水懸浮工藝溫度對(duì)HMX基PBX形貌及安全性能的影響

郭慧峰，王保民

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水懸浮工藝溫度對(duì)HMX基PBX形貌及安全性能的影響

郭慧峰，王保民

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

以Viton-A為粘結(jié)劑，通過溶液-水懸浮工藝制備HMX基PBX，重點(diǎn)研究了溫度對(duì)HMX基PBX形貌及安全性能的影響。利用掃描電鏡、XRD、DSC和撞擊感度測(cè)試等方法對(duì)不同溫度下制備的PBX進(jìn)行性能表征。結(jié)果表明：當(dāng)制備溫度為60℃時(shí)，可以得到形貌完好的晶體顆粒，包覆前后HMX晶型結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，高聚物粘結(jié)炸藥熱安定性有明顯提高，撞擊感度特性落高50由原來(lái)的20.88cm提高到57.2cm，安全性能有較大幅度的提高。本研究表明水懸浮法制備HMX基PBX的最佳包覆溫度為60℃。

HMX；PBX；溫度；溶液水懸浮法；性能測(cè)試

高聚物粘結(jié)炸藥（polymer-bonded explosive，PBX）又被稱為塑料粘結(jié)炸藥，其采用高能單質(zhì)炸藥為主體炸藥，將幾種高聚物作為粘結(jié)劑，并加入具有各種改善性能的添加劑，在一定的溫度和壓力條件下制備而成[1]。因?yàn)镻BX具有安全性能優(yōu)良、機(jī)械強(qiáng)度大、易于成型等優(yōu)點(diǎn)，使得對(duì)PBX的研究成為炸藥材料等的熱門課題[2-6]。

為了制備形貌良好、感度較低的鈍感炸藥，本文采用水懸浮包覆法，研究了不同溫度（40℃、50℃、60℃、70℃）對(duì)包覆粒子（HMX）性能及形貌的影響，并用SEM、XRD、DSC對(duì)制備的HMX粒子進(jìn)行性能表征，通過撞擊感度測(cè)試對(duì)HMX粒子的安全性能進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)一步豐富包覆降感技術(shù)的理論知識(shí)，為硝化炸藥往高能鈍感方向發(fā)展提供一定的參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：HMX，兵器工業(yè)集團(tuán)805廠；Viton-A，工業(yè)級(jí)，四川辰光科技有限公司；乙酸乙酯，分析純，天津市恒興制造有限公司；去離子水，自制。

儀器：S4700型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司；DSC-131型差示掃描熱量?jī)x，法國(guó)Setaram公司；DX-2700型射線粉末衍射系統(tǒng)，丹東浩元公司。KQ-300E超聲波震蕩器，昆山市超聲儀器有限公司；SHZ-D(Ⅲ)真空泵，上海振捷實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 高聚物粘結(jié)炸藥的制備

首先將HMX水溶液在超聲儀中超聲，然后置于水浴鍋中加熱，控制攪拌速度，改變溫度，把配好的Viton-A滴加到燒瓶中，控制攪拌速度和壓力，直到燒瓶?jī)?nèi)水變清出現(xiàn)細(xì)小顆粒，實(shí)驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 晶型分析

原料（β-HMX）以及在不同溫度下細(xì)化的HMX基PBX的XRD譜圖如圖2所示。

如圖2所示，對(duì)于不同溫度下（40℃、50℃、60℃、70℃）制備的HMX基PBX主要特征峰的衍射角在20.48°、23.03°、31.91°處，與原料HMX能夠一一對(duì)應(yīng)，說明在合理溫度范圍內(nèi)制備HMX基PBX不會(huì)影響HMX的晶體結(jié)構(gòu)。但制備的HMX基PBX包覆粒子衍射峰峰高降低，峰寬變寬，這是因?yàn)橹苽涞腍MX基PBX中含有一定量的粘結(jié)劑，X射線衍射峰強(qiáng)度會(huì)隨著炸藥含量的變小而逐漸減弱[7]。因此，溫度并沒有改變?cè)Ｗ拥木徒Y(jié)構(gòu)。

圖2 不同溫度下制備的HMX基PBX的X射線衍射圖

2.2 形貌分析

對(duì)使用不同溫度下（40℃，50℃，60℃，70℃）制備的HMX基PBX用S4700型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行SEM分析，如圖3所示。

圖3 不同溫度下制備的HMX基PBX的SEM圖

由圖3（a）和圖3（b）可以看出，當(dāng)包覆溫度為40℃和50℃時(shí)，包覆粒子外漏現(xiàn)象嚴(yán)重，粒子表面有明顯的凹凸現(xiàn)象，HMX包覆粒子呈散狀分布，粒子之間并沒有較好地粘結(jié)在一起，而是出現(xiàn)了一定程度的團(tuán)聚現(xiàn)象，包覆效果不理想；由圖3（c）可見，當(dāng)包覆溫度為60℃時(shí)，包覆層光滑，包覆粒子密實(shí)，HMX粒子沒有明顯的外漏現(xiàn)象，HMX較好地被Viton-A包覆；由圖3（d）可以看出，當(dāng)包覆溫度為70℃時(shí)，Viton-A雖然可以包覆在HMX表面，但出現(xiàn)了包覆層包覆厚度不均勻，HMX粒子裸露現(xiàn)象。也就是說，包覆溫度過高或者過低會(huì)對(duì)HMX包覆粒子形貌產(chǎn)生較大影響，這是因?yàn)椋寒?dāng)包覆溫度過低（溫度低于60℃），Viton-A粘結(jié)劑加入到HMX混合液后，乙酸乙酯的揮發(fā)速率降低，粘結(jié)劑析出的時(shí)間變長(zhǎng)，在攪拌作用下瞬間析出的少量粘結(jié)劑不能較好地包覆在HMX表面，造成圖3（a）和圖3（b）中的包覆效果不佳，甚至出現(xiàn)粒子團(tuán)聚現(xiàn)象；而當(dāng)溫度過高（溫度高于60℃），Viton-A粘結(jié)劑加入到HMX混合液后，乙酸乙酯的揮發(fā)速率加快，粘結(jié)劑瞬間析出較多，造成包覆層粘結(jié)劑分布不均勻的現(xiàn)象。

2.3 熱分解性能

采用差式掃描熱法（DSC）對(duì)制備的HMX基PBX進(jìn)行熱性能分析，升溫速率分別為5℃/min、10℃/min、20℃/min，DSC曲線如圖4所示。

圖4 原料HMX及不同溫度下制備的HMX基PBX的DSC曲線

根據(jù)3種升溫速率下的分解放熱峰，利用Kissinger[8]公式（公式1）、公式（2）和熱爆炸臨近溫度計(jì)算公式[9]（公式3）可以分別計(jì)算出熱分解表觀活化能E、指前因子[10]、HMX升溫速率趨近于0時(shí)的峰溫T0和熱爆炸臨界溫度T，結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫度下包覆粒子的熱爆炸臨界溫度

Tab.1 Critical temperature of thermal explosion of particles coated under different temperature

Kissinger公式：

式（1）~（3）中：為升溫速率，K/min或K/s；T為升溫速率下炸藥的分解峰溫，℃；為指前因子，min-1或s-1；R為氣體常數(shù)，8.314J·mol-1·K-1；為表觀活化能，J·mol-1。

根據(jù)表1可以看出，不同溫度下制備的HMX基PBX的表觀活化能和指前因子均有所升高，而制備溫度為60℃下的粒子熱爆炸臨界溫度最高，說明此溫度下制備的HMX基PBX具有較高的安定性。這是因?yàn)樵摐囟认抡辰Y(jié)劑附著在HMX表面形成的包覆層密實(shí)，可以減少粘結(jié)劑裂解過程中產(chǎn)生的自由基對(duì)HMX的影響，從而達(dá)到改善安定性的目的。

2.4 撞擊感度

根據(jù)GJB 722 A-1997方法測(cè)試制備的HMX基PBX的撞擊感度。采用610.302型工具法測(cè)試并計(jì)算制備樣品的特性落高50，結(jié)果如表2所示。

表2 不同溫度下包覆粒子的撞擊測(cè)試結(jié)果

Tab.2 Impact test results of particles under different temperature condition

由表2可以看出，制備的HMX基PBX特性落高均有所升高，安全性能有不同程度的提高，其中60℃下制備的HMX基PBX安全性能提高明顯。這是因?yàn)樵?0℃下制備的HMX基PBX包覆層厚且密實(shí)，包覆層外面粘結(jié)劑分布均勻，在受到外界作用力時(shí)受力分布均勻，使得50提高明顯；而在其它溫度下包覆的HMX粒子都有粒子裸露現(xiàn)象，包覆效果較差，使得50提高程度不如在溫度為60℃下包覆的HMX粒子。

3 結(jié)論

當(dāng)制備溫度為60℃時(shí)，可以得到形貌完好的晶體顆粒，溫度過高或者過低都會(huì)對(duì)粘結(jié)炸藥的形貌產(chǎn)生影響；由XRD得出，包覆前后HMX晶型結(jié)構(gòu)都沒有發(fā)生變化，即在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度不會(huì)改變HMX的晶型結(jié)構(gòu)；由DSC分析可知，制備后的PBX的活化能均有所提高，且在制備溫度為60℃時(shí)的高聚物粘結(jié)炸藥熱安定性提高明顯；通過撞擊感度試驗(yàn)可知，當(dāng)制備溫度為60℃時(shí)50由原來(lái)的20.88 cm提高到57.2 cm，安全性能有較大提高。因此水懸浮法制備HMX基PBX的最佳包覆溫度為60℃。

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Study on the Effect of Water Slurring Temperature on the Morphology and Safety Performance of PBXs Based HMX

GUO Hui-feng，WANG Bao-min

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

PBX based HMX was prepared with Viton-A as binder by the water slurring method, and the effect of temperature on the morphology and safety property of PBXs was studied. The PBXs prepared under different temperature conditions were characterized by scanning electron microscope, XRD, DSC and the impact sensitivity test. The results showed that the crystal particles with good morphology can be obtained when the temperature was 60℃, the crystal form of HMX after coating did not changed compared to the raw material, and the thermal stability of the polymer bonded explosive was increased significantly when the preparation temperature was 60℃, as well as the characteristic drop height of impact sensitivity changed from the original 20.88cm to 57.2cm, which indicated the safety performance was improved greatly. The study show that the optimum coating temperature of PBX based HMX by water slurring method is 60℃.

HMX；PBX；Temperature；Water slurrying method；Performance testing

1003-1480（2017）02-0038-04

TQ564

A

2017-01-04

郭慧峰（1979-），男，在讀碩士研究生，從事安全評(píng)價(jià)研究。