鈍感劑對(duì)RDX熱分解性能的影響研究

梁 磊, 王晶禹, 董 軍,安崇偉, 黃 浩

(1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,山西 太原 030051;2.北京理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京 100081)

鈍感劑對(duì)RDX熱分解性能的影響研究

梁 磊1, 王晶禹1, 董 軍1,安崇偉1, 黃 浩2

(1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,山西 太原 030051;2.北京理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京 100081)

采用DSC對(duì)原料RDX和鈍感劑與RDX的復(fù)合物進(jìn)行了熱分析測(cè)試,對(duì)樣品的熱分解動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比。結(jié)果表明,加入鈍感劑(石墨或復(fù)合蠟)后,RDX在不同升溫速率(2、5、10、20 K/min)下的放熱峰峰溫都得到了升高,熱穩(wěn)定性也有所提高,熱力學(xué)參數(shù)發(fā)生明顯的變化。

鈍感劑;黑索今;熱分解性能

引 言

黑索今(RDX)是能量較高、性能優(yōu)良的一種單質(zhì)炸藥,它在主裝藥、傳爆藥、發(fā)射藥和推進(jìn)劑中得到了廣泛的應(yīng)用。但RDX的感度較高,在混合炸藥的制造和使用中,需要采取一些鈍感措施來(lái)降低其感度。其中,一種常用的方法是在炸藥配方中加入一定量的鈍感劑,如石墨、蠟等。石墨在高聚物黏結(jié)炸藥中應(yīng)用較為廣泛,它既可以直接加入到炸藥配方中,也可以在混合炸藥制成后滾附在炸藥顆粒表面。石墨在混合炸藥中可起到緩沖機(jī)械能和潤(rùn)滑的作用,從而有效地降低炸藥的撞擊感度和摩擦感度。蠟類鈍感劑是另一種對(duì)硝胺炸藥具有明顯鈍感效果的物質(zhì),它的吸熱作用是鈍感的重要原因[1]。多年來(lái),國(guó)內(nèi)外已有大量的研究證實(shí),加入鈍感劑可以有效地提高混合炸藥生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存和使用時(shí)的安全性[2-5]。

炸藥的熱分解性能不僅可反應(yīng)出炸藥在熱作用下的分解歷程,而且可從動(dòng)力學(xué)的角度深入揭示炸藥的安全性能。目前,鈍感劑對(duì)炸藥作用的研究主要集中在機(jī)械感度方面[6],而對(duì)炸藥熱分解性能的影響研究報(bào)道較少。為此,本文對(duì)加入鈍感劑(石墨或復(fù)合蠟)前、后的RDX樣品進(jìn)行了熱分析測(cè)試,研究了鈍感劑對(duì)RDX熱分解性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

RDX,提純,d50>100μm,中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司805廠;石墨,河南昌瑞石墨廠;復(fù)合蠟,鄭州創(chuàng)博化工產(chǎn)品有限公司。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

分析天平,精確到0.01 mg,北京光學(xué)設(shè)備有限責(zé)任公司;DSC-131型差示掃描量熱儀,法國(guó)Setaram公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取0.7 mg試樣,置于坩堝中,在壓片機(jī)上壓卷密封,置于試樣支持器中。同樣,制取0.7 mg參比物Al2O3(1 200℃,烘干24 h),置于參比物支持器中。設(shè)置升溫速率,打開進(jìn)氣閥門,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。待試樣出現(xiàn)完整的放熱峰后,停止實(shí)驗(yàn)。

1.3 熱分析測(cè)試

按照GJB772-97中501.1“差熱分析和差示掃描量熱法”進(jìn)行熱分析測(cè)試。實(shí)驗(yàn)條件:N2氣氛(流速為30 mL/min),鋁制坩堝,取樣量0.7 mg,升溫速率2、5、10、20 K/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈍感劑對(duì)RDX熱分解特性的影響

為了分析鈍感劑(石墨或復(fù)合蠟)對(duì)炸藥RDX熱分解性能的影響,采用差示掃描量熱法對(duì)炸藥進(jìn)行測(cè)試和分析。升溫速率分別為2、5、10、20 K/min時(shí)的DSC曲線如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2可以看出,原料RDX的DSC曲線有2個(gè)峰,前一個(gè)為熔化吸熱峰,后一個(gè)是熱分解放熱峰。無(wú)論加入何種鈍感劑(石墨或復(fù)合蠟),樣品DSC曲線的形狀都大致保持不變。而且,在不同升溫速率下,加入鈍感劑后炸藥的放熱峰峰溫都比原料RDX有所升高。當(dāng)升溫速率為2 K/min時(shí),加入鈍感劑(石墨或復(fù)合蠟)后,RDX的放熱峰峰溫分別提高了3.08℃和5.17℃。

圖1 加入石墨前、后RDX在不同升溫速率下的DSC曲線圖

圖2 加入復(fù)合蠟前、后RDX在不同升溫速率下的DSC曲線圖

2.2 鈍感劑對(duì)RDX熱分解動(dòng)力學(xué)的影響

根據(jù)不同升溫速率下的放熱峰峰溫,采用Kissinger公式[見式(1)][7]分別對(duì)原料RDX以及加入鈍感劑后樣品的熱分解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析。

式中:E——表觀活化能,J/mol;

A——指前因子,s-1;

β——升溫速率,K/min;

R——?dú)怏w常數(shù),8.314 J/(mol·K);

Tm——炸藥的分解峰溫,K。

圖3 3種樣品的活化能及指前因子

將圖3求得的活化能(E)和式(2)[7]求得的Tp0代入熱爆炸臨界溫度計(jì)算式[式(3)][7],即可得到加入鈍感劑后炸藥的熱爆炸臨界溫度(Tb),結(jié)果見表1。

式中:Tp0——升溫速率趨近于0 K/min時(shí)的峰溫,℃;

Tpi——峰溫,℃;

b、c、d——常數(shù);

Tb——熱爆炸臨界溫度,℃。

表1 加入石墨或復(fù)合蠟前、后RDX的熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)

從表1可知,在加入鈍感劑(石墨或復(fù)合蠟)后, RDX熱爆炸臨界溫度分別升高了3.1℃和13.3℃。結(jié)果表明,鈍感劑的加入提高了RDX的表觀活化能以及熱爆炸臨界溫度,進(jìn)而提高了RDX的熱穩(wěn)定性。

2.3 鈍感劑對(duì)炸藥熱分解熱力學(xué)參數(shù)的影響

原料RDX以及加入鈍感劑后樣品的熱分解熱力學(xué)參數(shù)、活化熵ΔS≠、活化焓ΔH≠、活化自由能ΔG≠,可以利用公式(4)、(5)、(6)計(jì)算得出[7],結(jié)果見表2。

表2 加入石墨或復(fù)合蠟前、后RDX的熱力學(xué)參數(shù)

式中:T=TP0;E、A為圖3所得;kB=1.380×10-23J/K,波爾茨曼常數(shù);h=6.626×10-34J·s,普朗克常數(shù)。

由表2可知,加入鈍感劑后,RDX的熱力學(xué)參數(shù)活化熵ΔS≠、活化焓ΔH≠和活化自由能ΔG≠都得到了一定的升高。

3 結(jié)論

石墨和復(fù)合蠟對(duì)RDX的熱分解性能都有明顯的影響。主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

1)加入石墨或復(fù)合蠟后,RDX在各升溫速率下的放熱峰峰溫都有一定的升高。

2)加入石墨或復(fù)合蠟后,RDX的表觀活化能和熱爆炸臨界溫度均得到一定的升高,熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。

3)加入石墨或復(fù)合蠟后,RDX的熱分解熱力學(xué)參數(shù)(活化熵ΔS≠、活化焓ΔH≠和活化自由能ΔG≠)都有明顯的提高。

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Abstract:To investigate the effects of desensitizing agent on the ther mal decomposition characteristics of RDX,DSC experi mentswere employed to test the thermal decomposition characteristics of raw RDX and the compound of RDX and desensitizing agent.Meanwhile, the ther mal decomposition kinetics and thermodynamics parameters of sampleswere calculated and contrasted.Results show that after the addition of graphite and compound wax,the peak temperature of RDX all increase at heating rate of 2、5、10 and 20 K/min.In addition,the thermal stability has been improved and the obvious changes also has been found in the thermodynamics parameters.

Key words:desensitizing agent;RDX;ther mal decomposition characteristics

Effects of desensitizing agent on the thermal decomposition characteristics of RDX

L IANG Lei,WANG Jing-yu,DONG Jun,AN Chong-wei,HUANG Hao
(1.Chem ical and Environment Institute,North Un iversity of China,Ta iyuan Shanxi030051,China; 2.School ofM echatron ical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

TQ564

A

1004-7050(2010)04-0021-04

2010-05-05

梁 磊,男,1984年出生,中北大學(xué)在讀碩士研究生。研究方向:混合炸藥性能研究。