溶膠－凝膠法包覆儲(chǔ)氫材料MgH2的性能研究

程揚(yáng)帆，顏事龍，馬宏昊，沈兆武

（1.安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)系，安徽 淮南 232001；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027）

引 言

傳統(tǒng)乳化炸藥在使用過(guò)程中存在爆炸威力低的問(wèn)題，研制高威力乳化炸藥已成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［1－3］。為了改善乳化炸藥的爆轟性能，馬宏昊等［4］首次將儲(chǔ)氫材料MgH2同時(shí)作為敏化劑和含能材料加入到乳化基質(zhì)中，制成了MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥，并對(duì)其爆轟機(jī)理和抗動(dòng)壓減敏機(jī)理進(jìn)行大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，MgH2能夠顯著提高乳化炸藥的爆炸威力和抗動(dòng)壓減敏能力［5－9］。該炸藥的敏化機(jī)理為：當(dāng) MgH2加入到乳化基質(zhì)后，由于乳化基質(zhì)含有約10%的水分并呈弱酸性［10］，外圍的 MgH2會(huì)與H＋發(fā)生反應(yīng)，破壞了MgH2的儲(chǔ)氫結(jié)構(gòu)，生成的H2在乳化基質(zhì)中形成均勻分布的小氣泡，從而起到敏化作用。然而，MgH2型水解敏化儲(chǔ)氫乳化炸藥也存在發(fā)泡后效和敏化過(guò)程難以有效控制的問(wèn)題，不僅影響炸藥的爆轟性能，也制約了其應(yīng)用和推廣。

在乳化基質(zhì)中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的MgH2就足以起到敏化作用，剩余的MgH2主要通過(guò)參與爆轟反應(yīng)來(lái)提高爆炸威力，因此可將不參與敏化反應(yīng)的MgH2包覆起來(lái)，使其不發(fā)生水解，從而能夠有效控制MgH2的水解過(guò)程和反應(yīng)后效。常用的包覆方法有熔融包覆法［11］、球磨包覆法［12］和溶膠－凝膠法［13］等。熔融包覆法完全包覆 MgH2所需的包覆材料過(guò)多，導(dǎo)致包覆膜過(guò)厚，從而影響炸藥的爆轟性能；球磨包覆法耗時(shí)長(zhǎng)，且包覆后的MgH2容易固結(jié)成塊；溶膠－凝膠法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)均勻包覆，包覆膜的厚度可調(diào)且工藝簡(jiǎn)單。

本研究采用溶膠－凝膠法制備了石蠟和硬脂酸包覆的MgH2，用掃描電鏡對(duì)包覆膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，測(cè)試了石蠟包覆MgH2的防水和抗氧化性能，并通過(guò)水下爆炸實(shí)驗(yàn)對(duì)其敏化的乳化炸藥的貯存穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

MgH2，平均粒徑為20μm，阿法埃莎（中國(guó)）化學(xué)有限公司；石蠟和硬脂酸，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

Quanta 200型掃描電鏡，美國(guó)FEI公司。

1.2 包覆膜的制備

根據(jù)相似相溶原理，選擇某有機(jī)溶劑溶解硬脂酸和石蠟。首先將包覆材料（硬脂酸或石蠟）在有機(jī)溶劑中溶解，加入MgH2粉末，混合攪拌均勻后制成溶膠前驅(qū)體，最后在烘箱中烘干后制成硬脂酸和石蠟包覆的MgH2，包覆膜的厚度可以通過(guò)包覆材料的質(zhì)量比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.3 結(jié)構(gòu)表征及性能測(cè)試

采用環(huán)境掃描電鏡分別對(duì)硬脂酸和石蠟包覆的MgH2微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征；采用炸藥猛度測(cè)試中的“鉛鑄壓縮法”實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞N材料對(duì)炸藥猛度的影響，樣品質(zhì)量為50g，炸藥的猛度與鉛鑄的壓縮量成正比。依據(jù)猛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)包覆材料進(jìn)行選擇；通過(guò)防水實(shí)驗(yàn)和抗氧化實(shí)驗(yàn)對(duì)石蠟包覆膜的性能進(jìn)行了驗(yàn)證；利用水下爆炸實(shí)驗(yàn)研究石蠟包覆的MgH2與乳化基質(zhì)的相容性和貯存穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 包覆機(jī)理及包覆材料的選擇

包覆后的MgH2釋放出的H2只有參與爆轟反應(yīng)才能提高炸藥的爆炸威力，因此，要求包覆膜能夠透過(guò)H2分子。同時(shí)，為了解決MgH2型水解敏化儲(chǔ)氫乳化炸藥的后效問(wèn)題，保證MgH2的貯存穩(wěn)定性，要求包覆膜能夠阻擋H2O和O2分子。由于H2分子的直徑小于H2O和O2分子，通過(guò)調(diào)節(jié)包覆膜表面縫隙的尺寸，以達(dá)到選擇性透過(guò)分子的目的，包覆膜的功能如圖1所示。同時(shí)，乳化基質(zhì)是弱酸性環(huán)境，包覆膜還應(yīng)具有抗弱酸的功能。

圖1 儲(chǔ)氫材料包覆膜功能示意圖Fig.1 Functional diagram of coating film for hydrogen storage material

石蠟和硬脂酸是炸藥中常用的黏結(jié)劑和鈍化劑，都不溶于水，因此選用石蠟和硬脂酸作為包覆材料，以達(dá)到防水和降感的雙重目的。

2.2 包覆膜的微觀結(jié)構(gòu)

圖2為包覆前后MgH2的掃描電鏡圖。

圖2 MgH2包覆前后的掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of MgH2before and after coating

從圖3可以看出，未包覆的MgH2表面光滑并呈長(zhǎng)條狀，石蠟包覆的MgH2表面有納米級(jí)縫隙，硬脂酸包覆MgH2的表面較致密，粒徑略小于石蠟包覆的MgH2，但大于未包覆MgH2的粒徑。通過(guò)以上討論可知，采用溶膠－凝膠法能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)氫材料MgH2的均勻包覆。

2.3 猛度試驗(yàn)

硬脂酸包覆MgH2和石蠟包覆MgH2型乳化炸藥壓縮鉛鑄試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)果表明，添加硬脂酸包覆MgH2的復(fù)合敏化乳化炸藥猛度為17mm，遠(yuǎn)低于添加石蠟包覆MgH2乳化炸藥的猛度（24mm）。分析認(rèn)為，硬脂酸包覆膜的表面過(guò)于致密，從而導(dǎo)致MgH2中的H2在爆轟過(guò)程中難以完全參與反應(yīng)，而石蠟包覆膜的表面有納米級(jí)的縫隙，H2容易透過(guò)包覆膜參與爆轟反應(yīng)，使其猛度增加。因此，選擇石蠟作為 MgH2的包覆材料。

圖3 MgH2儲(chǔ)氫復(fù)合乳化炸藥的猛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Brisance test results of MgH2sensitized composite emulsion explosives

2.4 防水性能及抗氧化性能

圖4為包覆前后MgH2防水性能測(cè)試結(jié)果。

圖4 MgH2的防水性能測(cè)試結(jié)果Fig.4 Water resistance testing of MgH2

從圖4可以看出，未包覆的MgH2在水中形成乳濁液，同時(shí)生成大量氣泡，說(shuō)明MgH2發(fā)生了水解反應(yīng)；石蠟包覆的MgH2在水中懸浮于水面上，說(shuō)明石蠟包覆的MgH2與水不發(fā)生反應(yīng)，具有很好的防水性能。這是因?yàn)榘埠蟮腗gH2表面有一層石蠟?zāi)?，石蠟為高分子有機(jī)物，其結(jié)構(gòu)上含有很多憎水基，排斥水分子，因此石蠟包覆的MgH2不溶于水。

將石蠟包覆的MgH2在常溫敞開(kāi)條件下貯存30d，用掃描電鏡對(duì)其抗氧化性能進(jìn)行EDS測(cè)試，結(jié)果如表1所示。C元素一般是實(shí)驗(yàn)操作中引入的雜質(zhì)，O元素的含量可以定性反應(yīng)MgH2的氧化程度。從表1可以看出，氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)40.51%，說(shuō)明石蠟包覆膜的抗氧化性能有待改善，包覆后的MgH2需密封貯存。

表1 石蠟包覆MgH2的EDS測(cè)試結(jié)果Table 1 The results of EDS for paraffin wax coated MgH2

石蠟包覆MgH2抗氧化性能不佳的可能原因有3個(gè)：（1）包覆環(huán)境（如未在真空箱中操作而引入的氧元素）；（2）包覆工藝的問(wèn)題（如攪拌和烘干過(guò)程導(dǎo)致包覆膜的結(jié)構(gòu)問(wèn)題）；（3）包覆材料的選擇和質(zhì)量配比問(wèn)題。

2.5 貯存性能

圖5是石蠟包覆MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥貯存150d后的水下爆炸壓力時(shí)程曲線。由圖5可以看出，貯存150d后，MgH2型復(fù)合敏化儲(chǔ)氫乳化炸藥的沖擊波壓力峰值從14.6MPa降至14.5MPa，只降低了1.09%，說(shuō)明MgH2型復(fù)合敏化儲(chǔ)氫乳化炸藥的貯存穩(wěn)定性符合要求。這是因?yàn)榘埠蟮腗gH2具有很好的防水性能，抑制了炸藥的過(guò)度發(fā)泡作用，從而避免了炸藥在貯存過(guò)程中的敏化氣泡過(guò)大而影響其爆轟性能。

圖5 石蠟包覆的MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥水下爆炸壓力時(shí)程曲線Fig.5 Shock wave pressure－time curves of paraffin wax coated MgH2sensitized emulsion explosive

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)溶膠－凝膠法，采用石蠟和硬脂酸對(duì)MgH2進(jìn)行包覆，得到包覆均勻且厚度可控的包覆膜。

（2）石蠟包覆膜上有納米級(jí)的縫隙，能夠透過(guò)H2而阻止水分子的進(jìn)入，在提高炸藥爆轟性能的同時(shí)解決了炸藥的發(fā)泡過(guò)程控制及后效問(wèn)題。

（3）MgH2型復(fù)合敏化儲(chǔ)氫乳化炸藥具有優(yōu)異的貯存穩(wěn)定性，但石蠟包覆MgH2的抗氧化性能不佳，需要進(jìn)一步改善。

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