TMETN含量和NC含氮量对TMETN/NG 混合硝酸酯发射药力学性能的影响

2019-05-05王英博何卫东

火炸药学报 2019年2期

田宇，王英博，何卫东，董军

(1. 南京理工大学化工学院，江苏南京 210094；2. 泸州北方化学工业有限公司，四川泸州 646605)

引言

武器装备发展对火炮的初速和炮口动能提出了更高的要求，高膛压、高装填密度、高能发射药装药技术被广泛应用。随着膛压和装填密度的提高，射击过程中发射药的受力环境恶化，力学性能不符合要求的发射药会出现变形或破碎，使发射药的燃烧表面剧增，造成弹道性能反常，严重情况下甚至导致炸膛事故的发生。因此，发射药良好的力学性能是武器使用安全性和弹道稳定性的重要保证[1]。

双基发射药以NC和NG为基本能量成分，具有结构均匀、再现性能好、贮存寿命长和性能稳定等优点[2]。为了提高发射药能量，常常在双基发射药体系中添加RDX等高能固体填料。然而，由于NG自身的物理化学性质导致双基发射药的低温力学性能较差，RDX的加入导致这一问题更加突出，NC作为发射药黏结剂，其含氮量也明显影响发射药的力学性能。

三羟甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)是一种含能增塑剂，其化学结构与NG相似，但撞击感度比NG低很多，毒性、挥发性和吸湿性也比NG小，对NC有着良好的增塑效果[3]，将TMETN/NG混合酯配方引入发射药配方中可以有效降低发射药的玻璃化转变温度，提高其低温力学性能，弥补硝胺发射药力学性能不足的缺陷。但TMETN的能量较NG低，为了保证发射药的高能特性，采用TMETN/NG混合硝酸酯是保证发射药高能特征、同时提高其力学性能，特别是低温力学性能的有效途径。同时，当增塑剂增塑效果较优时，若适当提高NC的含氮量，并且能被增塑剂很好地吸收塑化，就能提高发射药的使用效能[4-7]。

为此，本研究以硝胺发射药配方为基础，将TMETN部分或完全取代NG，制备了含TMETN/NG的发射药，并测试了不同温度下的力学性能，研究了TMETN含量和NC含氮量对发射药冲击和压缩强度的影响，为TMETN/NG混合硝酸酯在发射药领域中的应用提供参考。

1 实验

1.1 试剂与仪器

NC(含氮量12.2%～13.0%)、B型吸收药、TMETN吸收药，泸州北方化学工业有限公司；超细RDX，甘肃银光化学工业集团有限公司；无水乙醇、丙酮，均为化学纯，南京化学试剂有限公司。

SFJ-400型电动搅拌器，上海现代环境工程技术有限公司；水浴烘箱，南京理工大学机电总厂；捏合机，江苏国贸国泰减速机集团有限公司；Instron型万能材料试验机、冲击试验机，美国Instron公司。

1.2 TMETN/NG发射药样品的制备

硝胺发射药的基础配方(质量分数)为：NC，44%；NG，20%；RDX，35%；2号中定剂(C2)，1%。在此基础上，用TMETN逐渐取代NG(质量分数分别为0、5%、10%、15%、20%)或改变NC含氮量分别为12.2%、12.4%、12.6%、12.8%、13.0%，制备了TMETN/NG发射药。实验配方及发射药能量示性数如表1所示。

表1 TMETN/NG混合硝酸酯发射药配方及能量示性数Table 1 TMETN/NG mixed nitrate propellant formula and energy indicator number

将NC、B型吸收药、TMETN吸收药、RDX按配方比例配好，加入3000mL蒸馏水，在电动搅拌器下以2800r/min的速度搅拌3h。利用真空抽滤的方式，使药水分离，驱除吸收药片中的大部分水分，便于压片。借助压延机的两个辊筒的挤压作用和高温作用，将粉状吸收药压成片状，除去经驱水后的吸收药中的大部分水分，并利于进一步烘干处理。滚筒温度为80℃，压延15min。将吸收药片均匀放在托盘中，并将其放入水浴烘箱(50℃)中5d，将药片的水分蒸发，使水分含量达到规定的质量要求。

将发射药药料以及一半溶剂加入捏合机后正车捏合10min，停机加入另一半溶剂，然后再正车捏合10min，反车捏合10min，循环两次，再正车捏合70min，整个捏合过程持续2h(醇酮质量比为1∶2，溶棉质量比为1∶2，循环水温度30℃)。发射药药团经油压机，通过模具(15/1)及过滤网，使药粒进一步塑化，并清除药料中的杂质，压制成一定外径的药条以便于成型。在45℃预烘2d，并于50℃干烘5d以驱除挥发性溶剂。

1.3 力学性能测试

采用冲击试验机、万能材料试验机对发射药的冲击强度和压缩强度进行测试。测试样品均按GJB770B-2005方法417.1标准制备(冲击样品采用15/1管状药，长6cm；压缩样品长径比为1∶1)，测试温度分别为-40、20和50℃。

1.4 高压定容燃烧性能测试

采用高压密闭爆发器测试发射药高压情况下的定容燃烧情况，密闭爆发器体积为107.385mL，装填密度为0.34g/cm3，点火采用质量为1g C棉的点火药包，点火压力10MPa，使用15/1管状发射药进行测试，测得发射药压力—时间(p—t)曲线，经过数据处理得到发射药的p—t和L—B曲线。

2 结果与讨论

2.1 NC含氮量对TMETN/NG发射药力学性能的影响

在-40、20和50℃下，ZTH-1～ZTH-5混合硝酸酯发射药样品的冲击强度(αk)和压缩强度(αmax)测试结果见图1。

图1 NC含氮量对混合硝酸酯发射药冲击强度和压缩强度的影响Fig.1 Effect of NC nitrogen contents on the impact strength and compression strength of mixed nitrate gun propellants

由图1可以看出，随着NC含氮量的变化，TMETN/NG发射药的冲击强度和压缩强度在高温、常温和低温下的变化趋势一致，均呈现先小幅度上升后逐渐下降的趋势。当NC含氮量为12.4%时，发射药力学性能最佳。分析认为，硝化棉在溶剂中溶解的一般规律是：在醇酮质量比1∶2的溶剂中，只有在含氮量为11.0%～12.5%时溶解度最大，随着含氮量的增加，硝基取代羟基数量增多，羟基逐渐被酯化，使其与配方中RDX等固体填料中的极性氧原子形成氢键的数目减少，氢键之间的作用力减弱，分子链间的相互作用力减少，降低了其与固体填料的结合能力，从而使发射药的冲击强度减少[8-9]。另一方面，当TMETN/NG质量比不变时，高氮量的硝化棉/增塑剂体系更容易产生应力集中，这样有利于裂纹的扩展，使力学性能变差[4]。

2.2 TMETN含量对TMETN/NG发射药力学性能的影响

混合硝酸酯发射药样品ZTH-6～ZTH-10在-40、20和50℃下的冲击强度(αk)和压缩强度(αmax)测试结果见图2。

图2 TMETN含量对混合硝酸酯发射药冲击强度和压缩强度的影响Fig.2 Effect of NC TMETN content on the impact strength and compression strength of mixed nitrate gun propellants

由图2可以看出，TMETN/NG发射药的低温冲击强度随TMETN含量的增加呈逐渐上升趋势，高温、常温冲击强度则有所降低。而抗压强度在高温、常温、低温下变化规律一致，均逐渐上升。分析认为，TMETN虽然与NG结构相似，但其增塑性能优于NG，且易溶解NC，其分子中的极性基团更易与NC分子中的极性基团相互作用，从而破坏NC分子间极性基团的相互作用及分子间的物理交联点，使分子的链段运动得以实现，聚合物的玻璃化温度降低，低温韧性增加，表现为力学性能增强[10]。同时由于TMETN分子体积大于NG，随着TMETN含量的增加，发射药TMETN/NG的分子体积增加，NC分子链之间的距离和活动空间增加，分子间相互作用力减弱，导致冲击强度下降[2]。综合表现为低温冲击强度升高，高温、常温冲击强度下降。

2.3 TMETN含量对TMETN/NG发射药燃烧性能的影响

为了检验发射药在高压燃烧条件下的燃烧性能，选出3个典型配方ZTH-6、ZTH-7和ZTH-8分别在高温(50℃)、常温(20℃)和低温(-40℃)条件下进行了高压密闭爆发器实验(装填密度为0.34g/cm3)，得到不同温度下发射药样品的p—t、L—B曲线，结果如图3、图4和图5所示。

由图3～图5可以看出，在高压条件下，3种发射药样品在不同温度条件下的p—t、L—B曲线均光滑，符合管状发射药正常燃烧的变化规律，表明在高压定容燃烧条件下，发射药没有出现明显的碎裂现象。

图3 不同温度条件下ZTH-6配方的p—t、L—B曲线Fig.3 The p—t and L—B curves of ZTH-6 formulation under different temperature conditions图4 不同温度条件下ZTH-7配方的p—t、L—B曲线Fig.4 The p—t and L—B curves of ZTH-7 formulation under different temperature conditions图5 不同温度条件下ZTH-8配方的p—t、L—B曲线Fig.5 The p—t and L—B curves of ZTH-8 formulation under different temperature conditions