一種以HMX為主的擠注傳爆藥安定性研究

史曉華，劉玉存，王建華，孫曉樂(lè)，譚彥威

?

一種以HMX為主的擠注傳爆藥安定性研究

史曉華，劉玉存，王建華，孫曉樂(lè)，譚彥威

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

以不同粒徑奧克托今（HMX）為主體炸藥，VitonA(氟橡膠)為粘結(jié)劑，加入增塑劑A，制備出一種擠注傳爆藥。對(duì)傳爆藥的5s延滯爆發(fā)點(diǎn)、DSC、內(nèi)相容性、金屬腐蝕性進(jìn)行了測(cè)試研究。結(jié)果表明：該以HMX為主的擠注傳爆藥的熱穩(wěn)定性好，其炸藥組成的各組分內(nèi)相容性良好，對(duì)金屬鋁及其氧化物無(wú)腐蝕性，該擠注傳爆藥滿足應(yīng)用要求，大規(guī)模的爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)裝藥以及裝藥成品的長(zhǎng)時(shí)間保存。

擠注傳爆藥；5s延滯爆發(fā)點(diǎn)；DSC；內(nèi)相容性；金屬腐蝕性

爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)是一種由爆炸元件構(gòu)成，通過(guò)爆轟信號(hào)的控制，選擇并傳遞不同起爆指令的傳爆裝置。爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)是小尺寸裝藥爆轟波傳播的臨界效應(yīng)、拐角效應(yīng)及間隙效應(yīng)等。它要求在小尺寸裝藥條件下，裝藥有良好的工藝特性，即要保證爆轟波能穩(wěn)定傳播，又要保證適度威力，同時(shí)具備傳爆藥的安全性能[1]。因此，爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)的藥劑研究與裝藥工藝就顯得極為重要，藥劑相關(guān)性能以及裝藥工藝方法的選擇關(guān)系著序列傳爆的成敗與效果，從而進(jìn)一步影響主裝炸藥的起爆效果。

高聚物粘結(jié)炸藥即PBX是國(guó)內(nèi)外爆炸網(wǎng)絡(luò)裝藥用藥的主要選擇對(duì)象，裝藥工藝多采用手工擠抹法[2]、絲網(wǎng)印刷法[3]、刻條填充法[1]、精密壓裝法[4]和擠注法[5]等。其中，擠注法具有可將炸藥擠注到任意形狀、尺寸微小的網(wǎng)絡(luò)溝槽的優(yōu)點(diǎn)，并且擠注裝藥工藝的裝藥密度均勻、一致性也較好。中北大學(xué)采用擠注法將HMX的混合炸藥裝填到爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了爆轟可靠穩(wěn)定傳播、爆速達(dá)到7 000m/s左右、傳爆臨界尺寸小于0.5mm×0.5mm的溝槽傳爆效果，但研究方向主要集中在裝藥工藝與藥劑配方的設(shè)計(jì)上，未對(duì)傳爆藥劑的相關(guān)安全性能進(jìn)行測(cè)試。

隨著現(xiàn)代武器技術(shù)飛速發(fā)展，出現(xiàn)了大量的導(dǎo)彈、火箭等高端武器，為了避免貯存，運(yùn)輸過(guò)程意外爆炸或者發(fā)射過(guò)程中的意外事故，對(duì)傳爆藥的安全性提出越來(lái)越高的要求[6]。因此，本文研究了一種以HMX為主的擠注傳爆藥的相關(guān)性能，該研究對(duì)爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)裝藥的規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用有一定的參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

藥品：細(xì)化HMX（粒徑≤２μｍ），中北大學(xué)；E類HMX；乙酸丁酯，天大化學(xué)試劑廠；增塑劑A，分析純，市售；儀器：KTC-0.5t 型液壓機(jī)，東莞市科鑫盟機(jī)械設(shè)備公司；HCT-1 型差示掃描量熱儀，北京恒久科技有限公司。

1.2 擠住傳爆藥的制備工藝

為滿足傳爆藥劑的可靠傳爆及具有相當(dāng)?shù)哪芰?，主炸藥選取細(xì)化HMX與E級(jí)HMX的混合物，含量為95%，其中細(xì)化HMX與E級(jí)HMX的比例為3∶1；粘合劑選取VitonA，含量為5%；增塑劑選取增塑劑A，加入量為藥劑量的1%。細(xì)化HMX與E級(jí)HMX用水懸浮法包覆成造型粉粒，將定量的乙酸丁酯（乙酸丁酯(mL)/造型粉(g)=1:3.5）和增塑劑A混合均勻后加入放有造型粉粒的燒杯，充分?jǐn)嚢枘蠛?，?dāng)藥劑混合為橡皮泥狀的膩?zhàn)诱ㄋ?，表面達(dá)到一定的硬度時(shí)，可用于擠注裝藥。

1.3 裝藥工藝

在網(wǎng)絡(luò)基板上置一通孔蓋板并緊密閉合，該蓋板采用有機(jī)玻璃材料，在與網(wǎng)絡(luò)基板溝槽相應(yīng)位置開(kāi)若干擠注通道，并與基板完全對(duì)應(yīng)。將HMX混合炸藥放入專用擠注模具，通過(guò)擠注通道將炸藥擠入網(wǎng)絡(luò)基板當(dāng)中。擠注完成后將通孔蓋板水平錯(cuò)開(kāi)，并清理網(wǎng)絡(luò)基板。將網(wǎng)絡(luò)基板放入水浴烘箱烘干。藥體干燥后，表面未發(fā)現(xiàn)凹陷，藥體成型密實(shí)，將藥體取出觀察，藥體的成型性好，不易發(fā)生斷裂，通過(guò)顯微成像觀察，藥體內(nèi)部組成致密、牢固。

1.4 測(cè)試或表征

1.4.1 5s延滯爆發(fā)點(diǎn)

根據(jù)GJB 772A-97中606.1方法，每發(fā)藥量（30±1）mg，測(cè)試條件為溫度分別為319℃，322℃，323℃，325℃，同一溫度下重復(fù)測(cè)試5次。

1.4.2 DSC熱分析

按照GJB 772A-97 炸藥試驗(yàn)方法方法502.1進(jìn)行擠注傳爆藥的DSC分析，測(cè)試條件為升溫速率10K/min，稱氧化鋁坩堝，N2流量30mL/min，試樣（0.7±0.01）mg。

1.4.3內(nèi)相容性

按照GJB 772A-97 炸藥試驗(yàn)方法方法502.1差熱分析和差示掃描量熱法進(jìn)行相容性試驗(yàn)。測(cè)試條件為N2氣氛（流速為30mL/min），氧化鋁坩堝，升溫速率5K/min、10K/min、20K/min；稱取試樣置于坩堝內(nèi)，分別對(duì)純HMX單獨(dú)體系（取試樣（0.7± 0.01）mg），HMX和氟橡膠混合體系（各組分分別取試樣（1±0.01）mg），HMX和DOA混合體系進(jìn)行熱分析測(cè)試（各組分分別取試樣（1±0.01）mg）。

1.4.4金屬腐蝕性

按照GJB 772A-97《炸藥試驗(yàn)方法》中504.1 相容性-腐蝕金屬法方法，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)用傳爆藥的外相容性，試驗(yàn)用金屬材料為鋁合金2A12和5A06，將金屬材料放入試驗(yàn)溫度為60℃、相對(duì)濕度為85%的箱體中，保持溫度恒定30d。

2 結(jié)果與討論

2.1 5s延滯爆發(fā)點(diǎn)

5s延滯期(s)與爆發(fā)溫度(K)的關(guān)系如式（1）所示：

式（1）中：為與爆發(fā)點(diǎn)反應(yīng)的相應(yīng)的炸藥活化能，J·mol-1（由直線斜率為/的ln(1/)圖中可求出)；R是氣體常數(shù)，8.314J·mol-1·K-1；為與炸藥有關(guān)的常數(shù)，取1.16×10-9；為爆發(fā)點(diǎn)溫度。

傳爆藥的爆發(fā)點(diǎn)曲線如圖1所示，其中橫軸為溫度的倒數(shù)，縱軸為發(fā)火延滯時(shí)間的對(duì)數(shù)，擬合曲線并計(jì)算出5s延滯期爆發(fā)點(diǎn)溫度為323.7℃。與HMX的5s延滯期爆發(fā)點(diǎn)327℃相差不大，熱感度與熱安全性相近，對(duì)比可知，以HMX為主的擠注傳爆藥劑可以用于爆炸網(wǎng)絡(luò)裝藥。

圖1 擠注傳爆藥的爆發(fā)點(diǎn)線性圖

2.2 DSC熱分析

以HMX為主的擠注傳爆藥的DSC曲線如圖2所示。

圖2 擠注傳爆藥的DSC圖譜

從圖2可見(jiàn)，以HMX為主的擠注傳爆藥劑分解放熱速度很快，DSC曲線呈陡峭的尖峰。在273.8℃該傳爆藥開(kāi)始放熱，在303.8℃樣品放熱完成，該峰值變化幅度較大，最大峰值溫度在286.5℃，熱穩(wěn)定性較好。樣品在200.1℃有一微弱吸熱峰，該峰值變化幅度較小，此時(shí)應(yīng)該是樣品中-HMX在高溫下向-HMX相轉(zhuǎn)變。相比純單質(zhì)HMX的DSC最大分解峰溫290.2℃，以HMX為主的擠注傳爆藥劑最大分解降溫提前3.7℃，變化幅度較小。這是因?yàn)橐訦MX為主的擠注傳爆藥劑中粘結(jié)劑的比例較少，對(duì)傳爆藥劑的性能影響較小，故以HMX為主的擠注傳爆藥劑適合于爆炸網(wǎng)絡(luò)擠注裝藥。

2.3 內(nèi)相容性

不同體系（HMX單獨(dú)體系，HMX和氟橡膠混合體系，HMX和增塑劑A混合體系）相應(yīng)的DSC曲線的分解峰溫如表1所示。

由表1可知不同試劑組分的體系的分解溫度的變量ΔT，采用Ozawa式分別計(jì)算出單獨(dú)體系和混合體系表觀活化能純（）、活化能改變率（Δ/E），如公式（2）所示：

表1 不同加熱速率的分解峰溫

Tab.1 The decomposotion peak temperature of each component under different heating rate

式（2）中：β為升溫速率，K/min；A(orb)、E(orb)為單獨(dú)體系或混合體系的表觀指前因子(1/min)、表觀活化能(J/mol)；R為理想氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K)；()為機(jī)制函數(shù)；T為升溫速率為β時(shí)試樣的峰溫，K。

根據(jù)GJB 772A-1997 方法502.1來(lái)判定試樣的相容性，其評(píng)價(jià)相容性的推薦等級(jí)為：當(dāng)ΔT≤2.0℃、Δ/E≤20%時(shí)，表示相容性好（1級(jí)）；當(dāng)ΔT≤2.0℃、Δ/E≥20%，表示相容性較好(2級(jí))；當(dāng)ΔT＞2.0℃、Δ/E≤20%，表示相容性較差(3級(jí))；當(dāng)ΔT＞2.0℃、Δ/E大于20%或者ΔT＞5.0℃，表示相容性差(4級(jí))。其評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。

表2 不同的試樣內(nèi)相容性

Tab.2 The compatibility of different reagents

采用DSC方法得出：HMX與氟橡膠的相容性好，與增塑劑A相容性較好。用DSC評(píng)價(jià)相容性的方法的原理是兩種或兩種以上的不同試劑化學(xué)反應(yīng)后能夠產(chǎn)生熱效應(yīng)，通過(guò)分析DSC曲線的表觀活化能改變率Δ/E和分解溫度的改變量ΔT來(lái)評(píng)價(jià)不同體系相容性。因此采用DSC研究方法得出體系相容時(shí)，可以肯定體系一定相容[7]。

綜上所述，HMX和氟橡膠、DOA之間的相容性較好。

2.4 金屬腐蝕性

溝槽裝藥的網(wǎng)絡(luò)基板多采用鋁材質(zhì)或者將表面進(jìn)行氧化處理后的鋁材質(zhì)，傳爆藥擠注完成是否能長(zhǎng)時(shí)期儲(chǔ)存需考慮傳爆藥對(duì)基板的腐蝕性，也就是傳爆藥劑對(duì)鋁以及氧化鋁的金屬腐蝕性，因此試片選用2A12試片及陽(yáng)極氧化2A12試片?？瞻自囼?yàn)試片以及出箱后金屬材料試片如圖3~4所示。

按照GJB 772A-97 炸藥試驗(yàn)方法中504.1相容性-腐蝕金屬法判定方法，腐蝕程度分為3個(gè)等級(jí)：（a）無(wú)腐蝕，試驗(yàn)后的試片光亮如初，或與空白試驗(yàn)的試片無(wú)明顯差異；（b）輕微腐蝕，試驗(yàn)后的試片與空白試驗(yàn)試片比較，顏色顯著變暗，出現(xiàn)一些斑點(diǎn)，但無(wú)明顯的銹蝕；（c）嚴(yán)重腐蝕，試驗(yàn)后的試片與空白試驗(yàn)試片比較，有明顯的銹蝕，大面積出現(xiàn)腐蝕斑紋，銹的顏色很重。

圖3 金屬材料進(jìn)箱前

圖4 金屬材料出箱后

Fig.4 The state of the metal materials after coming out of box

由出箱后金屬試片與空白試驗(yàn)試片對(duì)比可以得出以下結(jié)論：（1）2A12試片：試驗(yàn)后的試片顏色無(wú)變化，無(wú)腐蝕。（2）陽(yáng)極氧化2A12試片：試驗(yàn)后的試片，顏色無(wú)變化，無(wú)腐蝕。（3）5A06試片：試驗(yàn)后的試片顏色無(wú)變化，無(wú)腐蝕。（4）陽(yáng)極氧化5A06試片：試驗(yàn)后的試片顏色無(wú)變化，無(wú)腐蝕。

由以上結(jié)論可知，以HMX為主的擠注傳爆藥劑對(duì)2A12、5A06試片及陽(yáng)極氧化2A12、5A06試片均沒(méi)有腐蝕性，在裝藥完成后，在儲(chǔ)存期間對(duì)金屬基板不會(huì)產(chǎn)生金屬腐蝕性。

3 結(jié)論

該以HMX為主的擠注傳爆藥的分解溫度為286.5℃，能夠在高溫環(huán)境下保持較好的穩(wěn)定性，適用于在高溫環(huán)境下起爆的爆炸網(wǎng)絡(luò)。該以HMX為主的擠注傳爆藥中，HMX與氟橡膠一級(jí)相容，HMX與增塑劑A二級(jí)相容，都具有較好的相容性，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)。擠注傳爆藥對(duì)金屬鋁以及其氧化物無(wú)腐蝕性，以HMX為主的擠注傳爆藥的爆炸網(wǎng)絡(luò)板可以長(zhǎng)期存儲(chǔ)并保持穩(wěn)定起爆。

[1] 溫玉全,焦清介,蔡瑞嬌,等. 橡皮炸藥溝槽通道爆轟波傳播特性[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 1999(1):43-46.

[2] 王樹(shù)山.爆轟波非常規(guī)傳播現(xiàn)象及其應(yīng)用研究[D].北京:北京理工大學(xué),1994.

[3] Gibbons Jr G, Silvia D A. Manufacture of explosive circuits using silk screening techniques and explosive inks: U.S, 5046 425[P]. 1991-09-10.

[4] 溫玉全,焦清介.同步起爆網(wǎng)絡(luò)精密壓裝裝藥技術(shù)研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2006, 27(3): 410-413.

[5] 吳凱,劉玉存,劉登程, 等.微通道擠注藥劑配方與裝藥工藝研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2013, 34(2): 251-256.

[6] 胡雙啟,張景林.我國(guó)傳爆藥的安全性問(wèn)題[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào), 1995(2):30-34.

[7] 侯聰花,王晶禹,張景林.炸藥內(nèi)相容性測(cè)試方法的研究[J]. 火工品, 2011 (3): 51-53.

Study on the Stability of Some Squeeze Booster with Main Explosive of HMX

SHI Xiao-hua，LIU Yu-cun，WANG Jian-hua，SUN Xiao-le，TAN Yan-wei

(School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan, 030051)

A kind of squeeze booster with different particular sizes of HMX as main explosive, Vitona as binder and plasticizers A was prepared. The 5s delay point of booster, the heating analysis of DSC, the compatibility and metal corrosion were tested. The findings show that the heat stability of squeeze booster taking HMX as main body is good, and the compatibility of its composition is fine. Without corrosion for aluminum and its oxides, the squeeze booster meets application requirement, the large scale explosive network charging and long time storage.

Squeeze booster；5s delay point；DSC；Compatibility；Metal corrosion

1003-1480（2014）05-0017-04

TQ560.71

A

2014-06-06

史曉華（1987-），男，在讀碩士研究生，從事微型火工品裝藥技術(shù)應(yīng)用研究。