多羟基聚醚对高能硝胺发射药抗冲击性能的影响

闫喜艳，张丽华，薛 欢

(中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051)

多羟基聚醚对高能硝胺发射药抗冲击性能的影响

闫喜艳，张丽华，薛 欢

(中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051)

为研究多羟基聚醚改善硝胺发射药抗冲击性能的效果，以一种硝胺发射药(RP5)药片为原料，分别采用不同数均相对分子质量的多羟基聚醚为增韧剂，制备了不同增韧剂含量的硝胺发射药管状试样。采用落锤冲击试验机和摆锤冲击试验机分别测试了硝胺发射药试样的轴向和径向抗冲击强度。讨论了在低温(-40℃)、常温(20℃)、高温(50℃)下，不同类型、不同含量聚醚对高能硝胺发射药抗冲击性能的影响。 结果表明，轴向方向上，加入多羟基聚醚的数均相对分子质量为2118、质量分数为3%时，对硝胺发射药试样的低温增韧效果较优；径向方向上，加入多羟基聚醚的数均相对分子质量为5618、质量分数为3%时，多羟基聚醚能使试样的径向低温抗冲击性能提升约50%。

硝胺发射药；多羟基聚醚；抗冲击性能；增韧剂；管状发射药

引 言

高速、大威力发射是提高身管武器性能的一个的主要发展方向，在发射药配方中添加固体高能炸药是提高发射药能量的主要技术途径，但随着配方中固体组分含量的增加，也增加了对发射药力学性能的不利影响，导致不能满足高膛压武器的应用要求[1]。双基火药中的硝化纤维素(NC)作为高分子黏合剂具有能量高的优点，由于NC玻璃化温度较高，使得双基火药在低温下的抗冲击性能不佳，而RDX的添加导致其力学性能下降，使弹道稳定性变差，严重时可能导致炸膛等事故[2-4]，因此，对发射药的低温抗冲击性能研究十分必要。

改善发射药抗冲击性能的途径有很多，包覆RDX可改善高分子基体与RDX的界面相容性、加补强剂阻止分子链滑移可增强新型高能发射药的力学性能[5]；在配方中添加少量聚氨酯热塑性弹性体能有效提高硝胺发射药的低温落锤冲击韧性和抗冲击强度[6]。Oberth和Bruennert[7-8]提出了采用键合剂对发射药中的RDX等固体填料颗粒进行包裹的表层改性，改善了发射药的稳定性，提高了发射药的力学性能；赵毅等[9]优化了RGD7高能硝胺发射药基础配方的黏结剂体系,在配方体系中加入键合剂改善了高能硝胺发射药的力学性能。

本研究分别以不同相对分子质量的多羟基聚醚为增韧剂，制备了不同聚醚含量的硝胺发射药单孔管状试样。测试了不同温度下硝胺发射药试样的径向和轴向抗冲击性能，考察了多羟基聚醚对硝胺发射药试样抗冲击性能的影响，以期为改善发射药的力学性能提供参考。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

RP5发射药药片，配方(质量分数)为：NC 50%～58%，NG 15%～20%，RDX 25%～28%，其他添加剂等；无水乙醇、丙酮，均为分析纯，天津申泰化学试剂有限公司；不同相对分子质量的多羟基聚醚，数均相对分子质量分别为2118(聚醚-1)、5618(聚醚-2)、7533(聚醚-3)，自制。

TY8000落锤冲击试验机，江都市天源试验有限公司；隔水式培养箱，上海一恒科学仪器有限公司；JB3-20H低温冷阱，天津市瑞普电子仪器公司；摆锤冲击试验机，美特斯工业系统(中国)有限公司；STX-202A金刚石线切割机，沈阳科晶自动化设备有限责任公司；YC32-63A四柱式万能压缩机，湖州机床厂；2L捏合机，陕西三鼎源机电设备有限公司；螺旋测微器，准确度为0.01mm，上海恒平科学仪器有限公司。

1.2 样品制备

先将RP5药片进行干燥处理，然后用乙醇/丙酮溶剂(体积比为1∶1)溶解一定量的多羟基聚醚，缓慢倒入RP5药片中，放入捏合机中进行捏合塑化，将捏合好的药料用四柱式万能压缩机压制成单孔硝胺发射药试样。试样中增韧剂的质量分数分别为0、1%、2%、3%，对试样进行烘干处理至挥发分质量分数在1%以内，将制备的硝胺发射药单孔管状试样加工成抗冲击性能测试所需尺寸(孔径约1.0mm，外径约5.2mm)，用密度瓶法测试每种试样的密度。

1.3 抗冲击性能测试及表征[10]

用摆锤法测试硝胺发射药管状试样的抗冲击性能，试样长度为60mm，分别测量其外径和孔径以求得截面积，其他条件按照国军标GJB-770B-2005方法测试，每组试验至少平行测试5个有效试样，以保证有4个以上有效数据，取其平均值。

由于在高温(50℃)条件下，试样的韧性增大，摆锤冲击作用后试样发生不完全断裂，不能得到有效的数据，故测试-40℃、-10℃以及常温(20℃)下的抗冲击强度。根据单孔管状试样的尺寸计算其抗冲击强度的表达式为

(1)

式中：α为抗冲击强度，kJ/m2；A为试样断裂所消耗的冲击能，J；d为药粒内孔直径，mm；D0为药粒外径，mm。

落锤法是一种模拟发射药在枪、炮膛中受轴向冲击力情况的测试方法，测试截取长径比为2∶1的柱形试样，分别测量其外径和孔径，在满足测试试样不发生破碎的前提下选择最大质量落锤使其于一定高度下落作用于试样，通过螺旋测微器测量试样长度的变化。

在落锤实验中，由于撞击后直径变化微小，因此在表征时忽略了冲击作用前后试样的直径变化。假设药粒的变形与作用力成正比且与作用时间无关，冲击时无能量损耗，同时忽略径向应变，可通过体积变形冲击功来表征发射药的抗冲击性能，其表达式为

(2)

式中：WV为体积变形冲击功，J/mm3；m为落锤的质量，kg，本实验落锤的质量为0.494kg；h为落高，m，本实验落高为1.28m；L0为药粒撞击前的高度，mm；L为药粒撞击后的高度，mm；S为药柱原始截面积，mm2。

2 结果与讨论

2.1 以多羟基聚醚为增韧剂的试样抗冲击强度

在摆锤与落锤测试试验中，由于硝胺发射药属于高分子复合材料，故在挤压成型过程中，NC的大分子链会沿着压制方向择优取向，在试样的轴向与径向，其链间与基团间的相互作用力会有一定的差异，因而试样在轴向与径向上的抗冲击性能存在区别。径向方向，用摆锤法测得含聚醚-1(Mn=2118)、聚醚-2(Mn=5618)、聚醚-3(Mn=7533)的硝胺发射药试样的抗冲击强度见表1。

表1 不同聚醚含量的硝胺发射药试样的抗冲击强度

注：α1、α2、α3分别为含聚醚-1、聚醚-2、聚醚-3的硝胺发射药试样的抗冲击强度。

由表1可知，摆锤能量为1J时，在低温(-40℃)下，含有聚醚的试样的抗冲击性能都优于不含聚醚的试样，其中聚醚数均相对分子质量为5618，且质量分数为3%时，试样的抗冲击强度(α)较大，比不含聚醚的试样提升约50%，说明该数均相对分子质量的聚醚对硝胺发射药试样径向的低温抗冲击性能提升效果更好，这是由于聚醚分子链为直链，支链较少，单键数目较多，且含有多个羟基，能与NC等分子链之间形成氢键，使得二者之间的相互作用力较大，受到外力冲击时可以吸收能量，使得试验样品的抗冲击性能提高，但该数均相对分子质量的聚醚与NC分子链之间形成的氢键比其他数均相对分子质量的聚醚较稳固不易破坏，随着聚醚含量的增大，在冲击过程中能消耗更多的能量，在界面更好地释放应力集中，使得二者在界面上的亲和力和结合力较大，增韧效果比较明显，使得抗冲击强度提高。但在低温(-40℃)下随着聚醚数均相对分子质量的增大，α先增大后减小，说明聚醚数均相对分子质量增大到一定程度后，对试样的径向低温抗冲击强度的改善就不再明显。

2.2 以多羟基聚醚为增韧剂的试样体积变形功

轴向方向，用落锤法测得含聚醚-1、聚醚-2、聚醚-3的硝胺发射药试样的体积变形功见表2。

表2 不同聚醚含量的硝胺发射药试样的体积变形功

注：WV1、WV2、WV3分别为含聚醚-1、聚醚-2、聚醚-3的硝胺发射药试样的体积变形功。

由表2可以看出，在落锤质量为0.494kg、冲击速度为5m/s时，在低温(-40℃)下，不含增韧剂的试样受到落锤冲击后完全破碎，无法测得其体积变形功，而加入聚醚的试样都没有发生破碎，说明聚醚对硝胺发射药试样的轴向低温抗冲击性能起到了很好的改善作用，当聚醚的数均相对分子质量为2118，且质量分数为3%时，体积变形功(WV)较小，此时多羟基聚醚对硝胺发射药试样轴向低温增韧效果较优。

在常温(20℃)和高温(50℃)时，当加入的聚醚数均相对分子质量相同，随着聚醚含量的增加，体积变形功(WV)在减小，都小于未添加增韧剂的硝胺发射药试样，表明在20℃与50℃下，聚醚的加入使试样的抗冲击性能有一定的提升，但当质量分数为3%时，多羟基聚醚对硝胺发射药试样的轴向增韧效果较优。

当试验样品受冲击作用时，其分子间作用力以NC链段与NG链段间存在的范德华力和氢键作用力为主，加入多羟基聚醚后，由于聚醚分子链为直链，支链较少，有较好的柔顺性，与NC等形成多相共混结构，在低温受到外力冲击时能使基体裂纹的扩展受阻和钝化，最终阻止裂纹不再继续发展为破坏性开裂，改善了试样的冲击断裂韧性，使试样的抗冲击强度增加。

同时结合表1可以看出，在加入的聚醚数均相对分子质量与含量相同的情况下，随着温度升高，抗冲击强度(α)增大，体积变形冲击功(WV)减小，抗冲击性能提高。这是由于发射药试样主要成分为硝化纤维素，玻璃化转变温度较高(180℃)，实验温度下处于玻璃态，分子链段为冻结状态，链段刚性较大，在外力作用下，较难发生形变。随着温度的升高，分子间基团的相对运动增强，分子之间距离增加，作用力减小，试样内分子间发生塑性变形的能力增强，使试样吸收外加冲击能量的能力提高，从而使其抗冲击性能提高。因体积变形功越小，抗冲击强度越大，试样的抗冲击性能越好，故在测试温度区间内，温度越高，表现出抗冲击性能越好，体积变形功越小、抗冲击强度越大的规律。

综上所述，以不同数均相对分子质量的聚醚作为增韧剂均在一定程度上可以提高硝胺发射药试样的轴向或径向低温抗冲击强度，聚醚数均相对分子质量一定时，随着含量的增加，试样的低温抗冲击性能提升效果越好。

3 结 论

(1)以多羟基聚醚为增韧剂均在一定程度上可以提高硝胺发射药的抗冲击性能，低温(-40℃)下随着聚醚数均相对分子质量的增加，试样的抗冲击性能的改善效果先增加后下降，聚醚数均相对分子质量为5618且质量分数为3%时，硝胺发射药试样的径向抗冲击性能改善效果较佳。

(2)在低温(-40℃)下，加入的聚醚数均相对分子质量相同时，随着聚醚含量的增加，体积变形功减小，硝胺发射药试样的轴向抗冲击性能的改善效果越好，试验表明，聚醚的数均相对分子质量为2118且质量分数为3%时，硝胺发射药试样的轴向增韧效果较佳。

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Effect of Multi-hydroxyl Polyether on the Anti-impact Properties of High-energy Nitramine Gun Propellant

YAN Xi-yan, ZHANG Li-hua, XUE Huan

(School of Chemical Engineering & Environment, North University of China, Taiyuan 030051, China)

To study the effect of multi-hydroxyl polyether on improving the anti-impact property of nitramine gun propellant, tubular nitramine gun propellant samples containing different amount of toughening agent were prepared respectively, using a kind of nitramine gun propellant (RP5) tablets as raw material and multi-hydroxyl polyether with different number-average molecular weight as toughening agent. The axial and radial impact strength of nitramine gun propellant samples were measured using drop hammer impact test machine and pendulum impact tester, respectively. The effect of different types and contents of polyether on the anti-impact property of high energy nitramine gun propellant was discussed at low temperature(-40℃), room temperature(20℃) and high temperature(50℃). The results show that in the axial direction, when the number-average molecular weight of adding multi-hydroxyl polyether is 2118 and its mass fraction is 3%, the toughening effect of nitramine gun propellant sample at low temperature is better; in the radial direction, when the number-average molecular weight of adding multi-hydroxyl polyether is 5618 and its mass fraction is 3%, multi-hydroxyl polyether can make the radial low-temperature anti-impact strength of sample increase by about 50%.

nitramine gun propellant; multi-hydroxyl polyether; anti-impact property; toughening agent;tubular gun propellant

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.06.019

2016-07-02；

2016-10-16

闫喜艳(1991-)，女，硕士研究生，从事火药的增韧及力学性能研究。E-mail:yxy1458017470@163.com

张丽华(1961-)，女，教授，从事火药的制备及性能研究。E-mail: zhanglihua@nuc.edu.cn

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2016)06-0103-04