非酯类增塑剂在RDX/HTPB基浇注炸药中的应用研究

王 鹏，张天福，李忠友，赵新岩，程 迪，高 扬

(航天化学动力技术重点实验室，湖北航天化学技术研究所，湖北 襄阳 441003)

浇注型高聚物粘结炸药(PBX)因其良好低易损性能，对子弹、火焰及破片等多种刺激不敏感，且在贮存、使用及运输过程中安全可靠，成为钝感弹药发展的一个关键领域，目前已广泛应用于欧美国家各类武器战斗部装药[1-3]。

浇注PBX的常用惰性粘结剂为端羟基聚丁二烯(HTPB)。为了提高浇注混合炸药的爆炸威力，其固体含量通常高达85%～91%。目前降低浇注炸药粘度的常用方法有2种：一种方法是使用低分子量、低粘度的HTPB；另一种方法是适当增加增塑剂的含量，通过提高增塑比达到降低药浆粘度的目的[4]。增塑剂不仅能有效增加药浆可塑性及流动性，改善装药工艺性能，而且能有效提高混合炸药的安全性能[5]。国内外常用的增塑剂为己二酸二辛酯(DOA)或癸二酸二辛酯(DOS)，这类耐寒型增塑剂的粘度低，但当该类增塑剂含量较高时容易发生迁移，致使PBX的渗油率增加及力学强度降低，因此在实际使用时需控制该类增塑剂在混合炸药中的含量[6-7]。同时，该类脂肪族二元酸酯类增塑剂对ε-CL-20 具有溶解性，能促进其晶型发生转变[8]。

研究新型的耐迁移且能降低浇注PBX粘度的增塑剂具有重要的应用价值。美国在含90% CL-20的DLE-C038炸药中采用新型增塑剂PL1，与增塑剂己二酸二辛脂(DOA)、异壬酸异癸酯(IDP)相比，该增塑剂对CL-20无溶解性，且显著降低了炸药的粘度[9-10]。法国研究人员采用一种P0增塑剂，获得了工艺性能良好的含91%固含量的CL-20基浇注炸药[11]。张俊等[12]研究发现对于HTPB基浇注PBX，不同增塑剂优劣次序依次为IDP>DOA>DOS。欧亚鹏[13]设计了一种复合增塑剂AI，降低了浇注PBX 药浆黏度，提高了固相含量，同时降低了PBX的渗油性。本研究采用了2种新型非酯类惰性增塑剂NP、KA，以常用增塑剂DOS为参照物，对比分析了3种不同增塑剂对HTPB的增塑效果，并在RDX/HTPB基浇注炸药配方中进行了初步的应用分析，旨在为高固体含量浇注PBX的研究提供参考。

1 实验部分

1.1 实验原料和仪器

黑索今(RDX)，工业级，甘肃银光化学工业集团有限公司；铝粉(Al)，FLQT3，鞍钢实业微细铝粉有限公司；端羟基聚丁二烯(HTPB)，工业级，Ⅲ型，黎明化工研究设计院有限责任公司；癸二酸二辛酯(DOS)，工业级，营口天元化工研究所股份有限公司；异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，工业级，德国拜耳公司；NP、KA，湖北航天化学技术研究所自制。

ARES-G2 高级旋转流变仪，美国TA公司；DMA2980 动态粘弹谱仪，美国TA公司；DSC-Q 2000 型差示扫描量热仪，美国 TA 公司；电子天平，分度值 0.01 mg，瑞士梅特勒多利公司；KVM-5型捏合机及控制系统，湖北航鹏化学动力有限公司。INSTRON-5567材料试验机，美国INSTRON公司。VT550粘度计，德国哈克公司；WM-1型摩擦感度测试仪、WL-1 型撞击感度测试仪，湖北航天化学技术研究所。

1.2 试样制备

将HTPB、DOS或NP、KA等增塑剂按配比预混，加入少量固化催化剂TPB，于70 ℃烘箱加热2 h，确保流动性好且混合均匀，然后按比例加入固化剂IPDI搅拌均匀，真空去除气泡，浇入聚四氟乙烯模具内，置于60 ℃烘箱固化7 d得到厚度为3 mm 左右的胶片，取出放入干燥器中待测。

浇注PBX的主要固体组成为RDX/Al=70/20，粘结剂为HTPB。具体制备工艺如下：按配方组成称取各类原材料，首先将Al粉与稀浆进行预混，再分3次将RDX加入至VKM-5立式混合机机中，充分混合均匀，混合温度60 ℃；然后加入IPDI继续混合；最后将混合完毕的物料采用真空浇注工艺浇注在特制模具中，置于60 ℃烘箱固化7 d得到PBX方坯。

1.3 测试表征

采用ARES-G2高级旋转流变仪，增塑剂及混合胶液的粘度测试均选取直径50 mm的上椎板下平行板，间隙0.04 mm，步阶剪切速率为35 s-1。

采用INSTRON-5567材料试验机测试哑铃型丁羟胶片及RDX基浇注PBX炸药的拉伸强度、断裂伸长率和定伸模量，常温20 ℃的拉伸速率为100 mm/min。

采用DMA 2980 型动态力学仪测试丁羟胶片的动态力学性能，拉伸模式，频率为1 Hz，温度范围-90 ℃～70 ℃，升温速率5 ℃/min。

按照GJB 772A对固化后的炸药药粒机械感度进行分析，撞击感度的测试条件为锤重10 kg，落高25 cm，摩擦感度的测试条件为表压3.92 MPa，摆角90°，得到炸药药粒发生爆炸的百分数。

按照GJB 772A—1997 702.1电测法进行爆速测试，药柱尺寸Ф30 mm×30 mm。

2 结果与讨论

2.1 不同增塑剂对HTPB的增塑效果

对3种不同增塑剂的密度、粘度、热分解特性等基本性能进行了测试分析，结果见表1、图1。其中NP、KA均为非酯类液体，外观无色。

表1结果表明，3种增塑剂的密度基本相当，均为0.90 g/cm3左右。DOS的粘度最低，流动性最好，非酯类增塑剂NP、KA的粘度较高，分别约为DOS的3.0、8.3倍。DOS的热分解呈放热特性，峰温为265.73 ℃，增塑剂NP、KA的热分解均为吸热特性，峰温分别为249.50 ℃、287.16 ℃。

表1 不同增塑剂的基本性能

图1 不同增塑剂的DSC曲线

对采用不同增塑剂制备的丁羟胶片常温抗拉强度、玻璃化温度(DMA分析)进行了测试，其中增塑剂与HTPB的质量比为1∶1，结果见表2。

表2 不同丁羟胶片的抗拉强度及玻璃化温度

表2结果表明，采用3种不同增塑剂制备的HTPB基聚氨酯胶片玻璃化温度均低于-60 ℃，保证了聚氨酯弹性体具有良好低温力学性能。

与空白试样J-1相比，添加增塑剂后，不同聚氨酯胶片的最大延伸率均显著提高，胶片的抗拉强度及弹性模量均降低，这与增塑剂的作用效果相一致。J-3、J-4胶片的最大抗拉强度均高于J-2，延伸率略低于J-2。这表明，与常用增塑剂DOS相比，2种新型增塑剂NP、KA对HTPB的增塑效果良好。

2.2 不同增塑剂对HTPB粘度的影响

研究了含3种不同增塑剂的丁羟混合胶液表观粘度随温度的变化关系，结果见图2。

图2 不同丁羟胶液的粘度随温度变化曲线

由图2可知，相同温度下，不同增塑剂与HTPB 的共混物中HTPB/DOS 共混物粘度最小，HTPB/KA共混物粘度最高。增塑剂本体的粘度越低，HTPB与增塑剂的混合胶液粘度也越低。不同增塑剂/HTPB 共混体系粘度变化与温度的关系呈现出一致规律，温度越高，整个共混体系的粘度越低。20～40 ℃之间共混体系的粘度降低幅度较大，40～60 ℃之间粘度下降变缓。

HTPB分子链作为一个整体发生质心相对运动，分子链之间发生相对位移，HTPB 分子运动强烈依赖于温度高低，随着温度升高，热膨胀导致空间增大，各运动单元热运动能力增强，松弛时间缩短，从而导致体系粘度降低。另一方面，HTPB与增塑剂形成共混体系时，小分子增塑剂介入 HTPB 大分子链间，增大了分子间间距，体系自由体积增加，降低了 HTPB 分子间的相互作用，运动时所需克服的摩擦阻力降低，增加了 HTPB 分子自由运动，从而使整个共混体系流动粘度降低[14]。

2.3 增塑剂在RDX基浇注PBX中的应用情况

2.3.1 增塑剂对炸药工艺性能的影响

固定炸药配方的组成及增塑比，对比分析了含不同增塑剂的RDX基浇注炸药药浆工艺性能，测试结果见表3。

表3 不同炸药的工艺性能

炸药药浆表观粘度ηy和屈服值τy的大小可用来表征药浆真空浇注过程的难易程度。表3结果表明，使用增塑剂DOS的RDX基炸药配方PX-1工艺性能差，浇注时药浆堆积，流动、流平性不好。PX-2、PX-3配方的浇注工艺性能良好，2种炸药药浆的粘度及屈服值随时间的增加而缓慢增大，5 h后药浆粘度均低于500 Pa·s，屈服值低于200 Pa，工艺性能满足战斗部大型装药的要求。与PX-3相比，PX-2炸药药浆粘度及屈服值更低，工艺性能更好。相比DOS，增塑剂NP、KA显著提高了炸药药浆的工艺性能，其中NP的作用效果最佳。

增塑剂应用于浇注炸药中，不仅能够减弱粘结剂载体HTPB分子链之间的缠绕作用，使粘结剂HTPB塑性增强，而且还起到了稀释高分子网络、润滑炸药颗粒的作用[7]。作为稀释剂，增塑剂可稀释 HTPB反应基团与IPDI固化剂反应基团的浓度，一定程度降低了固化反应速率；作为润滑剂，增塑剂在RDX炸药颗粒表面润湿形成一层薄膜，减弱了粘结剂固化网络与炸药颗粒的相互作用。

分析认为，与DOS相比，NP及KA增塑剂与HTPB的饱和增塑浓度更高，且耐迁移，因此其稀释高分子网络的作用较弱，加快了固化剂IPDI前期的固化反应速率，同时NP及KA增塑剂更有助于增强RDX颗粒的润湿性，从而提高了RDX基炸药药浆的流动及流平性。

2.3.2 增塑剂对炸药力学性能及机械感度的影响

分析了使用不同增塑剂的浇注炸药配方机械感度及力学性能，结果见表4。

表4 不同炸药的机械感度及力学性能参数

由表4可知，炸药配方PX-1常温抗拉强度较低，使用非酯增塑剂的炸药配方PX-2、PX-3常温抗拉强度相当。由于增塑剂含量较高，增塑剂与HTPB的含量达到1∶1时，DOS增塑HTPB已达到过饱和状态，超过溶胀平衡浓度，部分DOS发生迁移，稀释、减弱了炸药的固化反应，使得固化后的方坯较软，致使PX-1抗拉强度低。相同情况下，非酯类增塑剂NP、KA的浓度未到达溶胀极限，且该增塑剂耐迁移，因此能在较大增塑比的情况下不减弱炸药的固化，炸药的力学性能保持良好。

2.3.3 增塑剂对炸药爆轰性能的影响

测试分析了含不同增塑剂的RDX基浇注炸药配方爆速，结果见表5。每种配方平行测试两组。

表5 不同炸药配方的爆速测试结果

表5表明，对比DOS，由于增塑剂NP、KA提高了炸药药浆的工艺性能，因此，PX-2、PX-3炸药固化成型更密实，装药密度有所增加。由于3种增塑剂均为惰性增塑剂，且其密度接近，因此，含不同增塑剂的3种RDX基浇注炸药配方的爆速基本相当，均大于7 900 m/s。

3 结论

1) 2种新型耐迁移增塑剂NP、KA对HTPB有良好的增塑效果。

2) 与增塑剂DOS相比，2种非酯类增塑剂NP、KA是炸药颗粒的良好润湿剂，且不会显著减弱HTPB聚氨酯网络的固化反应，可显著提高浇注炸药工艺性能的同时，保持良好的力学性能，更适用于HTPB基高固体含量浇注炸药配方。