表面活性劑對CL-20基澆注傳爆藥流變性能的影響

李海興，王晶禹，安崇偉

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原，030051）

目前，在不增加威力系統(tǒng)尺寸和質(zhì)量的前提下，提高高性能戰(zhàn)斗部毀傷效率是一個(gè)重要的研究方向[1-2]，而爆炸網(wǎng)絡(luò)起爆技術(shù)是其中一個(gè)重要的技術(shù)途徑。這種新型技術(shù)是利用爆炸網(wǎng)絡(luò)對戰(zhàn)斗部裝藥實(shí)施分位多點(diǎn)起爆，以達(dá)到破片定向分散、聚焦的目的，具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和溝槽直徑小（一般在1mm以下）[3-5]的特點(diǎn)。這種特點(diǎn)給爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)溝槽的裝藥技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外已經(jīng)采用精密壓裝和擠注（或注射）裝藥工藝對微型溝槽進(jìn)行裝藥[6-8]。其中，注射裝藥是將熱固性高分子材料和炸藥的混合藥漿采用一定的方式注入到微型溝槽中。在注射過程中，藥漿的流變性能對裝藥質(zhì)量有著重要的影響。表面活性劑對藥漿的固相成分可起到乳化作用，在粘結(jié)劑中加入少量的表面活性劑往往能改善藥漿的流變性能[9-10]。本文以CL-20/HTPB/DOA為基礎(chǔ)配方，研究了表面活性劑卵磷脂和司班80對藥漿流變性能的影響，從而為提高微型溝槽的裝藥質(zhì)量提供改善方向。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

CL-20原料，80～100μm，兵器工業(yè)總公司375廠；端羥基聚丁二烯（HTPB)，淄博齊龍化工有限公司；己二酸二辛酯（DOA），AR，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；司班80，CP，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；卵磷脂，BR，北京真博星生物技術(shù)有限公司。

1.2 澆注傳爆藥配方的制備和流變性能測試

配置3種澆注傳爆藥配方，如表1所示。

表1 澆注傳爆藥配方各組分百分含量Tab.1 Percentage of casting booster components

將3種藥漿分別混合均勻，然后通過R/S CPS流變儀（博勒飛）運(yùn)用旋轉(zhuǎn)梯度測量單元塊測試3種配方的流變性能，每種配方藥漿的溫度分別設(shè)置為30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃，剪切率范圍為0.6～200s-1，測量點(diǎn)數(shù)為60個(gè)，測試時(shí)間為60s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面活性劑對澆注傳爆藥粘度的影響

圖1顯示了1#、2#和3#3種澆注藥漿在30℃、50℃和70℃時(shí)，粘度、剪切應(yīng)力隨剪切率的變化曲線，可以看出，在藥漿中加入活性劑卵磷脂或司班80，都能有效降低藥漿的粘度。

圖1 不同的配方在等溫時(shí)的η——γ曲線和τ——γ曲線Fig.1 η——γ and τ——γ curves of different formulations at the same temperature.

這是因?yàn)椴惶砑颖砻婊钚詣r(shí)，CL-20顆粒之間存在較強(qiáng)的表面吸附和自團(tuán)聚作用，顆粒間的內(nèi)摩擦作用也較強(qiáng)，導(dǎo)致藥漿的表觀黏度較大；當(dāng)添加表面活性劑后，表面活性劑的親水基與CL-20顆粒自發(fā)吸附，形成外層為親油基的包覆膜，能將聚集的CL-20顆粒分散開，降低顆粒間的吸附作用，同時(shí)，表面活性劑有效地潤濕CL-20表面，減弱了顆粒間的內(nèi)摩擦作用及顆粒與粘結(jié)劑之間的摩擦作用，使表觀黏度顯著降低[10]。但在不同的溫度下，卵磷脂與司班80的降粘效果也不同：溫度為30℃時(shí)，司班80要比卵磷脂的降粘效果好，但隨著溫度升高，卵磷脂的降粘作用逐漸強(qiáng)過司班80。由于考慮到傳爆藥的注射是在70℃以上進(jìn)行的，因此認(rèn)為卵磷脂降粘效果更好。表面活性劑的作用差異與其親水疏水平衡值(HLB)有關(guān)，往往HLB值大的表面活性劑降粘效果較好[10]。經(jīng)查詢，司班80的HLB值為4.3，卵磷脂的HLB值為6.41[11]，理論上卵磷脂比司班80的降粘效果要好。

2.2 表面活性劑對澆注傳爆藥屈服值的影響

藥漿中屈服值較高說明粒子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[12]更強(qiáng)，需要一個(gè)較高的剪切力來打破網(wǎng)狀物引起流動。屈服值的大小說明了藥漿由靜止向流動轉(zhuǎn)變的困難程度。對于評估藥漿的屈服值（τy），一般可根據(jù)卡松模型[13]在低剪切速率范圍內(nèi)計(jì)算：

式（1）中：τy為藥漿屈服值；τ為剪切應(yīng)力；γ為剪切速率；c為系數(shù)。圖2顯示了30℃時(shí)澆注藥漿的卡松模型擬合曲線（γ<5s-1），可以看出τ1/2——γ1/2的線性關(guān)系是非常明顯的。從擬合方程中可得1#、2#和3#3種藥漿的屈服值分別為283.914 0Pa、277.266 1 Pa和237.129 5Pa，因此司班80能夠明顯地降低澆注藥漿的屈服值，而加入卵磷脂后，藥漿屈服值仍然很大。表2顯示了不同溫度下，3種澆注傳爆藥配方的屈服值大小，可以看出加入司班80的澆注藥漿的屈服值普遍最小。

圖2 澆注傳爆藥在30℃時(shí)的卡森模型擬合曲線Fig.2 Fitting curves of Casson model of casting booster at 30℃

表2 澆注傳爆藥在不同溫度下的屈服值Tab.2 Yield point value of casting booster at different temperatures

2.3 表面活性劑對澆注傳爆藥非牛頓指數(shù)的影響

對于假塑性體，在描述剪切速率對粘度的影響時(shí)，廣泛運(yùn)用冪律模型[14]:

式（2）中：η為粘度；γ為剪切速率；K為系數(shù)；n為非牛頓指數(shù)。n值的大小表明藥漿粘度對剪切速率的敏感程度。n值越大表明藥漿粘度對剪切速率變化的敏感度較小，藥漿流動變形的穩(wěn)定性較好；但n值過大，無法通過改變剪切速率來調(diào)整藥漿的流動性。n值過小，藥漿粘度對剪切速率的變化過于敏感，澆注傳爆藥在成型時(shí)的流變穩(wěn)定性差，即注射工藝參數(shù)的微小波動都會使藥漿的流變行為發(fā)生很大的改變，不利于制品的成型[15-16]。

通過對冪律模型兩邊取雙對數(shù)，可擬合計(jì)算藥漿的非牛頓指數(shù)：

圖3是3種澆注傳爆藥配方在30℃時(shí)式（3）的擬合曲線，可計(jì)算1#、2#和3#3種藥漿的非牛頓指數(shù)分別為0.327 64、0.456 82和0.456 07。同時(shí)圖4顯示了3種配方在不同溫度下的非牛頓指數(shù)，可以看出，加入司班80很大程度地增大了藥漿的非牛頓指數(shù)，而加入卵磷脂的澆注藥漿，在低溫狀況下，非牛頓指數(shù)較大，但隨著溫度升高，非牛頓指數(shù)急劇降低。因此，司班80更有利于澆注傳爆藥的流變穩(wěn)定性。

圖3 30℃時(shí)澆注傳爆藥關(guān)于式(3)的擬合曲線Fig.3 Fitting curves of the equation（3）about casting booster at 30℃

圖4 澆注傳爆藥在不同溫度下的非牛頓指數(shù)Fig.4 Non-Newtonian index of casting booster at different temperatures

2.4 表面活性劑對澆注傳爆藥粘流活化能的影響

圖5顯示了3種澆注傳爆藥配方在30～80℃時(shí)粘度、剪切力隨剪切率的變化曲線。

圖5 同種澆注傳爆藥在不同溫度下的η——γ和τ——γ曲線Fig.5 η——γ and τ——γ curves of the specific casting booster formulas at different temperatures

由圖5可見，3種配方的粘度、剪切力都會隨著溫度的升高而降低。因?yàn)轶w系的連續(xù)相粘結(jié)劑的粘度具有隨溫度的升高而降低的性質(zhì)。溫度升高，大分子鏈之間的排斥力增加，分子間距增加，使材料內(nèi)部形成更多的自由體積而利于分子鏈段的活動[17]。

從圖5中3種澆注傳爆藥配方在不同溫度下粘度曲線之間的間距，可以隱約對比3種配方對溫度的敏感程度。本研究通過擬合計(jì)算來驗(yàn)證。圖6顯示了剪切率為20s-1時(shí)，3種配方粘度隨溫度變化的曲線。藥漿粘度與溫度的關(guān)系可以用Arrhenius公式[18]表述：

式（4）中：E為粘流活化能（kJ·mol-1）；R為普適氣體常數(shù)（8.314 J·K-1·mol-1）；粘流活化能是高分子鏈流動時(shí)克服分子間作用力所需的能量，它反映了藥漿粘度對溫度的敏感程度[19]。E值越小，藥漿粘度對溫度變化的敏感性越小，對成型越有利。將上式兩邊同取ln對數(shù)，得：

圖6 剪切率為20s-1時(shí)澆注傳爆藥在不同溫度下的粘度Fig.6 Viscosity of casting booster at different temperatures when γ is 20s-1

圖7 澆注傳爆藥對于方程(5)的擬合曲線Fig.7 Fitting curves of the equation(5) about casting booster

2.5 表面活性劑對澆注傳爆藥綜合流變學(xué)因子的影響

Weir[20]提出塑性指數(shù)αSTV來綜合評價(jià)藥漿的流變性能，這個(gè)指數(shù)包括藥漿粘度、粘度對溫度的敏感度和粘度對剪切速率的敏感度這幾個(gè)主要流變學(xué)參數(shù)，稱之為藥漿綜合流變學(xué)因子，其表達(dá)式為：

式（6）中：0η為參考剪切速率下的粘度；γ為剪切速率；n為非牛頓指數(shù)；E為粘流活化能；R為氣體常數(shù)；T為溫度。αSTV值越大，藥漿綜合流變性能越好。

對于3種澆注傳爆藥配方，以溫度為80℃，剪切率為20s-1的粘度作為參考點(diǎn)，運(yùn)用公式（6），計(jì)算求得1#、2#和3#的綜合流變學(xué)因子αSTV分別為3.69×10-6、3.91×10-6和4.64×10-6。因此在澆注傳爆藥中加入司班80更大程度地增強(qiáng)了澆注傳爆藥的綜合流變性能。

3 結(jié)論

（1）表面活性劑卵磷脂或司班80都能有效降低澆注傳爆藥藥漿的粘度。在低溫時(shí)，司班80比卵磷脂的降粘效果好，而在高溫時(shí)卵磷脂的降粘作用要強(qiáng)于司班80。同時(shí)，司班80比卵磷脂更大程度地降低了澆注傳爆藥的屈服值。

（2）司班80比卵磷脂更大程度地提高了CL-20基澆注傳爆藥的非牛頓指數(shù)，即使?jié)沧鞅幍恼扯葘羟兴俾实拿舾卸茸冃?；而加入卵磷脂的澆注傳爆藥在低溫下對剪切速率的敏感度較低，但隨著溫度升高，澆注傳爆藥的非牛頓指數(shù)會顯著減小。

（3）在20s-1時(shí)，1#、2#和3#共3種藥漿的粘流活化能分別為9.757 kJ·mol-1、15.258 kJ·mol-1和11.368 kJ·mol-1。因此加入活性劑會增強(qiáng)CL-20基澆注傳爆藥的粘度對溫度的敏感度，但加入卵磷脂要比加入司班80更大程度地提高了CL-20基澆注傳爆藥對溫度的敏感度。

（4）1#、2#和3#共3種藥漿的綜合流變學(xué)因子的值分別為3.69×10-6、3.91×10-6和4.64×10-6，因此司班80比卵磷脂更大程度提高了CL-20基澆注傳爆藥的綜合流變性能，更有利于澆注傳爆藥的成型。

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