多羥基聚醚對(duì)高能硝胺發(fā)射藥抗沖擊性能的影響

閆喜艷，張麗華，薛 歡

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

多羥基聚醚對(duì)高能硝胺發(fā)射藥抗沖擊性能的影響

閆喜艷，張麗華，薛 歡

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

為研究多羥基聚醚改善硝胺發(fā)射藥抗沖擊性能的效果，以一種硝胺發(fā)射藥(RP5)藥片為原料，分別采用不同數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量的多羥基聚醚為增韌劑，制備了不同增韌劑含量的硝胺發(fā)射藥管狀試樣。采用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)和擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)試了硝胺發(fā)射藥試樣的軸向和徑向抗沖擊強(qiáng)度。討論了在低溫(-40℃)、常溫(20℃)、高溫(50℃)下，不同類型、不同含量聚醚對(duì)高能硝胺發(fā)射藥抗沖擊性能的影響。 結(jié)果表明，軸向方向上，加入多羥基聚醚的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量為2118、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，對(duì)硝胺發(fā)射藥試樣的低溫增韌效果較優(yōu)；徑向方向上，加入多羥基聚醚的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量為5618、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，多羥基聚醚能使試樣的徑向低溫抗沖擊性能提升約50%。

硝胺發(fā)射藥；多羥基聚醚；抗沖擊性能；增韌劑；管狀發(fā)射藥

引 言

高速、大威力發(fā)射是提高身管武器性能的一個(gè)的主要發(fā)展方向，在發(fā)射藥配方中添加固體高能炸藥是提高發(fā)射藥能量的主要技術(shù)途徑，但隨著配方中固體組分含量的增加，也增加了對(duì)發(fā)射藥力學(xué)性能的不利影響，導(dǎo)致不能滿足高膛壓武器的應(yīng)用要求[1]。雙基火藥中的硝化纖維素(NC)作為高分子黏合劑具有能量高的優(yōu)點(diǎn)，由于NC玻璃化溫度較高，使得雙基火藥在低溫下的抗沖擊性能不佳，而RDX的添加導(dǎo)致其力學(xué)性能下降，使彈道穩(wěn)定性變差，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致炸膛等事故[2-4]，因此，對(duì)發(fā)射藥的低溫抗沖擊性能研究十分必要。

改善發(fā)射藥抗沖擊性能的途徑有很多，包覆RDX可改善高分子基體與RDX的界面相容性、加補(bǔ)強(qiáng)劑阻止分子鏈滑移可增強(qiáng)新型高能發(fā)射藥的力學(xué)性能[5]；在配方中添加少量聚氨酯熱塑性彈性體能有效提高硝胺發(fā)射藥的低溫落錘沖擊韌性和抗沖擊強(qiáng)度[6]。Oberth和Bruennert[7-8]提出了采用鍵合劑對(duì)發(fā)射藥中的RDX等固體填料顆粒進(jìn)行包裹的表層改性，改善了發(fā)射藥的穩(wěn)定性，提高了發(fā)射藥的力學(xué)性能；趙毅等[9]優(yōu)化了RGD7高能硝胺發(fā)射藥基礎(chǔ)配方的黏結(jié)劑體系,在配方體系中加入鍵合劑改善了高能硝胺發(fā)射藥的力學(xué)性能。

本研究分別以不同相對(duì)分子質(zhì)量的多羥基聚醚為增韌劑，制備了不同聚醚含量的硝胺發(fā)射藥單孔管狀試樣。測(cè)試了不同溫度下硝胺發(fā)射藥試樣的徑向和軸向抗沖擊性能，考察了多羥基聚醚對(duì)硝胺發(fā)射藥試樣抗沖擊性能的影響，以期為改善發(fā)射藥的力學(xué)性能提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

RP5發(fā)射藥藥片，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：NC 50%～58%，NG 15%～20%，RDX 25%～28%，其他添加劑等；無(wú)水乙醇、丙酮，均為分析純，天津申泰化學(xué)試劑有限公司；不同相對(duì)分子質(zhì)量的多羥基聚醚，數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量分別為2118(聚醚-1)、5618(聚醚-2)、7533(聚醚-3)，自制。

TY8000落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，江都市天源試驗(yàn)有限公司；隔水式培養(yǎng)箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；JB3-20H低溫冷阱，天津市瑞普電子儀器公司；擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司；STX-202A金剛石線切割機(jī)，沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限責(zé)任公司；YC32-63A四柱式萬(wàn)能壓縮機(jī)，湖州機(jī)床廠；2L捏合機(jī)，陜西三鼎源機(jī)電設(shè)備有限公司；螺旋測(cè)微器，準(zhǔn)確度為0.01mm，上海恒平科學(xué)儀器有限公司。

1.2 樣品制備

先將RP5藥片進(jìn)行干燥處理，然后用乙醇/丙酮溶劑(體積比為1∶1)溶解一定量的多羥基聚醚，緩慢倒入RP5藥片中，放入捏合機(jī)中進(jìn)行捏合塑化，將捏合好的藥料用四柱式萬(wàn)能壓縮機(jī)壓制成單孔硝胺發(fā)射藥試樣。試樣中增韌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1%、2%、3%，對(duì)試樣進(jìn)行烘干處理至揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以內(nèi)，將制備的硝胺發(fā)射藥單孔管狀試樣加工成抗沖擊性能測(cè)試所需尺寸(孔徑約1.0mm，外徑約5.2mm)，用密度瓶法測(cè)試每種試樣的密度。

1.3 抗沖擊性能測(cè)試及表征[10]

用擺錘法測(cè)試硝胺發(fā)射藥管狀試樣的抗沖擊性能，試樣長(zhǎng)度為60mm，分別測(cè)量其外徑和孔徑以求得截面積，其他條件按照國(guó)軍標(biāo)GJB-770B-2005方法測(cè)試，每組試驗(yàn)至少平行測(cè)試5個(gè)有效試樣，以保證有4個(gè)以上有效數(shù)據(jù)，取其平均值。

由于在高溫(50℃)條件下，試樣的韌性增大，擺錘沖擊作用后試樣發(fā)生不完全斷裂，不能得到有效的數(shù)據(jù)，故測(cè)試-40℃、-10℃以及常溫(20℃)下的抗沖擊強(qiáng)度。根據(jù)單孔管狀試樣的尺寸計(jì)算其抗沖擊強(qiáng)度的表達(dá)式為

(1)

式中：α為抗沖擊強(qiáng)度，kJ/m2；A為試樣斷裂所消耗的沖擊能，J；d為藥粒內(nèi)孔直徑，mm；D0為藥粒外徑，mm。

落錘法是一種模擬發(fā)射藥在槍、炮膛中受軸向沖擊力情況的測(cè)試方法，測(cè)試截取長(zhǎng)徑比為2∶1的柱形試樣，分別測(cè)量其外徑和孔徑，在滿足測(cè)試試樣不發(fā)生破碎的前提下選擇最大質(zhì)量落錘使其于一定高度下落作用于試樣，通過(guò)螺旋測(cè)微器測(cè)量試樣長(zhǎng)度的變化。

在落錘實(shí)驗(yàn)中，由于撞擊后直徑變化微小，因此在表征時(shí)忽略了沖擊作用前后試樣的直徑變化。假設(shè)藥粒的變形與作用力成正比且與作用時(shí)間無(wú)關(guān)，沖擊時(shí)無(wú)能量損耗，同時(shí)忽略徑向應(yīng)變，可通過(guò)體積變形沖擊功來(lái)表征發(fā)射藥的抗沖擊性能，其表達(dá)式為

(2)

式中：WV為體積變形沖擊功，J/mm3；m為落錘的質(zhì)量，kg，本實(shí)驗(yàn)落錘的質(zhì)量為0.494kg；h為落高，m，本實(shí)驗(yàn)落高為1.28m；L0為藥粒撞擊前的高度，mm；L為藥粒撞擊后的高度，mm；S為藥柱原始截面積，mm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 以多羥基聚醚為增韌劑的試樣抗沖擊強(qiáng)度

在擺錘與落錘測(cè)試試驗(yàn)中，由于硝胺發(fā)射藥屬于高分子復(fù)合材料，故在擠壓成型過(guò)程中，NC的大分子鏈會(huì)沿著壓制方向擇優(yōu)取向，在試樣的軸向與徑向，其鏈間與基團(tuán)間的相互作用力會(huì)有一定的差異，因而試樣在軸向與徑向上的抗沖擊性能存在區(qū)別。徑向方向，用擺錘法測(cè)得含聚醚-1(Mn=2118)、聚醚-2(Mn=5618)、聚醚-3(Mn=7533)的硝胺發(fā)射藥試樣的抗沖擊強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 不同聚醚含量的硝胺發(fā)射藥試樣的抗沖擊強(qiáng)度

注：α1、α2、α3分別為含聚醚-1、聚醚-2、聚醚-3的硝胺發(fā)射藥試樣的抗沖擊強(qiáng)度。

由表1可知，擺錘能量為1J時(shí)，在低溫(-40℃)下，含有聚醚的試樣的抗沖擊性能都優(yōu)于不含聚醚的試樣，其中聚醚數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量為5618，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，試樣的抗沖擊強(qiáng)度(α)較大，比不含聚醚的試樣提升約50%，說(shuō)明該數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量的聚醚對(duì)硝胺發(fā)射藥試樣徑向的低溫抗沖擊性能提升效果更好，這是由于聚醚分子鏈為直鏈，支鏈較少，單鍵數(shù)目較多，且含有多個(gè)羥基，能與NC等分子鏈之間形成氫鍵，使得二者之間的相互作用力較大，受到外力沖擊時(shí)可以吸收能量，使得試驗(yàn)樣品的抗沖擊性能提高，但該數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量的聚醚與NC分子鏈之間形成的氫鍵比其他數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量的聚醚較穩(wěn)固不易破壞，隨著聚醚含量的增大，在沖擊過(guò)程中能消耗更多的能量，在界面更好地釋放應(yīng)力集中，使得二者在界面上的親和力和結(jié)合力較大，增韌效果比較明顯，使得抗沖擊強(qiáng)度提高。但在低溫(-40℃)下隨著聚醚數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量的增大，α先增大后減小，說(shuō)明聚醚數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量增大到一定程度后，對(duì)試樣的徑向低溫抗沖擊強(qiáng)度的改善就不再明顯。

2.2 以多羥基聚醚為增韌劑的試樣體積變形功

軸向方向，用落錘法測(cè)得含聚醚-1、聚醚-2、聚醚-3的硝胺發(fā)射藥試樣的體積變形功見(jiàn)表2。

表2 不同聚醚含量的硝胺發(fā)射藥試樣的體積變形功

注：WV1、WV2、WV3分別為含聚醚-1、聚醚-2、聚醚-3的硝胺發(fā)射藥試樣的體積變形功。

由表2可以看出，在落錘質(zhì)量為0.494kg、沖擊速度為5m/s時(shí)，在低溫(-40℃)下，不含增韌劑的試樣受到落錘沖擊后完全破碎，無(wú)法測(cè)得其體積變形功，而加入聚醚的試樣都沒(méi)有發(fā)生破碎，說(shuō)明聚醚對(duì)硝胺發(fā)射藥試樣的軸向低溫抗沖擊性能起到了很好的改善作用，當(dāng)聚醚的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量為2118，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，體積變形功(WV)較小，此時(shí)多羥基聚醚對(duì)硝胺發(fā)射藥試樣軸向低溫增韌效果較優(yōu)。

在常溫(20℃)和高溫(50℃)時(shí)，當(dāng)加入的聚醚數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量相同，隨著聚醚含量的增加，體積變形功(WV)在減小，都小于未添加增韌劑的硝胺發(fā)射藥試樣，表明在20℃與50℃下，聚醚的加入使試樣的抗沖擊性能有一定的提升，但當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，多羥基聚醚對(duì)硝胺發(fā)射藥試樣的軸向增韌效果較優(yōu)。

當(dāng)試驗(yàn)樣品受沖擊作用時(shí)，其分子間作用力以NC鏈段與NG鏈段間存在的范德華力和氫鍵作用力為主，加入多羥基聚醚后，由于聚醚分子鏈為直鏈，支鏈較少，有較好的柔順性，與NC等形成多相共混結(jié)構(gòu)，在低溫受到外力沖擊時(shí)能使基體裂紋的擴(kuò)展受阻和鈍化，最終阻止裂紋不再繼續(xù)發(fā)展為破壞性開(kāi)裂，改善了試樣的沖擊斷裂韌性，使試樣的抗沖擊強(qiáng)度增加。

同時(shí)結(jié)合表1可以看出，在加入的聚醚數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量與含量相同的情況下，隨著溫度升高，抗沖擊強(qiáng)度(α)增大，體積變形沖擊功(WV)減小，抗沖擊性能提高。這是由于發(fā)射藥試樣主要成分為硝化纖維素，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高(180℃)，實(shí)驗(yàn)溫度下處于玻璃態(tài)，分子鏈段為凍結(jié)狀態(tài)，鏈段剛性較大，在外力作用下，較難發(fā)生形變。隨著溫度的升高，分子間基團(tuán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，分子之間距離增加，作用力減小，試樣內(nèi)分子間發(fā)生塑性變形的能力增強(qiáng)，使試樣吸收外加沖擊能量的能力提高，從而使其抗沖擊性能提高。因體積變形功越小，抗沖擊強(qiáng)度越大，試樣的抗沖擊性能越好，故在測(cè)試溫度區(qū)間內(nèi)，溫度越高，表現(xiàn)出抗沖擊性能越好，體積變形功越小、抗沖擊強(qiáng)度越大的規(guī)律。

綜上所述，以不同數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量的聚醚作為增韌劑均在一定程度上可以提高硝胺發(fā)射藥試樣的軸向或徑向低溫抗沖擊強(qiáng)度，聚醚數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量一定時(shí)，隨著含量的增加，試樣的低溫抗沖擊性能提升效果越好。

3 結(jié) 論

(1)以多羥基聚醚為增韌劑均在一定程度上可以提高硝胺發(fā)射藥的抗沖擊性能，低溫(-40℃)下隨著聚醚數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量的增加，試樣的抗沖擊性能的改善效果先增加后下降，聚醚數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量為5618且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，硝胺發(fā)射藥試樣的徑向抗沖擊性能改善效果較佳。

(2)在低溫(-40℃)下，加入的聚醚數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量相同時(shí)，隨著聚醚含量的增加，體積變形功減小，硝胺發(fā)射藥試樣的軸向抗沖擊性能的改善效果越好，試驗(yàn)表明，聚醚的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量為2118且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，硝胺發(fā)射藥試樣的軸向增韌效果較佳。

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Effect of Multi-hydroxyl Polyether on the Anti-impact Properties of High-energy Nitramine Gun Propellant

YAN Xi-yan, ZHANG Li-hua, XUE Huan

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

To study the effect of multi-hydroxyl polyether on improving the anti-impact property of nitramine gun propellant, tubular nitramine gun propellant samples containing different amount of toughening agent were prepared respectively, using a kind of nitramine gun propellant (RP5) tablets as raw material and multi-hydroxyl polyether with different number-average molecular weight as toughening agent. The axial and radial impact strength of nitramine gun propellant samples were measured using drop hammer impact test machine and pendulum impact tester, respectively. The effect of different types and contents of polyether on the anti-impact property of high energy nitramine gun propellant was discussed at low temperature(-40℃), room temperature(20℃) and high temperature(50℃). The results show that in the axial direction, when the number-average molecular weight of adding multi-hydroxyl polyether is 2118 and its mass fraction is 3%, the toughening effect of nitramine gun propellant sample at low temperature is better; in the radial direction, when the number-average molecular weight of adding multi-hydroxyl polyether is 5618 and its mass fraction is 3%, multi-hydroxyl polyether can make the radial low-temperature anti-impact strength of sample increase by about 50%.

nitramine gun propellant; multi-hydroxyl polyether; anti-impact property; toughening agent;tubular gun propellant

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.06.019

2016-07-02；

2016-10-16

閆喜艷(1991-)，女，碩士研究生，從事火藥的增韌及力學(xué)性能研究。E-mail:yxy1458017470@163.com

張麗華(1961-)，女，教授，從事火藥的制備及性能研究。E-mail: zhanglihua@nuc.edu.cn

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2016)06-0103-04