姚朴,等.RDX炸药的热安全性综合评价[J].含能材料,2003,12（增刊）:286-291.

Influence of Impurities on the Thermal Stability of DNTF

GAO Jie，WANG Hao，LIU Rui-peng, LUO Yi-ming，WANG Wei,JIANG Qiu-li
(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an,710065)

Through the vacuum stability test and cook-off test, the thermal stability of DNTF with the purity of 98.6% and 99.5% were studied respectively. The results showed that the purity of 98.6% and purity of 99.5% DNTF all meet the requirements of the vacuum stability test for the gassing, the self ignition temperature of purity 98.6% DNTF has increased by 7℃ than that of the purity 99.5% DNTF, which showed that the presence of a small amount of impurities has certain advantages for thermal stability of DNTF.

DNTF；Impurities；TFO；BFFO；Thermal stability

TQ564

A

1003-1480（2015）06-0037-03

2015-07-19

高杰（1986 -），男，助理研究员，主要从事混合炸药配方与工艺研究。