OC控暴剂爆炸分散用高能材料研究

王红英，郝焕明，赵守田，康 凯，陈言坤



OC控暴剂爆炸分散用高能材料研究

王红英，郝焕明，赵守田，康 凯，陈言坤

（军事科学院防化研究院，北京，102205）

采用差示扫描量热法（DSC）、压力传感器法（VST）、微热量热法对OC控暴剂与几种高能炸药的反应能力进行研究。首先采用DSC对OC控暴剂与六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）、奥克托今（HMX）、六硝基茋（HNS）、黑索今（RDX）、喷特儿（PETN）、1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯（TATB）、1-氧-2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪（LLM105）7种炸药进行快速筛选测试，结果表明OC控暴剂与7种炸药均不相容，在OC控暴剂的作用下炸药的分解峰温降低7.6~108.5℃；采用压力传感器法和微热量热法对OC控暴剂与RDX、HMX进行产气和热流变化测试，根据反应净增气量判定RDX与OC控暴剂两者为中等反应，HMX与OC控暴剂两者相容；RDX、HMX和OC控暴剂的理论热流曲线均位于混合热流曲线之上。结合各实验结果，综合评价认为HMX与OC控暴剂的反应能力较弱，更适合作为OC控暴剂爆炸分散用高能材料。

OC控暴剂；高能炸药；差示扫描量热法；压力传感器法；微热量热法

OC控暴剂（又名壬酸香草酰胺，pelargonic acid vanllylamide，PAVA）是天然辣椒素的类似物[1]。由于PAVA对眼和上呼吸道具有强烈刺激作用，人员接触后会立即出现剧烈眼疼、流泪、咳嗽、喷嚏而暂时失去抵抗能力，在控暴方面得到了广泛的应用[2-3]。OC控暴剂与传统控暴剂相比具有刺激阈低、症状出现和消失快、安全比高、释放途径多样等优点，除此之外，PAVA还具有镇痛、防腐、美容、增强食欲、促进血液循环、驱虫等功效，被广泛应用于医药、保健、食品、涂料等行业[1,4-5]。将OC控暴剂采用爆炸方式分散，刺激剂烟云形成及分散速度快、可有效防反投，同时伴有声音震慑作用，有利于快速治暴，故爆炸分散方式在反恐防暴领域具有很好的应用前景[6-9]。高能材料即炸药在OC控暴剂爆炸分散过程中起着重要作用，它决定了混合炸药本身的爆轰性能和OC控暴剂的分散效果。本研究采用热分析的几种手段[10]开展OC控暴剂爆炸分散用高能材料筛选研究，分别通过差示扫描量热法、压力传感器法、微热量热法对OC控暴剂与几种高能炸药的反应能力进行了评价，为炸药筛选及配方设计提供参考。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

CDR-4P差示扫描量热仪（上海天平厂）；YC-1A真空安定仪（西安近代化学研究所）；RDL 496-2000微热量热仪（中国工程物理研究院）。

OC控暴剂（防化研究院第六研究所），纯度大于等于 99%；CL-20（六硝基六氮杂异伍兹烷，西安近代化学研究所）；HMX（奥克托今）、HNS（六硝基茋）、RDX（黑索今）、PETN（喷特儿）、TATB（1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯）、LLM105（1-氧-2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪）均为工业品。

1.2 实验过程

差示扫描量热法实验用二元混合体系按两组分质量比1:1配制，气氛为0.1MPa的静态空气，升温速率10K/min，试样量1.0～2.0mg，敞开式氧化铝坩埚，测定混合体系的热分解峰温T，计算混合体系和单一组分热分解峰温差值ΔT。

压力传感器法实验用二元混合体系按两组分质量比1:1配制，试样量为2.5g，实验条件为100℃持续加热40h，测量被测试样产生的气体量，计算混合试样净增放气量Δ。

微热量热法实验将二元混合体系按两组分质量比1:1配制，气氛为静态空气，实验条件为100℃持续加热40h，记录被测试样的热流曲线，绘制混合物理论热流曲线并与实测混合物的热流曲线对比分析。

2 结果与讨论

2.1 差示扫描量热法实验结果

DSC灵敏度高，能跟踪整个实验过程中样品的化学或物理变化，较深入地了解样品的热反应动力学，特别适用于判定高温下物质之间的相互作用。称取试样置于坩埚内，在10K/min的加热速率、静态空气条件下实验。首先测定OC控暴剂以及各单组分的DTA-T曲线；然后将OC控暴剂与各组分两两组合进行测定，得出混合样品的DTA-T曲线，7种炸药与OC控暴剂实验结果见表1和图1。

表1 OC控暴剂与7种炸药的DSC相容性

Tab.1 Compatibility of OC riot control agent with seven dynamites by DSC

注：T1为单一炸药的热分解峰温；T2为混合样品的热分解峰温。

图1 OC控暴剂与7种炸药的DSC曲线

表1、图1实验结果表明：OC控暴剂与7种炸药在高温下均发生了不同程度反应，均不相容。在OC控暴剂的作用下各种炸药的分解峰温均有所降低，分解峰温降低范围为7.6~108.5℃，分解体系的分解峰型与单组分的分解峰型基本保持一致，分解产物对彼此的分解表现出一定的促进作用，使分解峰温出现明显降低。其中OC控暴剂与TATB发生了明显的放热化学反应，在297.1℃处出现新的放热分解峰。这是由于在程序升温的过程中，体系中的OC控暴剂因其熔融点低（55℃左右），在低温段就呈熔融液态，炸药溶解于液态的OC控暴剂中，炸药分解由固态分解变为在液相下进行，与单组分炸药相比分解环境发生了变化，所以导致炸药分解的加速；同时PAVA结构中存在酰胺键、羟基等易发生反应的基团，而炸药的分解产物均具有氧化性，这对炸药分解也起到一定的促进作用。

2.2 压力传感器法实验结果

由DSC结果可知，OC控暴剂与7种炸药在高温下均具有较强的相互作用，但这些相互作用都是在较高温度下的表现，通常认为高温下相容的体系低温下也相容，而高温下不相容的体系在低温时的情况则需要进一步验证。真空安定性试验温度恒定且温度较低，更接近含能材料的实际使用温度。为进一步考察OC控暴剂与炸药的相容性，选取了两种代表性炸药RDX和HMX，采用压力传感器法对OC控暴剂与两种代表性炸药的产气情况进行测试。使试样在定容、恒温、真空条件下受热分解，用压力传感器测量其在一定时间内释放出的气体的压力，再换算成标准状态下的气体体积，以净增气量评价试样的相容性。实验温度为100℃，实验时间为40h，实验数据见表2。

表2 RDX、HMX和OC控暴剂真空安定性实验结果 (mL)

Tab.2 VST results for RDX，HMX with OC riot control agent

从表2实验结果可以看出，RDX与OC控暴剂在100℃条件下反应净增气量=3.65mL，体系放气增量明显放大，说明在较低温度下RDX与OC控暴剂可以促进彼此的分解，不利于它们之间的化学相容，根据相容性判据：3mL<<5mL，RDX与OC控暴剂相容性结论为中等反应。HMX与OC控暴剂在100℃条件下反应净增气量=0.04mL，根据相容性判据：<3mL，相容性结论为相容，HMX与OC控暴剂在较低温度下分解无明显相互促进，与在较高温度时分解峰温的显著降低明显不同，这说明HMX与OC控暴剂体系低温下与高温下的分解机理不同。

2.3 微热量热法实验结果

经典的相容性研究方法主要适用于考察反应产物是气体组分为主或热效应比较大的物质之间的相互作用。但在样品量小、测试温度低的情况下，仅用测定气体产物压力等宏观物理量来研究含能材料的相容性是不全面的。微量热法由于可以在接近常温或更低的温度下测定反应的热效应，实验用样品量大，仪器具有很高的精密度和灵敏度，使测定结果更接近于实际情况，更具说服力。为考察OC控暴剂与炸药的相容性，采用微热量热法研究了RDX、HMX和OC控暴剂的相互作用。用混合体系的热流曲线与纯组分的热流曲线所绘制的混合体系的理论热流曲线之差值，评价试样的内外相容性。试验温度为100℃，数据采集时间为40h。HMX和OC控暴剂、RDX和OC控暴剂的热流曲线见图2~3。从试验结果可以看出，RDX、HMX和OC控暴剂的理论热流曲线均位于实测混合曲线之上，说明在100℃条件下RDX、HMX和OC控暴剂可以抑制彼此的分解，根据热量变化情况判断RDX、HMX和OC控暴剂之间反应较弱，两者之间相容。

图2 HMX和OC控暴剂的热流曲线

图3 RDX和OC控暴剂的热流曲线

3 结论

（1）采用了DSC对OC控暴剂与7种炸药进行了测试，结果表明OC控暴剂与7种炸药均不相容，在OC的作用下炸药的分解峰温降低了7.6~108.5℃，主要原因为OC控暴剂在低温段就呈熔融液态，改变了炸药的分解环境所致。

（2）采用压力传感器法对OC控暴剂与RDX、HMX进行了测试，结果表明RDX与OC控暴剂两者为中等反应，HMX与OC控暴剂两者相容。HMX与OC控暴剂在较低温度下分解无明显相互促进，HMX与OC控暴剂体系低温下与高温下的分解机理不同。

（3）采用微热量热法研究了RDX、HMX和OC控暴剂的相互作用。RDX、HMX和OC控暴剂的理论热流曲线均位于实测混合曲线之上，可以抑制彼此的分解，根据热量变化情况判断RDX、HMX和OC控暴剂之间反应较弱，两者之间相容。

（4）结合各实验结果，综合评价认为HMX与OC控暴剂的反应能力较弱，更适合作为OC控暴剂爆炸分散用高能材料。

[1] Scott E M. OC powder-the future of riot control[R]. ADA 351583,1998.

[2] Sean P G. Riot control agents and chemical weapons arms control in the united states[J].Journal of Strategic Security, 2012, 5(4): 1-18.

[3] Jason S, Ian G.The use of chemical incapacitant sprays: a review[J]. J Trauma,2002(52):595-600.

[4] Thomas W, Basil R, Sigrun C. Comparison of the effects of pelargonic acid vanillylamide and capsaicin on human vanilloid receptors[J].Phytotherapy Research, 2013,27(7):1 048-1 053.

[5] Ramesh C G. Handbook of toxicology of chemical warfare agents[M].Academic Press, 2009.

[6] Michael C. Chemical control: regulation of incapacitating chemical agent weapons, riot control agents and their means of delivery[J].International Review of the Red Cross,2016 (2015): 923-928.

[7] Kulkarni M P, Phapale U G, Swarge N G, Somayajulu M. R. Smoke composition to disseminate capsaicinoids in atom- sphere as sensory irritant[J]. Defence Science Journal, 2006, 56(3):369-375.

[8] 王亮亮,刘艳,赵守田,张彤. GAP-PAVA的制备及性能研究[J]. 固体火箭技术, 2018,41(5): 603-607.

[9] 程万影,郝雪颖,马士洲.新型控暴器材爆炸分散研究[J]. 火工品,2012(6):1-4.

[10] Mu Y L, Wang H Y, He J, Zhou M M, Hao H M, Li G B. Study on the compatibility and stability of pava pyrotechnic composition[C]//2011 International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics（2011 IASPEP）, 2011.

Study on the Dynamite Used to Disperse OC Riot Control Agent

WANG Hong-ying, HAO Huan-ming, ZHAO Shou-tian, KANG Kai, CHEN Yan-kun

(Research Institute of Chemical Defense, Beijing, 102205)

The compatibility of dynamites and OC riot control agent was studied by DSC，presure sensor method and microcalorimetry method. The OC is uncompatibility with CL-20、HMX、HNS、RDX、PETN、TATB、LLM105 by DSC detection. The decomposition peak temperature of dynamites are decreased from 7.6℃ to 108.5℃. The results of presure sensor method shows that there is a good compatibility between OC and HMX, but a moderate reaction between OC and RDX. The heatflow curves of theory are all over the heatflow curves of mixture, considering all these results, HMX is suitable to disperse OC riot control agent.

OC riot control agent；Dynamites；DSC method；Presure sensor method；Microcalorimetry method

1003-1480（2019）02-0015-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.004

2019-02-19

王红英（1977 -），女，副研究员，主要从事烟火药剂及器材应用技术研究。