不同配比HMX/TATB高聚物粘結炸藥的制備及表征*

賈新磊， 張園萍， 侯聰花， 王晶禹， 任麗萍

(1. 中北大學 化工與環(huán)境學院， 山西 太原 030051； 2. 中國兵器工業(yè)標準化研究所， 北京 100089)

不同配比HMX/TATB高聚物粘結炸藥的制備及表征*

賈新磊1， 張園萍1， 侯聰花1， 王晶禹1， 任麗萍2

(1. 中北大學 化工與環(huán)境學院， 山西 太原 030051； 2. 中國兵器工業(yè)標準化研究所， 北京 100089)

采用溶液-水懸浮工藝制備不同配比的TATB/HMX粘結炸藥， 并利用掃描電鏡、 XRD、 DSC和撞擊感度測試等方法對其進行性能表征. 結果表明： 當HMX含量為55%時， 可以得到形貌較完好的晶體顆粒， HMX含量過高或過低都會對粘結炸藥的形貌及粒度產生影響； 由XRD得出， 包覆前后HMX和TATB的晶型結構沒有發(fā)生變化， 即整個包覆工藝過程沒有改變物質的晶型； 由DSC分析， 制備后的PBX活化能均有所提高， 且當HMX含量為55%時制備的高聚物粘結炸藥的熱安定性有明顯提高； 通過撞擊感度實驗， 3種PBX全都不發(fā)火， 表明TATB對HMX有很好的降感作用. 制備HMX/TATB高聚物粘結炸藥的最佳配比是HMX∶Viton-A∶TATB=55∶5∶40.

HMX; TATB； 包覆； 溶液水懸浮法

高聚物黏結炸藥(Polymer-Bonded Explosive， PBX)又被稱為塑料粘結炸藥， 其主體炸藥為高能單質炸藥， 是將幾種高聚物作為粘結劑， 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成的具有特殊功能的高能混合炸藥[1]. 由于PBX安全性能優(yōu)良， 機械強度大， 易于成型等優(yōu)點， 使得其成為炸藥材料等研究的熱門課題[2-6]. 三氨基三硝基苯(TATB)是一種鈍感炸藥， 爆轟波感度很低， 且臨近直徑較大， 高溫條件下緩慢加熱、 子彈射擊或者暴露在火焰燃燒的環(huán)境下， TATB都不會產生爆炸， 因此在耐熱和安全炸藥的材料中， TATB成為人們的首選. HMX比傳統(tǒng)的TNT炸藥更容易發(fā)生爆炸， 現代各類武器的主要毀傷炸藥都為HMX. 但是HMX比較敏感， 撞擊感度低， 在外界刺激下很容易發(fā)生爆炸， 不能達到人們所需要的安全性能要求. 陳云閣等[7]通過對含TATB炸藥共晶技術的研究， 發(fā)現TATB分子內和分子之間存在著穩(wěn)定的氫鍵. 吳永炎等[8]通過制備超細TATB炸藥并初步設計了TATB基傳爆藥的配方. Nandi[9]研究發(fā)現在HMX-甲苯的懸浮液中， TCTNB的胺化作用可以使TATB包覆在HMX晶體的表面. Talawr M B等[10]將TATB混合于各種炸藥配方來實現所需要的較高機械強度. 雷英春等[11]研究了TATB/HMX與氟橡膠之間的相容性. 學者對HMX/TATB進行了不同方面的研究， 但目前未對制備HMX/TATB的最佳配方進行說明研究.

本文采用溶液-水懸浮工藝原理， 利用水懸浮工藝制備出TATB/HMX粘結炸藥， 重點研究了不同配比對高聚物粘結炸藥形貌以及性能的影響， 并對包覆后的炸藥進行熱安定性、 晶體結構和撞擊感度等性能測試， 為含能材料高能鈍感發(fā)展提供了一定的參考.

1 實 驗

1.1 材料與儀器

TATB， 兵器工業(yè)集團； HMX， 兵器工業(yè)集團805廠； Viton-A， 工業(yè)級， 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.

S4700型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡， 日本日立公司； DSC-131型差示掃描熱量儀， 法國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， 上海振捷實驗設備有限公司.

1.2 高聚物粘結炸藥的制備

根據溶液-水懸浮工藝原理， 以500 mL的廣口瓶作為反應器， 質量分數為5%的Viton-A乙酸乙酯溶液作為粘結劑， 控制壓力為0.04 MPa， 滴加速度為15 mL/min， 溫度為60 ℃， 料液比為1∶10， 攪拌速度為500 r/min的條件下， 按照表1的配方分別制備出PBX-1、 PBX-2、 PBX-3三種含TATB的高聚物粘結炸藥. 制備流程如圖 1 所示.

表 1 高聚物粘結炸藥配方

圖 1 PBX制備流程圖Fig.1 Flow chart of PBX preparation

2 結果與討論

2.1 晶型分析

分別對HMX、 TATB和3種不同配方比的PBX包覆炸藥進行XRD測試， 測試所得X射線衍射圖譜如圖 2 所示.

圖 2 HMX、 TATB和3種不同配方比的PBX的X射線衍射圖Fig.2 X ray diffraction diagram of HMX, TATB and PBX of three formulations ratios

由圖 2 可知， HMX的特征峰對應的衍射角主要是14.665°, 16.011°, 20.451°, 22.997°, 26.118°, 27.168°, 29.654°, 31.905°. TATB的衍射角主要在28.398°. 3種組成比例不同的PBX包覆炸藥的特征峰不僅具有HMX的特征峰形態(tài)， 同時也具有TATB的特征峰形態(tài)， 而且衍射角基本一致， 只是特征峰的強度有所減弱. 此外， 從表中數據也可以看出， 隨著TATB含量的減少， PBX的衍射峰強度越來越接近HMX的衍射峰. 因此， 在整個包覆過程中， HMX和TATB的晶型并沒有發(fā)生變化， 這就說明溶液-水懸浮法包覆工藝不會改變HMX和TATB的整體晶型結構.

2.2 形貌分析

3種不同配方比的PBX炸藥掃面電鏡照片如圖 3 所示.

圖 3 不同配方比的高聚物粘結炸藥的SEM照片Fig.3 SEM photos of polymer bonded explosive at three formulation ratios

如圖 3 所示， PBX-2包覆炸藥顆粒形貌為實心球形， 包覆密實， 表面光滑且無棱角， 包覆效果良好； PBX-1和PBX-3表面形貌有明顯裂痕， 包覆不完整且有孔隙等缺陷. 當HMX含量過高時(PBX-3)， 制備的高聚物粘結炸藥出現明顯外漏現象， 包覆效果存在較大缺陷； 而當HMX含量較低時(PBX-1)， 包覆炸藥雖然無明顯外漏現象， 但包覆形貌不規(guī)則， 存在一定凹陷現象. 這是因為， 從包覆潤濕機理來看， TATB具有類石墨結構， 有一定的潤滑作用， 在制備PBX的沾濕、 浸濕、 鋪展過程中[11]， 液體和固體能夠更好地接觸和侵入， 并在分子之間作用力下形成了包覆效果良好的高聚物粘結炸藥. 當TATB含量過高時， 炸藥與粘結劑之間分子間作用力過大， 造成如圖3(a)所示的形貌凹陷現象； 而當TATB含量較低時， 由于分子間作用力過小， 使得潤濕效果不明顯， 包覆不完全， 出現如圖3(c)所示的炸藥外漏現象. 所以從晶體形貌來看， 制備HMX/TATB高聚物粘結炸藥的最佳配比為HMX∶Viton-A∶TATB=55∶5∶40.

2.3 熱分解性能

圖 4 為HMX、 TATB以及不同配比制備的PBX的DSC曲線， 表2為不同升溫速率下的熱分解峰溫.

圖 4 HMX、 TATB以及不同配比的PBX的DSC曲線圖Fig.4 DSC curves of HMX, TATB and PBX at three formulation ratios

如圖 4 所示， HMX、 TATB以及不同配比制備的PBX的熱分解峰溫Tp都隨升溫速率的增加而升高， 這也是Kissing法和Ozawa法計算不同物質動力學參數的依據. 在不同的升溫速率下， PBX包覆炸藥的熱分解峰值要比HMX原料的熱分解峰值低， 這是因為粘結劑自由基的影響使HMX炸藥提前發(fā)生了熱分解. 而包覆后的TATB炸藥的熱分解溫度則普遍升高， 說明TATB包覆層的存在能保證HMX炸藥的穩(wěn)定性.

表 2 不同升溫速率下 HMX,TATB和3種不同配方比的PBX的熱分解峰溫

由表 2 數據， 根據文獻[12-13]， 通過Kissinger式(1)和Rogers式(2)計算出樣品熱分解表觀活化能Ea和指前因子A[14].

表 3 HMX， TATB和三種不同配方比PBX包覆炸藥的熱分解表觀活化能

由表 3 可以看出， HMX， TATB和Viton A所組成的體系的表觀活化能都有一定的提高. TATB在包覆后的表觀活化能在PBX-1、 PBX-2和PBX-3中分別提高了14.36、 3.99和7.29 kJ/mol； HMX的增幅在PBX-1、 PBX-2、 PBX-3中分別提高了46.75、 51.74、 46.87 kJ/mol. PBX-1、 PBX-2、 PBX-3的TATB表觀活化能比原料分別提升了7.18%、 2.00%、 3.6%； PBX-1、 PBX-2、 PBX-3的 HMX表觀活化能則比原料分別提升了11.28%、 12.5%、 11.31%. 兩者均低于20%的標準， 說明制備后的PBX的熱安定性較好.

2.4 機械感度

根據GJB2178.2A-2005[15]方法中關于撞擊感度試驗的要求， 對3種含TATB的PBX進行安全性測試. 在試驗條件： 落錘質量為2.500±0.002 kg， 藥量為35±1 mg， 溫度為10 ℃～35 ℃， 相對濕度≤80%， 落高為120 cm下進行20發(fā)試驗. 結果3種PBX全都不發(fā)火， 表明TATB對HMX有很好的降感作用.

3 結 論

1)采用溶液-水懸浮工藝制備不同配比的HMX/TATB高聚物粘結炸藥， 制備后的PBX中TATB和HMX晶型結構未發(fā)生轉變.

2)當HMX含量為55%時， 可以得到形貌較完好的晶體顆粒， HMX含量過高或者過低都會對粘結炸藥的形貌及粒度產生影響.

3)制備后的PBX活化能均有所提高， 而且當HMX含量為55%時， 熱安定性有明顯提高.

4) 通過撞擊感度實驗3種PBX發(fā)現全都不發(fā)火， 表明TATB對HMX有很好的降感作用； 通過TATB包覆HMX制備高聚物粘結炸藥， 可以使炸藥達到高能鈍感的要求， 制備HMX/TATB高聚物粘結炸藥的最佳配比是HMX∶Viton-A∶TATB=55∶5∶40.

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PreparationandCharacterizationofPolymerBondedExplosiveofHMX/TATBatDifferentRatios

JIA Xin-lei1， ZHANG Yuan-ping1， HOU Cong-hua1， WANG Jing-yu1， REN Li-ping2

(1. School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan 030051, China； 2. China Ordnance Standardization Industry， Beijing 100089， China)

The bonded explosive of TATB/HMX was prepared at different ratios by water slurrying method, and the performance was characterized by scanning electron microscope(SEM), excitation X-ray diffractometer (XRD), differential scanning heat method (DSC) and impact sensitivity test. Results show that the good crystals morphology of particles is obtained when the content of HMX in the PBX is 55%, while the content is too high or too low will affect the morphology and size of the bonded explosive. The crystal structure of HMX and TATB after coating doesn’t change compared with before, that is the coating process does not change the crystal type of material derived from XRD. It is obtained that the activation of the PBX after the preparation increased, and the thermal stability of polymer bonded explosive is improved obviously by the DSC. Impact sensitivity experiment shows that the sensitivity of three kinds of PBX is reduced, which indicates that explosive is in good stability. The optimal ratio of HMX， Viton-A and TATB is determined to be 55∶5∶40.

HMX; TATB; coating; water slurrying method

1673-3193(2017)03-0360-04

2016-10-17

賈新磊(1990-)， 男， 博士生， 主要從事爆炸品安全性能及測試技術的研究.

TQ560.1

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.03.019