功能助剂对2，4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药性能的影响

蒙君煚，姜振明2，张向荣，周霖

（1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；2.甘肃银光化学工业集团有限公司，甘肃白银730900）

功能助剂对2，4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药性能的影响

蒙君煚1，姜振明2，张向荣1，周霖1

（1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；2.甘肃银光化学工业集团有限公司，甘肃白银730900）

为了获得适用于2，4-二硝基苯甲醚（DNAN）基熔铸炸药的功能助剂体系，改善其装药性能，通过黏附功确定功能助剂为吐温60和醋酸丁酸纤维素（CAB）；采用巴西实验、静态剪切实验、撞击感度爆炸概率法实验、摩擦感度爆炸概率法实验、小隔板实验和液体静力称量法，研究了功能助剂对DNAN 20/奥克托今80（HMX 80）熔铸炸药的拉伸强度、剪切强度、撞击感度、摩擦感度、冲击波感度和装药密度的影响规律。实验结果表明：功能助剂使得DNAN 20/HMX 80熔铸炸药在-40℃、20℃、60℃下的拉伸强度分别增大6.25%、10.3%、47.8%，剪切强度分别增大23.5%、27.8%、45.1%；摩擦感度、撞击感度和冲击波感度分别降低14.29%、4.76%、3.11%；相对密度提高0.2%.因此，功能助剂吐温60和CAB可以用于改善DNAN基熔铸炸药的力学性能和安全性能。

兵器科学与技术；2，4-二硝基苯甲醚；功能助剂；黏附功；性能测试

0 引言

熔铸炸药是当前世界各国在军事上应用最为广泛的一类混合炸药，约占军用混合炸药80%以上［1］。以TNT为基的熔铸炸药在世界范围内受到广泛应用，但由于其弹性差、韧性差、强度低、易脆，在受到机械应力、热应力的作用时，很容易发生损伤、裂纹、脆裂等现象。同时，其安全性能也较差，感度高，容易殉爆，易被碎片和射流引爆、燃烧易转为爆轰，所以，在生产和使用过程中经常出现安全问题［1］。进入20世纪70年代后，很多国家把提高武器系统在战场上的生存能力和弹药贮存、运输及勤务处理的安全，作为研制炸药的重要任务，开始研究和发展不敏感炸药，以替代安全性能较差的TNT基熔铸炸药。2，4-二硝基苯甲醚（DNAN）熔点94℃ ～96℃，密度1.55 g/cm3，作为一种熔铸载体炸药，是非常好的TNT替代品［2］。与TNT相比，尽管DNAN自身的能量较低，但由于其低粘性（约为TNT粘度的0.6倍）特点，可通过提高固相颗粒（如奥克托今（HMX）、黑索今（RDX））的含量达80%），使得DNAN基熔铸炸药的能量水平不低于TNT基熔铸炸药。与此同时，DNAN的感度远低于TNT，使得DNAN基熔铸炸药的整体安全性能优于TNT基熔铸炸药［3-5］。2000年后，国内外陆续研制出一系列以DNAN为基的熔铸炸药，如 IMX-101［6］、IMX-104［6］、PAX-21［7-9］等。2010年，IMX-101炸药已成功用作大口径榴弹的新型主装药，并率先在美国装备部队。

目前，DNAN的研究主要集中在物理性能、相容性、热性能［3，9-12］以及DNAN基熔铸炸药配方的性能研究，如爆炸性能［13］、烤燃实验［14］等，但有关功能助剂对DNAN基熔铸炸药的影响研究相对较少。在熔铸炸药中添加一定量的功能助剂主要是为了改善药柱的力学性能和安全性能［15-18］。常用的功能助剂主要有表面活性剂和增塑剂等。一般地，表面活性剂可以增加炸药颗粒的自由流动性和分散性、降低炸药的感度，提高装药密度；增塑剂可以改善炸药的机械力学性能，减少药柱裂纹。本文以常用的表面活性剂（吐温60、吐温80）和增塑剂（醋酸丁酸纤维素（CAB）、邻苯二甲酸二丁酯（DBP））作为研究对象，根据粘附功大小确定适于DNAN基熔铸炸药的表面活性剂和增塑剂，同时研究了表面活性剂和增塑剂对DNAN基熔铸炸药的力学性能、机械感度、冲击波感度和装药质量的影响。

1 实验部分

1.1实验材料

工业HMX，甘肃银光化学工业集团生产，使用激光粒度分析仪（Mastersizer 3000）测试，其中位粒径D50为18 μm；DNAN，湖北东方化工有限公司生产，密度为1.55 g/cm3；吐温60、吐温80，北京益利精细化学品有限公司生产，密度分别为1.044 g/mL 和1.08 g/mL（25℃）；CAB，上海迈瑞尔化学技术有限公司生产，密度为1.15～1.22 g/cm3；DBP，湖北瑞今化学有限公司生产，密度为1.048 g/mL（20℃）.

1.2测试药柱制备

按实验方案准确称取DNAN、CAB、吐温60、HMX待用；向混合釜内加入称量好的DNAN，开动搅拌（转速约40 r/min）使其熔化，控制DNAN熔化温度110℃～115℃；待DNAN全部熔化后，依次缓慢加入 CAB、吐温 60，搅拌熔解混合（转速约500 r/min），在110℃～115℃范围内保温熔解混合120～140 min；CAB、吐温60熔解混合结束后，缓慢加入不同粒度HMX使其混合均匀，保温搅拌混合10～15 min；保温结束后，浇铸不同尺寸药柱。

1.3相容性测试

在专用试管中称入单一炸药试样2.5 g，在另一专用试管中称入混合试样5 g，混合质量比1∶1，在100℃下加热40 h后，测真空试管内的真空度变化，按公式R=Vc-（Va+Vb）计算放气量R，其中Vc为混合试样放气量，Va为炸药放气量，Vb为接触材料放气量。按照国家军用标准 GJB772A—97方法501.2，评价组分相容性：R＜3.0 mL，相容；R为3.0～5.0 mL，中等反应；R＞5.0 mL，不相容。

1.4接触角测试

Giese等［19］、Van Oss等［20］提出用薄层毛细渗透技术测定液体在粉体上的接触角，在此方法中，将粉体柱看作是毛细管束，液体通过毛细作用渗入粉体柱［21-23］。本文采用此方法测定HMX颗粒样品的接触角。

根据Washburn方程可知，若液体由于毛细作用渗入半径为r的毛细管中，液体渗透过程中，压缩粉体床中的气体引起的压力差的平方（Δp）2为时间t的函数，其方程为

式中：γ为液体的表面张力（mN/m）；β为与粉体床自身的性质有关的参数；η为液体的粘度（mPa·s）；θ为接触角（°）。

作出（Δp）2-t关系图，将得到一条近似的线性直线，求出斜率

由（2）式可知，测量接触角θ时，必须知道η、γ、β.其中：β与粉体自身性质有关，可由其他测试液得到。本实验选取二碘甲烷为测试液，得到HMX颗粒的β值为134.4.DNAN熔点94℃ ～96℃，所以，在测量DNAN+功能助剂的表面张力与粘度时，必须对DNAN进行加热至融化。本文选取100℃为测试温度，表面张力采用JK99C全自动张力仪测量，粘度采用DV-1尼润数字式粘度计测量，接触角采用JF99AX粉体接触角测量仪测试。

为了保证接触角尽可能准确，在测量过程中必须保证装填密度相同，这就要求装填质量和体积必须一致。每一种接触角的测定至少有5次平行实验，以消除滞后效应。同时，为了去除HMX颗粒中的水分，首先HMX在室温环境中风干18 h，然后转移到真空干燥箱中在90℃干燥2 h.

1.5力学性能测试

采用巴西实验法测量炸药拉伸强度。巴西实验是1959年Berenbaum等［24］发明的一种间接测量岩石、混凝土等脆性材料的拉伸应力应变的方法。随着散斑干涉法、云纹干涉法和数字图象处理等在巴西实验中的应用，进入20世纪80年代，它被广泛地用于测量炸药的力学性能［25-27］。

如图1所示为巴西实验加载示意图，根据牛顿应力理论，材料中心点的拉伸强度由（3）式计算：

式中：σ为试样拉伸强度（MPa）；δ为试件的厚度（m）；D为试样直径（m）；F为最大载荷（N）。

剪切强度按GJB772A—97方法415.1抗剪强度双剪法进行测试。将被测试样置于材料试验机的剪切夹具中，施加单轴向静载荷使试样受剪切力作用后断裂破坏，记录最大载荷值，按（4）式计算试样的剪切强度

式中：p为试样断裂破坏时承受的最大剪切负荷（N）；A0为试样横截面积（m2）。

图1　巴西实验加载示意图Fig.1 Loading of Brazilian disc test

力学性能测试采用CMT4000材料试验机。巴西实验每个试件的尺寸均为φ40 mm×10 mm药片，如图2所示。剪切实验每个试件的尺寸均为φ20 mm×30 mm药柱。每种实验分别加工30个试件，其中配方A1、配方A2试样各15个，每个配方在高温（60℃）、常温（20℃）、低温（-40℃）各进行5次实验。对配方A1、配方A2的15个试样的密度进行了测量，平均密度分别为1.795 g/cm3、1.788 g/cm3.

图2　巴西实验样品形状Fig.2 Sample for Brazilian test

1.6机械感度测试

撞击感度，按GJB772A—97方法601.1撞击感度爆炸概率法进行测试。采用WL21落锤仪，落锤质量10 kg，落锤高度250 mm，每发试样药量50 mg，实验4组，每组25发。

摩擦感度，按GJB772A—97方法602.1摩擦感度爆炸概率法进行测试。采用VM21型摩擦感度仪，摆锤质量1.5 kg，落锤摆角90°，每发试样的药量30 mg，表压3.92 MPa，实验4组，每组25发。

1.7冲击波感度测试

冲击波感度，按GJB772A—97方法605.1冲击波感度卡片式隔板法进行测试。实验所用主发药柱均采用 φ40 mm×40 mm特屈儿药柱，药柱密度1.57 g/cm3，被发药柱采用尺寸为φ25 mm×76 mm，药柱密度分别为1.795 g/cm3、1.788 g/cm3.隔板采用三醋酸纤维素酯片，每块隔板厚0.185 mm.实验装置如图3所示。实验有效发数20发，通过见证板上的凹坑，来判定是否起爆。

图3　冲击波感度测试装置图Fig.3 Shock sensitivity test set-up

1.8密度测试

药柱实际密度采用GJB772A—97方法401.2液体静力称量法测试，理论密度根据各组分密度计算得到。

2 结果与讨论

2.1相容性

内相容性测试结果如表1所示。通过内相容性测试可知，DNAN或HMX与各种功能助剂之间放气增量均小于3 mL，满足相容性标准，说明其内相容性良好。

2.2黏附功

黏附功W表示将单位面积的A相和B相界面分离为A相和B相两个与气相交界的表面时所需的功［28］。在润湿性研究中，固液相黏附功可以表征润湿程度的好坏，接触体系的黏附功越大，对形成有效、高能的黏结结构越有利。黏附功表达式为

表1　内相容性测定值（100℃，保温40 h）Tab.1 Measured values of internal compatibility （100℃，40 h）

根据（1）式可知，在测量接触角时，必须得到液体的表面张力与粘度，因此对DNAN+功能助剂的表面张力与粘度进行了测试。在本文中，每种功能助剂的比例为1%（质量百分比），测试结果如表2所示。100℃时DNAN/HMX、（DNAN+功能助剂）/ HMX的接触角测试结果如表3所示。

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

根据（5）式，黏附功的计算结果如表3所示。

表3　接触角与黏附功（100℃）Tab.3 Contact angle and adhesion work（100℃）

由表3可知，在纯DNAN中加入质量百分比为1%的表面活性剂或增塑剂都可以使DNAN/HMX的黏附功变大。通过对比两种表面活性剂吐温60、吐温80可知，在DNAN中加入质量百分比为1%的吐温60对黏附功的改变更大，更容易使DNAN包覆在HMX表面；对比两种增塑剂DBP、CAB可知，质量百分比为1%的CAB对黏附功的改变更大。因此，选择吐温60、CAB作为DNAN基熔铸炸药的功能助剂。

为了进一步评价功能助剂对药柱力学性能、机械感度、冲击波感度、相对密度的影响，本文设计了两个简单的配方：配方A1为20%DNAN和80% HMX；配方A2为18%DNAN，1%吐温60，1%CAB和80%HMX.

2.3力学性能

对配方A1、配方A2的拉伸强度和剪切强度进行了测试，实验结果如表4所示。

表4　拉伸强度与剪切强度Tab.4 Tensile strength and shear strength

由表4可知，与没有加入功能助剂的配方A1相比，配方A2在-40℃、20℃、60℃下的拉伸强度分别增大了6.25%、10.3%、47.8%；配方A2在-40℃、20℃、60℃下的剪切强度分别增大了 23.5%、27.8%、45.1%.

由表4亦可知，温度对力学性能有较大的影响，随着温度的降低，拉伸强度逐渐增加，在-40℃时，拉伸强度值最高；在常温时剪切强度值最大，温度升高或降低，剪切强度都减小。

2.4机械感度

对配方A1、配方A2的撞击感度和摩擦感度进行了测试，实验结果如表5所示。由表5可知，与配方A1相比，配方A2在摩擦感度与撞击感度分别降低了14.29%、4.76%.

表5　机械感度Tab.5 Mechanical sensitivity

2.5冲击波感度

分别对配方A1、配方A2的冲击波感度进行了测试，测试结果如表6所示。由表6可知，与配方A1相比，配方A2的冲击波感度降低了3.11%.

表6　冲击波感度Tab.6 Shock sensitivity

2.6装药质量

相对密度对熔铸炸药性能有显著影响，相对密度越高则表示药柱内部的缩孔缩松、微小气孔越少，从而可以提高炸药的发射安全性。表7对比了配方A1、配方A2的相对密度。

表7　相对密度Tab.7 Relative density

图4　药柱内部裂纹示意图Fig.4 Internal crack of charge

由表7可知，由于含有功能助剂，配方A2的实际密度比配方A1有所降低，但是相对密度比配方A1提高了0.2%，表明药柱内部气孔更少，药柱装药质量更好。

图4对配方A1、配方A2药柱内部浇铸质量进行了比较，两个药柱都是在室温下冷却凝固。由图4可知，配方A2药柱内部裂纹明显减少，说明功能助剂可以改善界面特性，减小药柱内部裂纹，提高药柱的装药质量。

2.7功能助剂对DNAN基熔铸炸药性能的影响机理

表面活性剂可以减小DNAN的表面张力，提高DNAN对HMX的润湿作用。因此，在DNAN中加入吐温60后，可以使HMX颗粒表面包覆一层表面活性剂，而且由于CAB与DNAN部分互溶，在多相体系间形成笼状结构，能够提高DNAN基熔铸炸药的动态压缩性能，因此提高了炸药的安全性能。

CAB具有弹性模量大、塑性形变小、强度高的优点，在材料中起到增韧增弹的作用［15］。由于DNAN为层状结构，分之间没有氢键，只有较弱的范德华力作用，其基体强度和韧性较低，而CAB具有较高的刚性，因此，在DNAN中加入CAB时药柱的力学性能得以改善。

3 结论

依据黏附功为判据，选择吐温60和CAB作为DNAN基熔铸炸药的功能助剂，并研究了这两种功能助剂对DNAN基熔铸炸药力学性能、机械感度、冲击波感度、相对密度的影响规律，得到的结论如下：

1）吐温60和CAB与DNAN基熔铸炸药各组分内相容性良好。

2）吐温60和CAB可以有效提高DNAN基熔铸炸药的力学性能和安全性能。

3）功能助剂吐温60与CAB适用于DNAN基熔铸炸药。

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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

国防“086”专项项目（00401030181）

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