高聚物黏結(jié)ε-HNIW 混合炸藥的制備及其感度

姜夏冰,焦清介,任 慧,孫庭儒

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,北京100081)

引 言

六硝基六氮雜異伍茲烷(HNIW,CL-20)是迄今為止公認的威力最大的單質(zhì)炸藥[1]。1987年美國Nielsen[2]于1987年首次合成C L-20,并成功研制出的CL-20 基混合炸藥有LX-19(CL20/Estane5703-P)、PAX-12、PAX-11、PAX-29、DLEC038、PBXW-16[3]和 PBXC-19、RX-39-AB、PA THX 系列以及PBXCLT[4]等,此外,日本和瑞典也研制出CL-20 基高威力低易損性炸藥[5],印度也將CL-20/PU 應(yīng)用到聚能裝藥[6],其爆速比相應(yīng)的HMX 基炸藥提高5%～10%。在國內(nèi),于永忠于1994年合成出CL-20,現(xiàn)已小規(guī)模批量生產(chǎn),此后,科技工作者在對原料C L-20 進行篩分、降感和包覆鈍感化處理等方面取得了一定進展[7-9]。由于原料CL-20 晶型復(fù)雜、不規(guī)則、粒徑分布較寬,并且機械感度過高,必須對原料CL-20 進行重結(jié)晶處理,本研究參考國外CL-20 基混合炸藥配方和性能參數(shù),借鑒國內(nèi)成熟的包覆鈍感工藝,對ε-CL-20 進行重結(jié)晶,篩分后再包覆,達到了混合炸藥的使用要求。

1 實 驗

1.1 材料和儀器

C L-20,PETN,HMX,遼寧慶陽特種化工有限公司;

乙酸乙酯,石油醚,硬脂酸,順丁橡膠,EVA,石油醚,沈陽新民化工試劑廠;1L 反應(yīng)釜,烘箱,鞏義予華儀器有限公司。

1.2 包覆過程

將100 g 原料CL-20 與300 mL 蒸餾水倒入反應(yīng)釜內(nèi),攪拌速率500 ～600 r/min,待溫度升至60 ℃,負壓-0.03M Pa 下,以10mL/min 速率滴加一定濃度的黏結(jié)劑溶液,滴加完畢后,保溫30 min,直至懸浮體系出現(xiàn)明顯顆粒狀,適量補加黏結(jié)劑溶劑,使造型粉更加均勻,最后洗滌干燥以制備樣品。

1.3 感度測試

按照GJB772-1997.601.2 測試撞擊感度,KAST 型撞擊感度儀,落錘質(zhì)量2.5 kg,藥量30 mg,30 發(fā)實驗。

按照GJB772-1997.601.2 測試摩擦感度,擺角60°,藥量20 mg,0.9 MPa,WM-1 型摩擦感度儀,撫順礦業(yè)研究院。

FT-IR:德國BRUKER 公司VERTEX70 型紅外光譜儀,KBr 壓片。TG-DTG-DSC 測試:德國NETZSCH 公司STA449C 型熱分析儀,氮氣氣氛,5 ℃/min 升溫速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料C L-20 的機械感度對混合炸藥的影響

C L-20 的撞擊感度和摩擦感度與其粒度和顆粒外形有關(guān),初步認為與β-HM X 相仿,靜電火花感度與太安(PE TN)或HM X 相當[10]。

為進一步研究C L-20 的性能,與原料PETN 和β-HM X 進行對比,掃描電鏡照片分別如圖1 所示。

圖1 3 種炸藥的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 The SEM of CL-20,PETN and β-HMX

由圖1可知,原料CL-20 呈紡錘形,棱角鮮明,中位粒徑約為100 μm;PETN 呈塊狀,中位粒徑約為120 μm;β-HMX 呈短柱狀結(jié)晶,中位粒徑約為60 μm。

原料C L-20、PETN 和β-HM X 的撞擊感度和摩擦感度測試結(jié)果如表1 所示。

表1 3 種炸藥的撞擊感度和摩擦感度Table 1 The impact and friction sensitivities of three explosives

由表1可見,原料C L-20 的撞擊感度與PETN相當,摩擦感度遠高于PETN,機械感度遠高于β-HM X。原因是由于粒度分布不均和晶形不規(guī)則所導(dǎo)致,不能直接用于制備CL-20 基PBX 類炸藥。

2.2 重結(jié)晶制備ε-C L-20

乙酸乙酯和石油醚作為溶劑-反溶劑重結(jié)晶體系,在常溫下對原料CL-20 進行重結(jié)晶(轉(zhuǎn)晶)處理,制備出晶形規(guī)整、粒徑均一的ε-C L-20 晶體,如圖5 所示。

圖2 重結(jié)晶ε-C L-20 照片(×100)Fig.2 The photo of CL-20 obtained by re-crystallization(×100)

圖2 中的晶粒在顯微鏡下呈塊狀晶粒,平均粒徑200 ～300 μm,與文獻[14]報道的ε-CL-20 晶形外觀相同,紅外光譜如圖3 所示。

圖3 ε-CL-20 的紅外光譜Fig.3 FT-IR spectrum of ε-CL-20

圖3 顯示,在3024 cm-1和3037 cm-1處有一組吸收較強的高波數(shù)雙峰,在1 285cm-1～850 cm-1有2 個單峰和一組雙峰,尤其在740 cm-1附近有一組中等強度的四重峰,表明C L-20 沒有發(fā)生轉(zhuǎn)晶,仍為ε型。

經(jīng)重結(jié)晶處理后,晶體的結(jié)晶密度2.02 g/cm3,堆積密度1.10 g/cm3,符合PBX 所用ε-C L-20 的粒徑和密度要求[10]。撞擊和摩擦感度比原料略有降低,主要是粒度分布變窄,晶形趨于規(guī)整,但是,粒徑增大仍是機械感度未能大幅度降低的主要原因。

2.3 不同黏結(jié)劑包覆ε-C L-20 及其撞擊感度

參照LX-19 配方,在保證主體炸藥含量不低于95%(質(zhì)量分數(shù))的前提下,盡可能地降低其機械感度。分別選用質(zhì)量分數(shù)5%硬脂酸(SA)、順丁橡膠(BR)和EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)和對ε-CL-20 進行包覆,包覆后混合炸藥的照片如圖4 所示,撞擊感度如表2 所示。

圖4 3 種混合炸藥的照片F(xiàn)ig.4 The photos of three mixed explosive

表2 ε-CL-20 基混合炸藥的撞擊感度Table 2 The impact sensitivity of mixed explosives based on ε-CL-20

SA 作包覆劑時,利用其疏水作用成球以制備造型粉,圖4(a)中顯示炸藥顆粒表面有層薄質(zhì)蠟層,阻止了顆粒間團聚,但仍有部分晶面棱角裸露,原因是炸藥顆粒變細時,表面能很大,加之SA 用量很低,將很難完全包覆。BR 作為包覆劑時,由于BR 溶于石油醚后處于一種溶脹的分子狀態(tài),鏈狀結(jié)構(gòu)的分子可吸附在炸藥顆粒表面,首先黏附在晶形規(guī)則的大顆粒表面,小顆粒由于表面能大,晶面相互堆砌凝并,因此BR 分子只能網(wǎng)絡(luò)在其表面。EVA 作包覆劑時,由于其在石油醚中的溶解度很低,作為高分子發(fā)泡劑和阻燃隔熱劑,水懸浮包覆效果不理想。

2.4 ε-CL-20/SA 的熱穩(wěn)定性

由于升溫速率不同,混合炸藥體系的初始分解溫度亦不同,在5 ℃/min 的升溫速率條件下,ε-C L-20 的初始分解溫度為232 ℃,分解峰溫為244 ℃,LX-19 分別為220 ℃和227 ℃(氦氣氣氛,1mg 樣品)[10],而ε-CL-20/SA 的TG-DTG-DSC 分析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 結(jié)果表明,在5 ℃/min 的升溫速率條件下,ε-CL-20/SA 的DSC 曲線在177.5 ℃處有一吸熱峰,此時C L-20 由ε型轉(zhuǎn)變?yōu)棣眯?與純ε-CL-20(170 ℃)相比,相變溫度提高7.5 ℃,SA 的熔融需要吸熱,從而提高了相變溫度,熱穩(wěn)定性有所提高。在238.8 ℃處有一個放熱過程,達到放熱峰溫242.9 ℃,其間放熱值為1 251 J/g,伴隨熱重曲線在此兩點處分別有81.31%和15.58%的失重,即快速熱分解過程,若是爆炸,熱焓值為2 667 J/g[10]。

與C L-20 相比,C L-20/SA 的起始分解溫度升高了6.8 ℃,分解峰溫降低了僅1 ℃,SA 與C L-20的相容性優(yōu)于Estane,與C L-20/GAP(96/4)[10]的起始分解溫度和分解峰溫相似,與CL-20/硅橡膠也近似[11],因此,C L-20/SA 的熱性能穩(wěn)定,低于220 ℃時,熱安定性良好。

圖5 ε-CL-20/S A 的TG-DTG-DSC 聯(lián)動曲線Fig.5 TG-DTG-DSC curves forε-C L-20/SA

3 結(jié) 論

(1)原料CL-20 的機械感度較高,特性落高遠低于原料β-HM X,與原料PE TN 相近,不能直接用于混合炸藥。

(2)重結(jié)晶制備的高品質(zhì)ε-CL-20,其撞擊感度略有降低,主要原因是粒徑的增大,影響撞擊感度的因素依次為粒徑、粒度分布和晶形。

(3)C L-20/SA 混合炸藥的撞擊感度與1 類RDX 相當,熱穩(wěn)定性優(yōu)于LX-19,是一種新型混合炸藥。

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