EPDM包覆LLM-105的最佳工藝條件研究＊

王洪杰，趙卯青

（1.中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051；2.山西新華化工有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，山西 太原 030008）

0 引言

傳爆藥是傳爆序列中的主要爆炸元件，它不僅要求具有很高的起爆可靠度，還要求具有很好的使用安全性.在近年來的研究中，LLM-105（2，6-二氨基-3，5-二硝基-1-氧吡嗪）的研制符合國內(nèi)外迫切需要有良好綜合性能的鈍感含能材料這一要求［1-2］，成為傳爆藥領(lǐng)域的一大亮點.

1995年，美國勞倫斯·利弗莫爾實驗室的P.F.Pagoria等首次報道了在室溫條件下使用三氟乙酸對2，6-二氨基-3，5-二硝基吡嗪（ANPZ）進行氧化可以合成出LLM-105［3-4］，其合成和性能的實驗與理論研究已成為人們所關(guān)注的焦點.R.K.Weese 和A.K.Burnham［5-6］等分別研制出以LLM-105 為主體炸藥的多種PBX 炸藥，如RX-55-AA，RX-55-AB 和RX-55-AE 等.結(jié)果表明LLM-105 基PBX 炸藥是一種很有潛力的鈍感高能炸藥.

本文在實驗室前期研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過界面化學(xué)理論分析和實驗，表明用EPDM 包覆LLM-105 是可行的［7-8］，對以LLM-105 為基的PBX 炸藥的粘結(jié)劑進行選擇、實驗，最后確定以EPDM作粘結(jié)劑包覆單質(zhì)LLM-105 是一種可行的方法.本文主要在此基礎(chǔ)上，采用理論分析及單因素法尋求用EPDM 包覆LLM-105 的最佳工藝條件.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

LLM-105，工業(yè)級，粒度為3μm（由西安近代化學(xué)研究所合成）；正己烷，分析純（天津化學(xué)制劑有限公司）；超純水，自制；EPDM，分析純（惠州浩源塑膠原料有限公司）.

1.2 實驗儀器

溶液-水懸浮裝置，自制；HIT ACHI S-4700型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本日立公司）；DT-100A 分析天平（北京光學(xué)設(shè)備有限責(zé)任公司）；TDS7154 型示波器，分辨率8bit，采樣速率1×108s-1（深圳泰達儀器有限公司）；激光粒度分析儀，型號BI-90PLUS（美國Brookhaven Instruments Corporation）.

2 PBX 炸藥包覆的工藝條件

在PBX 型傳爆藥的制作過程中，工藝條件的確定尤為重要.由于溫度、攪拌速度、真空度、加料速度等對PBX 型傳爆藥的粒度、形狀等都有很大的影響，因此確定這些因素成為包覆工藝條件的重要內(nèi)容［9］.

美國的J.David等［10］對成粒過程中的工藝條件對成粒的效果作了詳細的研究.他們發(fā)現(xiàn)，攪拌速度的提高會減小PBX 炸藥的粒度和密度，而PBX 炸藥的粒度和密度受溶劑的去除率影響，溶劑的去除率由反應(yīng)溫度和真空度控制.隨著溶劑的揮發(fā)，PBX 炸藥的粒度減小，PBX 炸藥的密度在溫度達到最高前呈上升趨勢，在溫度達到最高后呈下降趨勢.

C.E.Capes和J.P.Sutherland［11］研究了粒子的成長過程，PBX 炸藥的粒度最終由兩個因素決定：橋液的連接作用和攪拌的分散作用.在Kil-gore和DiMaggio的研究中也表明攪拌對PBX 炸藥的粒度有很大的作用.

真空度是這個包覆過程的一個重要工藝參數(shù).若真空度過低，在氣液兩相平衡時，溶液上方的總蒸氣壓高，平衡溶液中溶劑的摩爾分數(shù)相應(yīng)地也較高，而此時包覆顆粒內(nèi)部的溶劑與溶液中的溶劑也處于滲透平衡狀態(tài)，剩余的大量溶劑無法去除.這會使包覆層與炸藥顆粒之間存在間隙，進而影響了包覆層的牢固性.

此外，表面活性劑能夠降低液體的表面張力，使液體能夠較好地潤濕固體表面.在一般情況下，炸藥在與水接觸后，為保持體系平衡，炸藥顆粒將自發(fā)團聚，主體藥劑分散不良必然會影響包覆效果.為避免這種情況，要預(yù)先加入少量與各組分相容性良好的非離子表面活性劑，使水的表面張力降低，有助于在水環(huán)境下粘結(jié)劑與主體炸藥的作用，即有助于包覆.

本實驗為了確定最佳的工藝條件，采用單因素法確定最佳的溫度、真空度、加料速度及攪拌速度.在此實驗中，采用的溶劑都為正己烷.

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 EPDM 作粘結(jié)劑包覆單質(zhì)LLM-105 的初步實驗

用激光粒度分析儀和電子顯微鏡對LLM-105原料進行粒度分析和掃描，結(jié)果如圖1 和圖2 所示.

圖1 LLM-105 原料的粒度分布Fig.1 Particle distribution of raw LLM-105

從圖1中可以看出，原料LLM-105的中位徑d50為8μm，粒度集中分布在5～10μm 之間，其原料LLM-105粒徑呈單峰態(tài)分布.從圖2可以看出，包覆前的LLM-105 顆粒為棒狀，表面光滑，具有較大的長徑比，其表面沒有任何物質(zhì)負載，且樣品具有很好的分散性.用EPDM 包覆LLM-105 是可行的，但由于粒度較大，會影響PBX 型傳爆藥的成型性及性能，因此還需要改變工藝條件，制備粒度合適的PBX 型傳爆藥.

圖2 LLM-105 原料電鏡圖Fig.2 SEM photographs of raw LLM-105

3.2 用單因素法尋求用EPDM 包覆LLM-105的最佳工藝條件

1）在包覆過程中，溫度是影響造粒效果好壞的關(guān)鍵因素之一，其中包括加料溫度、驅(qū)逐溶劑溫度和出料溫度.經(jīng)實驗得知，加料溫度在52℃為宜.當溶劑滴加完成時，應(yīng)充分攪拌2～3 min，以提升溶液溫度，開始驅(qū)逐剩余溶劑.驅(qū)逐溫度應(yīng)大于溶劑的沸點，選擇60 ℃比較合適.當溶劑驅(qū)逐完全時，停止實驗.由于在造粒過程中溫度偏高，造型粉顆粒較軟不結(jié)實，所以出料溫度應(yīng)該低些，使顆粒變硬，因此確定出料溫度為40 ℃以下.采用單因素實驗，對溫度對包覆效果的影響進行了研究.在攪拌速度為450r／min，真空度為0.045 MPa，加料速度為1.5mL／min 的條件下，研究了溫度對包覆效果的影響.在溫度為50～70 ℃下進行了實驗，結(jié)果如表1 所示.

表1 溫度對包覆效果的影響Tab.1 Effect of temperature on the coating

由表1 可知，溫度是影響包覆效果的重要因素.黏結(jié)劑溶液加料溫度要適當，當溫度為50 ℃時，加入的黏結(jié)劑溶液在較低的溫度下溶劑不易揮發(fā)出來，致使溶液停留時間較長，在炸藥-水懸浮溶液中的溶劑含量過多，會使得已經(jīng)包覆在炸藥表面的黏結(jié)劑又重新溶解，難以包覆.當溫度為70 ℃時，溫度過高，溶液加入后，溶劑立即揮發(fā)掉，黏結(jié)劑來不及包裹炸藥馬上析出來，會使得造型粉顆粒包覆不均勻，母液渾濁.以溫度為60 ℃時較適宜，母液清晰，顆粒均勻且圓實.

2）真空度對PBX 的粒度及密度影響較大.在攪拌速度為450 r／min，加料速度為1.5mL／min，溫度為60 ℃的條件下，采用不同的真空度進行了實驗.

圖3 不同真空度下LLM-105／EPDM 的SEM 圖Fig.3 SEM photographs of LLM-105／EPDM under different vacuum degree

由圖3 可知，當真空度為0.045 MPa時，包覆層表面較光滑，造型粉較密實；當真空度為0.055 MPa時，包覆層表面粗糙，甚至有空穴形成，造型粉不密實.這是因為隨著蒸餾過程的進行，黏結(jié)劑表面能因增加而收縮，溶劑蒸發(fā)過程中，較大的抽氣速度使溶劑在炸藥表面迅速排除，從而導(dǎo)致不能完全包覆或產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而形成空洞或空隙，使造粒初期在炸藥晶體表面形成的包覆層被抽碎，形成了粗糙的表面.

3）加料速度也是影響包覆效果的重要因素.一般來說加料越快，黏結(jié)劑溶液分散不好易結(jié)成大團，來不及均勻分布，導(dǎo)致包覆不均勻，造型粉顆粒偏大；反之，加料太慢使周期加長，造型粉顆粒偏細.以黏結(jié)劑溶液加料速度為1.5mL／min，加入速度稍大于餾出速度為宜.

實驗選擇在真空度為0.045 MPa，攪拌速度為450r／min，溫度為60 ℃的條件下，分別采用1mL／min，1.5mL／min，2mL／min進行了實驗.

由表2可知，當加料速度為2mL／min時，出現(xiàn)黏結(jié)成團的現(xiàn)象，這是因為加料速度過快，在水中存在過多的溶劑，進而會使溶劑浸泡已經(jīng)包覆在LLM-105表面上的高聚物，破壞已形成的包覆層，使得較大顆粒表面的高聚物具有相當大的黏性，在相互碰撞的情況下黏結(jié)成大顆粒.所以溶液的濃度不宜過低，避免過多的溶劑存在而影響包覆效果.

表2 加料速度對包覆效果的影響Tab.2 Effect of adding rates on the coating

4）在造粒過程中，攪拌速度是重要的操作之一，控制攪拌速度可以得到滿意的顆粒度和良好的均勻性，并防止底部結(jié)塊.攪拌速度影響著造型粉顆粒的大小和質(zhì)量，在加料過程中攪拌速度應(yīng)該快一些，約為450r／min，使得加入的黏結(jié)劑溶液能很快均勻地分布在反應(yīng)釜中，隨著溶劑的揮發(fā)，黏結(jié)劑能均勻地包覆炸藥LLM-105.在攪拌速度較大時，PBX 的粒度小，密度大，造成包覆不完全，反應(yīng)釜中溶液渾濁，呈黃色，LLM-105粉較多；在攪拌速度較低時，大量的炸藥LLM-105 附著于容器壁上，同樣造成包覆不完全，造型粉的粒度較大，不圓潤結(jié)實，形狀成片狀.加完料后抽空時攪拌速度降為約300r／min，以防止打碎造型粉顆粒.

實驗選擇在真空度為0.045 MPa，加料速度為1.5 mL／min，溫度為60 ℃ 的條件下，分別采用350r／min，450r／min，550r／min進行了實驗.所得LLM-105／EPDM 的掃描電鏡照片見圖4.

圖4 不同攪拌速度下LLM-105／EPDM 的SEM 圖Fig.4 SEM photographs of LLM-105／EPDM under different stirring speed

從圖4中可以看出，在攪拌速度為550r／min的實驗條件下，造型粉的顆粒較小，表面粗糙，存在缺陷；而當攪拌速度為450r／min時，制備出的造型粉顆粒均勻，表面密實.

3.3 最佳工藝條件下EPDM 包覆LLM-105實驗

通過單因素實驗得出此實驗的最佳工藝條件為：真空度0.045 MPa，攪拌速度450r／min，滴加速度1.5mL／min.制備的PBX 型傳爆藥如圖5 所示.

圖5 最佳工藝條件下的EPDM／LLM-105 的掃描電鏡圖Fig.5 SEM photographs of LLM-105／EPDM in the best process conditions

從圖5上以看出，此PBX 型傳爆藥的粒度在150μm 左右，形狀為橢球狀，粒度較均勻，有較好的成型性，有利于對性能的研究.

4 結(jié)論

1）溫度、真空度、加料速度、攪拌速度等對PBX 型傳爆藥的粒度、形狀等都有很大的影響，這些因素成為包覆工藝條件的重要因素.

2）單因素法實驗得出EPDM 包覆LLM-105的最佳工藝條件為：真空度0.045 MPa，攪拌速度450r／min，滴加速度1.5 mL／min，溫度60℃.

3）制備的PBX 型傳爆藥的粒度在150μm 左右，形狀為橢球狀，粒度較均勻，有較好的成型性，有利于對性能的研究.

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