超聲和噴霧輔助制備微米球形化RDX

荊肖凡，徐文崢，王晶禹

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

黑索今(RDX) 具有成本相對(duì)較低且爆炸性能良好的特點(diǎn)，因此目前是應(yīng)用最廣泛的炸藥之一。但是原料RDX的晶體形狀不規(guī)則并存在一定缺陷，流散性較差和機(jī)械感度較高，這些缺點(diǎn)限制了其在武器中的應(yīng)用[1]。為改善其性能，許多國(guó)家對(duì) RDX的重結(jié)晶進(jìn)行了研究。如法國(guó)SNPE公司在國(guó)際上首先研制了不敏感 RDX(I-RDX)，目前已經(jīng)批量生產(chǎn)[2]；澳大利亞也進(jìn)行了類似的研究，并將重結(jié)晶后的RDX命名為RS-RDX[3]；重結(jié)晶后的I-RDX和 RS-RDX都為外形圓滑、棱角較少、晶體透明度高、內(nèi)部缺陷較少[4]。而國(guó)內(nèi)對(duì) RDX的微米球形化研究較少，如趙雪[1]等人利用冷卻結(jié)晶制備了球形化的RDX，但其顆粒太大。

炸藥細(xì)化處理后具有爆炸能量釋放更完全、機(jī)械感度更低等優(yōu)點(diǎn)[5]，物理研磨法、溶劑/非溶劑重結(jié)晶法、超臨界法、超聲波法[6-8]等都能改變炸藥的晶形和顆粒大小，但溶劑/非溶劑重結(jié)晶法和超聲波法具有產(chǎn)物純度高、能耗低、工藝簡(jiǎn)單和易于規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)將溶劑/非溶劑重結(jié)晶法和超聲波法相結(jié)合，使用自制的超聲噴霧輔助重結(jié)晶裝置對(duì)RDX進(jìn)行了重結(jié)晶研究，對(duì)微米球形化的RDX顆粒的形貌和顆粒大小進(jìn)行了表征，并對(duì)其撞擊感度和熱分解性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

RDX原料，兵器工業(yè)總公司805廠提供；二甲基亞砜，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；純凈水，分析純，太原太鋼純凈水公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在圖1實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，常溫常壓下，稱取5g的RDX溶于20mL的二甲基亞砜溶液中，過濾不溶物質(zhì)，并將溶液放入容器中。量取 150mL的純凈水，倒入反應(yīng)容器中。開啟超聲噴霧裝置，RDX溶液霧化成霧滴，霧滴落入非溶劑水中，霧滴快速結(jié)晶出RDX顆粒，得到白色懸濁液，過濾，冷凍干燥，得到白色粉末RDX。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic view of the experimental set-up

1.3 樣品的表征

采用 Hitachi S-4700 冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM，日本) 對(duì)晶體形貌進(jìn)行表征。顆粒尺寸分布采用 Hydro2000Mu 馬爾文激光粒度分析儀（英國(guó)），工作條件為：采用超純水作為分散介質(zhì)。

差示掃描量熱法（differential scanning calorimeter,DSC）：采用法國(guó)Setaram公司生產(chǎn)的DSC-131型差示掃描量熱儀對(duì)RDX的熱分解特性進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試條件：鋁坩堝加蓋打孔；氣氛為氮?dú)?；流量?0mL/min；試樣質(zhì)量為(0.5±0.1)mg；參比物Al2O3粉；升溫速率β分別為5/min℃，10/min℃，20/min℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌分析

圖2為原料RDX和超聲噴霧輔助重結(jié)晶RDX樣品的SEM測(cè)試結(jié)果。從圖2（a）可以看出，RDX原料體形狀不規(guī)則，顆粒明顯不均勻，粒度約為50～100μm。而經(jīng)噴霧輔助法制備出的 RDX（圖 2（b））顆粒均勻，顆粒大小為1～3μm，基本上都為類球形，分散性較好。從圖3可以看出，超聲噴霧輔助重結(jié)晶RDX的粒度的中值粒徑為2.65μm。

圖2 RDX的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of RDX

圖3 重結(jié)晶RDX的粒度分布曲線Fig.3 Particle size distribution curves of recrystallized RDX

2.2 熱分解性能和安定性分析

對(duì)原料RDX和超聲噴霧輔助重結(jié)晶RDX的熱分解特性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的DSC曲線如圖4所示。

圖4 RDX的DSC曲線Fig.4 DSC curves of RDX

從圖 4可以看出，在相同升溫速率下，重結(jié)晶RDX的分解峰溫都比原料 RDX的分解峰溫有所前移。比較原料RDX和重結(jié)晶RDX的放熱峰形，對(duì)不同升溫速率而言，原料RDX和重結(jié)晶RDX的分解峰溫Tp都隨升溫速率β的增加而升高。根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)，用Kissinger公式和Rogers公式分別計(jì)算熱分解表觀活化能Ea、指前因子A[9]，計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 DSC曲線熱分解峰的Kissiger圖Fig.5 Kissiger’s plot for the thermal decomposition peak of the DSC curves

式（1）～（2）中：Tp為在升溫速率β下炸藥的分解溫度峰溫，K；R為氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1；β為升溫速率，K·min-1或s-1；A為指前因子，min-1或 s-1；Ea為表觀活化能，J·mol-1。綜上所述，從圖5中可以看出，重結(jié)晶RDX的表觀活化能Ea和指前因子A比原料RDX都略有增加，這表明重結(jié)晶后的球形RDX 熱安定性升高。

2.3 熱穩(wěn)定性

利用所求得的表觀活化能(Ea)和式（3）可求得在升溫速率β→0時(shí)的分解峰溫TP0，并利用 Zhang-Hu-Xie-Li[10]熱爆炸臨界溫度計(jì)算公式（式（4））可算出熱爆炸臨界溫度Tb，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 原料RDX和重結(jié)晶RDX的熱爆炸臨界溫度數(shù)據(jù)Tab.1 Thermal explosion and critical temperature data of raw RDX and recrystallized RDX

從表1可以看出，超聲噴霧輔助重結(jié)晶RDX的熱爆炸臨界溫度比原料RDX升高了2.74℃，這表明重結(jié)晶RDX比原料RDX的熱敏感性有所降低。

2.4 撞擊感度

原料RDX及超聲噴霧輔助重結(jié)晶RDX的撞擊感度根據(jù)GJB 772A-1997方法601.312型工具法進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)條件為：落錘質(zhì)量為(5.000±0.002)kg；藥量為（35±1）mg；溫度為10～35℃；相對(duì)濕度≤80%。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 原料RDX及重結(jié)晶RDX的撞擊感度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Impact sensitivity of raw RDX and recrystallized RDX

由表2可見，重結(jié)晶RDX的特性落高相比原料RDX明顯上升，撞擊感度顯著降低。

3 結(jié)論

通過超聲噴霧輔助重結(jié)晶得到了微米球形化RDX。重結(jié)晶后的RDX顆粒均勻，基本上為球形且達(dá)到了微米級(jí)別，分散性較好。超聲噴霧輔助重結(jié)晶RDX的撞擊感度明顯降低，特性落高（H50）從21.51cm升高到36.43cm。

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