非酯類增塑劑在RDX/HTPB基澆注炸藥中的應用研究

王 鵬，張?zhí)旄＃钪矣?，趙新巖，程 迪，高 揚

(航天化學動力技術(shù)重點實驗室，湖北航天化學技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441003)

澆注型高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)因其良好低易損性能，對子彈、火焰及破片等多種刺激不敏感，且在貯存、使用及運輸過程中安全可靠，成為鈍感彈藥發(fā)展的一個關(guān)鍵領(lǐng)域，目前已廣泛應用于歐美國家各類武器戰(zhàn)斗部裝藥[1-3]。

澆注PBX的常用惰性粘結(jié)劑為端羥基聚丁二烯(HTPB)。為了提高澆注混合炸藥的爆炸威力，其固體含量通常高達85%～91%。目前降低澆注炸藥粘度的常用方法有2種：一種方法是使用低分子量、低粘度的HTPB；另一種方法是適當增加增塑劑的含量，通過提高增塑比達到降低藥漿粘度的目的[4]。增塑劑不僅能有效增加藥漿可塑性及流動性，改善裝藥工藝性能，而且能有效提高混合炸藥的安全性能[5]。國內(nèi)外常用的增塑劑為己二酸二辛酯(DOA)或癸二酸二辛酯(DOS)，這類耐寒型增塑劑的粘度低，但當該類增塑劑含量較高時容易發(fā)生遷移，致使PBX的滲油率增加及力學強度降低，因此在實際使用時需控制該類增塑劑在混合炸藥中的含量[6-7]。同時，該類脂肪族二元酸酯類增塑劑對ε-CL-20 具有溶解性，能促進其晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變[8]。

研究新型的耐遷移且能降低澆注PBX粘度的增塑劑具有重要的應用價值。美國在含90% CL-20的DLE-C038炸藥中采用新型增塑劑PL1，與增塑劑己二酸二辛脂(DOA)、異壬酸異癸酯(IDP)相比，該增塑劑對CL-20無溶解性，且顯著降低了炸藥的粘度[9-10]。法國研究人員采用一種P0增塑劑，獲得了工藝性能良好的含91%固含量的CL-20基澆注炸藥[11]。張俊等[12]研究發(fā)現(xiàn)對于HTPB基澆注PBX，不同增塑劑優(yōu)劣次序依次為IDP>DOA>DOS。歐亞鵬[13]設(shè)計了一種復合增塑劑AI，降低了澆注PBX 藥漿黏度，提高了固相含量，同時降低了PBX的滲油性。本研究采用了2種新型非酯類惰性增塑劑NP、KA，以常用增塑劑DOS為參照物，對比分析了3種不同增塑劑對HTPB的增塑效果，并在RDX/HTPB基澆注炸藥配方中進行了初步的應用分析，旨在為高固體含量澆注PBX的研究提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗原料和儀器

黑索今(RDX)，工業(yè)級，甘肅銀光化學工業(yè)集團有限公司；鋁粉(Al)，F(xiàn)LQT3，鞍鋼實業(yè)微細鋁粉有限公司；端羥基聚丁二烯(HTPB)，工業(yè)級，Ⅲ型，黎明化工研究設(shè)計院有限責任公司；癸二酸二辛酯(DOS)，工業(yè)級，營口天元化工研究所股份有限公司；異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，工業(yè)級，德國拜耳公司；NP、KA，湖北航天化學技術(shù)研究所自制。

ARES-G2 高級旋轉(zhuǎn)流變儀，美國TA公司；DMA2980 動態(tài)粘彈譜儀，美國TA公司；DSC-Q 2000 型差示掃描量熱儀，美國 TA 公司；電子天平，分度值 0.01 mg，瑞士梅特勒多利公司；KVM-5型捏合機及控制系統(tǒng)，湖北航鵬化學動力有限公司。INSTRON-5567材料試驗機，美國INSTRON公司。VT550粘度計，德國哈克公司；WM-1型摩擦感度測試儀、WL-1 型撞擊感度測試儀，湖北航天化學技術(shù)研究所。

1.2 試樣制備

將HTPB、DOS或NP、KA等增塑劑按配比預混，加入少量固化催化劑TPB，于70 ℃烘箱加熱2 h，確保流動性好且混合均勻，然后按比例加入固化劑IPDI攪拌均勻，真空去除氣泡，澆入聚四氟乙烯模具內(nèi)，置于60 ℃烘箱固化7 d得到厚度為3 mm 左右的膠片，取出放入干燥器中待測。

澆注PBX的主要固體組成為RDX/Al=70/20，粘結(jié)劑為HTPB。具體制備工藝如下：按配方組成稱取各類原材料，首先將Al粉與稀漿進行預混，再分3次將RDX加入至VKM-5立式混合機機中，充分混合均勻，混合溫度60 ℃；然后加入IPDI繼續(xù)混合；最后將混合完畢的物料采用真空澆注工藝澆注在特制模具中，置于60 ℃烘箱固化7 d得到PBX方坯。

1.3 測試表征

采用ARES-G2高級旋轉(zhuǎn)流變儀，增塑劑及混合膠液的粘度測試均選取直徑50 mm的上椎板下平行板，間隙0.04 mm，步階剪切速率為35 s-1。

采用INSTRON-5567材料試驗機測試啞鈴型丁羥膠片及RDX基澆注PBX炸藥的拉伸強度、斷裂伸長率和定伸模量，常溫20 ℃的拉伸速率為100 mm/min。

采用DMA 2980 型動態(tài)力學儀測試丁羥膠片的動態(tài)力學性能，拉伸模式，頻率為1 Hz，溫度范圍-90 ℃～70 ℃，升溫速率5 ℃/min。

按照GJB 772A對固化后的炸藥藥粒機械感度進行分析，撞擊感度的測試條件為錘重10 kg，落高25 cm，摩擦感度的測試條件為表壓3.92 MPa，擺角90°，得到炸藥藥粒發(fā)生爆炸的百分數(shù)。

按照GJB 772A—1997 702.1電測法進行爆速測試，藥柱尺寸Ф30 mm×30 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同增塑劑對HTPB的增塑效果

對3種不同增塑劑的密度、粘度、熱分解特性等基本性能進行了測試分析，結(jié)果見表1、圖1。其中NP、KA均為非酯類液體，外觀無色。

表1結(jié)果表明，3種增塑劑的密度基本相當，均為0.90 g/cm3左右。DOS的粘度最低，流動性最好，非酯類增塑劑NP、KA的粘度較高，分別約為DOS的3.0、8.3倍。DOS的熱分解呈放熱特性，峰溫為265.73 ℃，增塑劑NP、KA的熱分解均為吸熱特性，峰溫分別為249.50 ℃、287.16 ℃。

表1 不同增塑劑的基本性能

圖1 不同增塑劑的DSC曲線

對采用不同增塑劑制備的丁羥膠片常溫抗拉強度、玻璃化溫度(DMA分析)進行了測試，其中增塑劑與HTPB的質(zhì)量比為1∶1，結(jié)果見表2。

表2 不同丁羥膠片的抗拉強度及玻璃化溫度

表2結(jié)果表明，采用3種不同增塑劑制備的HTPB基聚氨酯膠片玻璃化溫度均低于-60 ℃，保證了聚氨酯彈性體具有良好低溫力學性能。

與空白試樣J-1相比，添加增塑劑后，不同聚氨酯膠片的最大延伸率均顯著提高，膠片的抗拉強度及彈性模量均降低，這與增塑劑的作用效果相一致。J-3、J-4膠片的最大抗拉強度均高于J-2，延伸率略低于J-2。這表明，與常用增塑劑DOS相比，2種新型增塑劑NP、KA對HTPB的增塑效果良好。

2.2 不同增塑劑對HTPB粘度的影響

研究了含3種不同增塑劑的丁羥混合膠液表觀粘度隨溫度的變化關(guān)系，結(jié)果見圖2。

圖2 不同丁羥膠液的粘度隨溫度變化曲線

由圖2可知，相同溫度下，不同增塑劑與HTPB 的共混物中HTPB/DOS 共混物粘度最小，HTPB/KA共混物粘度最高。增塑劑本體的粘度越低，HTPB與增塑劑的混合膠液粘度也越低。不同增塑劑/HTPB 共混體系粘度變化與溫度的關(guān)系呈現(xiàn)出一致規(guī)律，溫度越高，整個共混體系的粘度越低。20～40 ℃之間共混體系的粘度降低幅度較大，40～60 ℃之間粘度下降變緩。

HTPB分子鏈作為一個整體發(fā)生質(zhì)心相對運動，分子鏈之間發(fā)生相對位移，HTPB 分子運動強烈依賴于溫度高低，隨著溫度升高，熱膨脹導致空間增大，各運動單元熱運動能力增強，松弛時間縮短，從而導致體系粘度降低。另一方面，HTPB與增塑劑形成共混體系時，小分子增塑劑介入 HTPB 大分子鏈間，增大了分子間間距，體系自由體積增加，降低了 HTPB 分子間的相互作用，運動時所需克服的摩擦阻力降低，增加了 HTPB 分子自由運動，從而使整個共混體系流動粘度降低[14]。

2.3 增塑劑在RDX基澆注PBX中的應用情況

2.3.1 增塑劑對炸藥工藝性能的影響

固定炸藥配方的組成及增塑比，對比分析了含不同增塑劑的RDX基澆注炸藥藥漿工藝性能，測試結(jié)果見表3。

表3 不同炸藥的工藝性能

炸藥藥漿表觀粘度ηy和屈服值τy的大小可用來表征藥漿真空澆注過程的難易程度。表3結(jié)果表明，使用增塑劑DOS的RDX基炸藥配方PX-1工藝性能差，澆注時藥漿堆積，流動、流平性不好。PX-2、PX-3配方的澆注工藝性能良好，2種炸藥藥漿的粘度及屈服值隨時間的增加而緩慢增大，5 h后藥漿粘度均低于500 Pa·s，屈服值低于200 Pa，工藝性能滿足戰(zhàn)斗部大型裝藥的要求。與PX-3相比，PX-2炸藥藥漿粘度及屈服值更低，工藝性能更好。相比DOS，增塑劑NP、KA顯著提高了炸藥藥漿的工藝性能，其中NP的作用效果最佳。

增塑劑應用于澆注炸藥中，不僅能夠減弱粘結(jié)劑載體HTPB分子鏈之間的纏繞作用，使粘結(jié)劑HTPB塑性增強，而且還起到了稀釋高分子網(wǎng)絡(luò)、潤滑炸藥顆粒的作用[7]。作為稀釋劑，增塑劑可稀釋 HTPB反應基團與IPDI固化劑反應基團的濃度，一定程度降低了固化反應速率；作為潤滑劑，增塑劑在RDX炸藥顆粒表面潤濕形成一層薄膜，減弱了粘結(jié)劑固化網(wǎng)絡(luò)與炸藥顆粒的相互作用。

分析認為，與DOS相比，NP及KA增塑劑與HTPB的飽和增塑濃度更高，且耐遷移，因此其稀釋高分子網(wǎng)絡(luò)的作用較弱，加快了固化劑IPDI前期的固化反應速率，同時NP及KA增塑劑更有助于增強RDX顆粒的潤濕性，從而提高了RDX基炸藥藥漿的流動及流平性。

2.3.2 增塑劑對炸藥力學性能及機械感度的影響

分析了使用不同增塑劑的澆注炸藥配方機械感度及力學性能，結(jié)果見表4。

表4 不同炸藥的機械感度及力學性能參數(shù)

由表4可知，炸藥配方PX-1常溫抗拉強度較低，使用非酯增塑劑的炸藥配方PX-2、PX-3常溫抗拉強度相當。由于增塑劑含量較高，增塑劑與HTPB的含量達到1∶1時，DOS增塑HTPB已達到過飽和狀態(tài)，超過溶脹平衡濃度，部分DOS發(fā)生遷移，稀釋、減弱了炸藥的固化反應，使得固化后的方坯較軟，致使PX-1抗拉強度低。相同情況下，非酯類增塑劑NP、KA的濃度未到達溶脹極限，且該增塑劑耐遷移，因此能在較大增塑比的情況下不減弱炸藥的固化，炸藥的力學性能保持良好。

2.3.3 增塑劑對炸藥爆轟性能的影響

測試分析了含不同增塑劑的RDX基澆注炸藥配方爆速，結(jié)果見表5。每種配方平行測試兩組。

表5 不同炸藥配方的爆速測試結(jié)果

表5表明，對比DOS，由于增塑劑NP、KA提高了炸藥藥漿的工藝性能，因此，PX-2、PX-3炸藥固化成型更密實，裝藥密度有所增加。由于3種增塑劑均為惰性增塑劑，且其密度接近，因此，含不同增塑劑的3種RDX基澆注炸藥配方的爆速基本相當，均大于7 900 m/s。

3 結(jié)論

1) 2種新型耐遷移增塑劑NP、KA對HTPB有良好的增塑效果。

2) 與增塑劑DOS相比，2種非酯類增塑劑NP、KA是炸藥顆粒的良好潤濕劑，且不會顯著減弱HTPB聚氨酯網(wǎng)絡(luò)的固化反應，可顯著提高澆注炸藥工藝性能的同時，保持良好的力學性能，更適用于HTPB基高固體含量澆注炸藥配方。