超声空化-表面活性剂水溶法提取RDX/Al/AP/HTPB炸药中的AP

石腾飞，陈明华，葛 强，王韶光

(1.军械工程学院弹药工程系，河北 石家庄 050003;2. 军械技术研究所，河北 石家庄 050000)

超声空化-表面活性剂水溶法提取RDX/Al/AP/HTPB炸药中的AP

石腾飞1，陈明华2，葛 强2，王韶光2

(1.军械工程学院弹药工程系，河北 石家庄 050003;2. 军械技术研究所，河北 石家庄 050000)

为了对RDX/Al/AP/HTPB炸药的有效成分进行分离回收，研究了以超声空化-表面活性剂水溶法提取RDX/Al/AP/HTPB炸药中高氯酸铵(AP)的分离工艺，探讨了各工艺参数对AP提取率的影响。结果表明，表面活性剂浓度、提取时间和超声频率是影响AP提取率的主要因素，表面活性剂种类为次要因素，料液质量比和提取次数对AP提取率的影响很小。最佳工艺条件为：室温，提取时间40min，料液质量比1∶3，提取次数1次，超声功率3.0kW，表面活性剂为吐温80(质量分数2.0%)。

RDX/Al/AP/HTPB炸药；高氯酸铵；AP; 水溶法；云爆弹；表面活性剂；温压弹

引 言

云爆弹又称温压弹，引爆后形成超压场并产生强烈的热效应，用于杀伤复杂地形以及战场中暴露的、建筑物内和非装甲类车辆中的敌有生目标[1-3]。大量RDX/Al/AP/HTPB炸药应用于云爆弹中，在贮存期结束后必须进行回收处理。高氯酸铵(AP)作为RDX/Al/AP/HTPB炸药的一种主要组分，研究其分离提取方法具有重要意义。

国内外对固体含能材料中AP的分离提取主要采用溶剂萃取法[4-5]，利用AP的溶解特性从固体含能材料中萃取出AP，常用的有水溶法和液氨萃取法。水溶法具有成本低、污染小等优点，液氨萃取法虽然效率高，但成本高且操作复杂。1980年美国开始研究用水溶法提取推进剂中的AP，并在1995年得到工业化应用，此方法至今仍是各国处理废旧推进剂的主要方法[6-7]。陈亚芳、徐复铭、丁玉奎等[8-11]均研究了溶剂法在分离回收含能材料方面的应用。现有的水溶法提取周期长、提取率低，如何大量、低成本并环保地提取AP是研究的重点和难点。

本研究将超声空化-表面活性剂引入水溶法中，超声波的高频振荡在溶液中产生大量空化气泡(空化核)，破坏炸药的三维网格结构[12]，使AP高效溶解。探讨了提取AP过程中各工艺参数对提取率的影响，并用差示扫描量热法对提取前后的RDX/Al/AP/HTPB炸药和AP晶体进行分析，从而判断AP的提取效果。

1 实 验

1.1 材料与仪器

RDX/Al/AP/HTPB炸药配方(质量分数)为：RDX 20%～25%、 Al 50%～55%、AP 15%～20%、HTPB和黏结剂等10%～13%。十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、吐温80，上海鸿顺生物制药有限公司。

维斯特1024S标准单槽超声波清洗机，青岛维斯特科技有限公司；DU65型电热油浴恒温箱，上海实验仪器厂有限公司；PerkinElmer DSC 8000差示扫描量热仪，珀金埃尔默有限公司。

1.2 AP提取及纯度测试

(1)

(CH2)6N4H++OH-=(CH2)6N4+H2O

(2)

用NaOH溶液进行滴定，反应生成(CH2)6N4，溶液呈碱性，到达滴定终点后，溶液在酚酞指示剂的作用下呈微红色。

2 结果与讨论

2.1 工艺参数对AP提取率的影响

2.1.1 表面活性剂种类的影响

取10g研磨后的RDX/Al/AP/HTPB炸药，在超声功率3.0kW、料液质量比1∶3、室温超声水浴、提取时间8～50min、提取1次、表面活性剂质量分数2%的条件下研究了不同表面活性剂对AP提取率(η)的影响，结果如图1所示。

由图1可得，加入表面活性剂后可以显著提高炸药中AP的提取率。不同表面活性剂对AP提取率的影响程度为：吐温80(非离子)>十六烷基三甲基溴化铵(阳离子)>十二烷基苯磺酸钠(阴离子)。但3种表面活性剂对提高AP提取率的效果相差不大。非离子表面活性剂和阳离子表面活性剂虽然都对固-液界面有润湿的增溶作用，但前者在水中通常以100%活性物的形式存在，阳离子表面活性剂在固体表面的吸附能力比阴离子表面活性剂强。由于超声空化可以起到破坏AP外层有机包覆层的作用，并且AP在水中的溶解度很大，所以3种表面活性剂之间的差别不大。

2.1.2 表面活性剂含量的影响

取10g研磨后的RDX/Al/AP/HTPB炸药，在超声功率3.0kW，料液质量比1∶3，室温超声水浴，提取时间8～50min，提取次数1次，表面活性剂为吐温80，在其质量分数分别为0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%的条件下研究了表面活性剂含量对AP提取率(η)的影响，结果如图2所示。

由图2可得，AP提取率随表面活性剂含量的升高而升高，但当表面活性剂质量分数超过2.0%时，表面活性剂促进AP提取的作用减弱。当表面活性剂质量分数达到2.0%时，固-液表面上的表面活性剂分子已经到达饱和吸附，所以增加表面活性剂用量也无法显著提高AP提取率。因此，最佳表面活性剂质量分数为2.0%。

2.1.3 提取次数的影响

取10g研磨后的RDX/Al/AP/HTPB炸药，在超声功率3.0kW，料液质量比1∶3，室温超声水浴，表面活性剂为吐温80(质量分数2%)，提取时间50min，提取次数分别为1、2、3次(由于第2、3次提取AP含量很少，采用蒸发法使AP结晶，而后称重测得提取量)的条件下研究提取次数对AP提取率的影响。结果表明，当提取次数分别为1、2、3次时，AP提取率分别为98.06%、98.26%、98.26%。说明提取次数对AP提取率影响很小，多次提取未见提取率有显著上升。由于超声波的空化作用和表面活性剂的增溶作用，可以破坏AP的外包覆层，所以在初次提取时水和RDX/Al/AP/HTPB炸药已经充分接触，AP在水中的溶解度很大，能及时把溶剂中的AP和原料分离[13]，第1次提取时AP已经被充分分离。因此，最佳提取次数为1次。

2.1.4 提取时间的影响

将图1中AP提取率对时间求一阶导数，所得曲线即为不同表面活性剂在某时刻的提取速率，结果如图3所示。

由图1和图3可得，提取时间对AP提取速率影响很大。没有添加表面活性剂时，提取速率随着时间先下降后上升，但是提取率一直在增长；加入表面活性剂后，提取速率随时间增加由最大值降为0，提取率从快速上升到最大值不变。表明表面活性剂的使用可以很大程度地增加AP的提取效率，减少提取时间。因此，加入表面活性剂后最佳提取时间为40min。

2.1.5 料液质量比的影响

取10g研磨后的RDX/Al/AP/HTPB炸药，在超声功率3.0kW，室温超声水浴，表面活性剂为吐温80(质量分数2%)，提取时间50min，提取次数1次，料液质量比分别为1∶2、1∶3、1∶4的条件下研究其对AP提取率的影响。结果表明，当料液质量比分别为1∶2、1∶3、1∶4时，AP的提取率分别为98.21%、98.31%、98.36%。可知随着料液质量比的增加，AP的提取率稍有提高。虽然水溶剂价廉易得，但是溶剂增加不利于AP结晶，耗能增大，溶剂太少则会导致溶解不充分，并且会导致抽滤损失增大。考虑节能高效的条件，选取1∶3作为合适的料液质量比，此条件下AP能较为充分地被提取并有利于AP结晶。

2.1.6 超声功率的影响

取10g研磨后的RDX/Al/AP/HTPB炸药，室温超声水浴，表面活性剂为吐温80(质量分数2%)，提取时间50min，提取次数1次，料液质量比为1∶3，超声功率(P)分别为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0kW的条件下研究其对AP提取率(η)的影响，结果如图4所示。

由图4可得，随着超声功率的增大，AP的提取率显著增加，3.0kW之后提取率随着超声功率的增大缓慢增加。说明3.0kW时超声波产生的空化效应强度就可以使AP较彻底地从RDX/Al/AP/HTPB炸药的三维网格包覆层中溶出。因此，最佳超声功率选择3.0kW。

2.2 提取AP的表征

2.2.1 DSC分析

通过对提取AP前后的RDX/Al/AP/HTPB炸药、纯AP及提取AP的热分析，判断RDX/Al/AP/HTPB炸药中AP的提取效果，DSC曲线如图5所示。

从图5可得，RDX/Al/AP/HTPB炸药提取前有明显的RDX熔融峰、放热峰和AP的熔融峰。提取后AP的熔融峰消失，说明超声空化-表面活性剂水溶法可以有效提取AP。提取AP与纯AP均在240℃左右发生熔融，说明提取AP与纯AP热性能一致。

2.2.2 纯度测试

采用甲醛滴定法对提取AP进行纯度测试，共测试3次，AP纯度分别为99.6%、99.3%和99.3%，平均值为99.4%，达到99.0%以上。

3 结 论

(1)超声空化-表面活性剂水溶法可达到有效处理RDX/Al/AP/HTPB炸药中AP的目的，提取RDX/Al/AP/HTPB炸药中AP的最佳条件为：室温，提取时间40min，料液质量比1∶3，提取次数1次，超声功率3.0kW，表面活性剂为吐温80(质量分数2%)。

(2)表面活性剂浓度、提取时间和超声频率是影响AP提取率的主要因素，表面活性剂种类为次要因素，料液质量比和提取次数对AP提取率的影响很小。

(3)提取AP与纯AP热性能一致，并且提取的AP纯度可达99%以上。

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Extraction of AP in RDX/Al/AP/HTPB Explosive by Ultrasonic Cavitation-surfactant Water Dissolution Method

SHI Teng-fei1,CHEN Ming-hua2,GE Qiang2,WANG Shao-guang2

(1.Ammunition Engineering Department,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003, China；2.Ordnance Technology Research Institute, Shijiazhuang 050000, China)

To perform the separation and recovery of effective components in RDX/Al/AP/HTPB explosive, the separation process of extracting ammonium perchlorate(AP) in RDX/Al/AP/HTPB explosive by an ultrasonic cavitation-surfactant water dissolution method was studied. The effects of various processing parameters on the extraction rate of AP were discussed. The results show that the surfactant concentration, extraction time and ultrasonic frequency are the main factors affecting the extraction of AP, the type of surfactant is the secondary factor. The effect of ratio of material and solvent and extraction time on the extraction of AP is very little. The optimum processing conditions are as follows: room temperature, extraction time 40min,mass ratio of material and solvent 1∶3, extraction degree one time, ultrasonic power 3.0 kW, Twain 80 with mass fraction of 2.0% as surfactant.

RDX/Al/AP/HTPB explosive; ammonium perchlorate;AP; water dissolution method; fuel air explosive;surfactant;thermo-baric warhead

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.03.011

2016-10-30；

2016-12-29

石腾飞(1993-)，男，硕士研究生，从事含能材料的分离回收工作。E-mail:1724607911@qq.com

TJ55；TQ016.1

A

1007-7812(2017)03-0064-04