溶劑懸浮法制備含鋁炸藥造型粉及其性能

張建虎，潘麗萍，丁 玲，劉佳輝

(中國(guó)工程物理研究院 化工材料研究所， 四川 綿陽 621900)

含鋁炸藥是一類特殊的高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)，具有高爆熱、高爆溫、低易損性及燃燒效應(yīng)突出等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于侵徹、殺爆類高性能武器戰(zhàn)斗部裝藥，以及礦山爆破、地質(zhì)勘查等民用炸藥[1-3]。傳統(tǒng)的炸藥造型粉一般采用水懸浮法制備，因?yàn)樵摲椒ň哂袃?yōu)異的安全性且操作便捷[4-6]。然而，對(duì)于含鋁炸藥而言，在水懸浮造粒過程中，鋁粉極易與水反應(yīng)生成氫氧化鋁和氫氣[7-10]，因此水懸浮法并不適用于含鋁炸藥的造型粉制備。尤其是當(dāng)鋁粉粒徑越細(xì)、水溫越高時(shí)，鋁粉與水的反應(yīng)越劇烈，將直接導(dǎo)致最終炸藥產(chǎn)品中鋁粉組分的失效并可能導(dǎo)致安全問題。

長(zhǎng)期以來，如何有效抑制含鋁炸藥造型粉制備過程中鋁粉與水發(fā)生反應(yīng)，是含能材料領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題之一。為避免析氫反應(yīng)的發(fā)生，通常，含鋁炸藥的制備采用澆注法或捏合擠出法[11]。李代茹等采用澆注法，研究了提高PBX炸藥安全性及可靠性的方法[12]，霍朝沛針對(duì)鋁粉含量為20%的含鋁炸藥模擬物，研究了流場(chǎng)分布隨雙螺桿工藝參數(shù)的影響規(guī)律，為雙螺桿擠出含鋁炸藥的混合性能和安全性能的綜合評(píng)估提供了理論參考[13]。但是，這2種方法均存在一定缺陷，不能適用于壓裝型含鋁炸藥制備。特別是當(dāng)壓裝型含鋁炸藥中含有黑索今(RDX)、奧克托今(HMX)等高能炸藥時(shí)，這兩種制備方法的危險(xiǎn)系數(shù)會(huì)顯著上升，帶來較大安全隱患。

在液相介質(zhì)中制備含有高能炸藥的含鋁炸藥更能控制其安全風(fēng)險(xiǎn)，馮小軍等人采用溶劑-非溶劑法首先制備了六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)/Al復(fù)合炸藥顆粒[14]，然后再進(jìn)行包覆和造粒，分兩步制得壓裝型含鋁炸藥，提高了炸藥的爆熱值。馮博等研究了兩種包覆工藝對(duì)HMX基含鋁炸藥燃燒能量的影響，發(fā)現(xiàn)包覆工藝直接影響HMX基含鋁炸藥微觀狀態(tài)，進(jìn)而影響鋁粉的反應(yīng)率和燃燒能量[15]。封雪松等為了解決納米鋁粉在壓裝炸藥中的應(yīng)用問題，研究了不同制備工藝對(duì)含納米鋁粉炸藥機(jī)械感度的影響[16]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于采用溶劑懸浮法一步制備壓裝型含鋁炸藥的報(bào)道較少。本研究在傳統(tǒng)懸浮法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用無水乙醇作為懸浮介質(zhì)，一步制得以HMX和三氨基三硝基苯(TATB)為主要成分的壓裝型含鋁炸藥，并對(duì)其機(jī)械感度、成型及力學(xué)性能等進(jìn)行了研究，探索出壓裝型含鋁炸藥造型粉的制備新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

HMX，平均粒徑約40 μm，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司(國(guó)營(yíng)805廠)生產(chǎn)；TATB，平均粒徑約15 μm，中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所生產(chǎn)；Al粉，平均粒徑10 μm，廣州宏武材料科技有限公司；乙酸乙酯，分析純，成都聯(lián)合化工試劑研究所；無水乙醇，分析純，成都聯(lián)合化工試劑研究所；氟橡膠粘結(jié)劑，中昊晨光化工研究院有限公司；石蠟，遼寧撫順石化公司；蒸餾水，自制。

懸浮造粒裝置，自制；場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，德國(guó)卡爾蔡司 SIGMA HD；撞擊感度儀，WL-1 型；摩擦感度儀，WM-1型；液壓材料試驗(yàn)機(jī)，美特斯YAW-4605；萬能材料試驗(yàn)機(jī)，INSTRON-5582。

1.2 樣品制備

按照相同的物料配比，分別采用溶劑懸浮法和捏合擠出法制備含鋁炸藥，單次造型粉制備量均為100 g。溶劑懸浮法：首先將HMX、TATB、Al按照一定量的配比加入到無水乙醇中，在攪拌作用下形成炸藥/無水乙醇溶劑懸浮液，將氟橡膠粘結(jié)劑溶液勻速滴加到炸藥/無水乙醇溶劑懸浮液中，恒溫?cái)嚢璨⑹┘诱婵找欢螘r(shí)間以驅(qū)除溶劑，沖蒸餾水分散，最后加入鈍感劑石蠟，經(jīng)過濾、洗滌、真空干燥等工序，得到含鋁炸藥造型粉，命名為PBX-A1，溶劑懸浮法制備含鋁炸藥的工藝流程如圖1所示。捏合擠出法：將HMX、TATB、Al、粘結(jié)劑、鈍感劑全部加入到乙酸乙酯溶劑中，攪拌混合，開啟水浴加熱并抽真空，待大部分乙酸乙酯揮發(fā)后，出料過篩，得到含鋁炸藥造型粉，命名為PBX-A2。

圖1 溶劑懸浮法制備含鋁炸藥的工藝流程示意圖

采用模壓法將2種造型粉分別壓制成φ20 mm×6 mm、φ20 mm×20 mm及φ25 mm×30 mm藥柱，用于藥柱密度、藥柱力學(xué)性能及炸藥爆熱性能測(cè)試。

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡表征2種工藝制備的含鋁炸藥造型粉顆粒包覆情況，并進(jìn)行X射線能譜分析(EDS)。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

按照GJB772A—1997中方法418.1“壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線 電子引伸計(jì)法”，采用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)兩種不同制備工藝獲得的炸藥進(jìn)行壓縮力學(xué)性能測(cè)試，每組測(cè)試2發(fā)。

采用巴西實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試，巴西實(shí)驗(yàn)屬于一種間接拉伸實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好相關(guān)性，可作為同條件試樣之間的平行比較。每組測(cè)試3發(fā)，取平均值。

按照GJB 772A—1997中方法601.1“撞擊感度 爆炸概率法”和方法602.1“摩擦感度 爆炸概率法”對(duì)兩種造粒工藝制備的含鋁炸藥造型粉進(jìn)行感度測(cè)試。

按照GJB 772A—1997中方法701.1“爆熱 恒溫法和絕熱法”對(duì)兩種制備工藝獲得的含鋁炸藥進(jìn)行爆熱測(cè)試，每組測(cè)試兩發(fā)，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 含鋁炸藥形貌分析

從圖2、圖3兩種方法制備的含鋁炸藥造型粉SEM圖及EDS元素映射圖可以看出，溶劑懸浮法制備的PBX-A1造型粉顆粒呈類球形，顆粒圓滑密實(shí)，粒徑在(1～2)mm，具有很好的流散性，炸藥及Al粉分布均勻，無Al粉團(tuán)聚現(xiàn)象。而捏合擠出法制備的PBX-A2造型粉，形貌相對(duì)不規(guī)則，顆粒較為松散，炸藥與Al粉分布較為均勻，但包覆不夠密實(shí)。

結(jié)合成粒過程及圖2、圖3，分析造成上述差異的原因如下：溶劑懸浮法在造粒前期，其懸浮介質(zhì)主要為無水乙醇，當(dāng)加入氟橡膠粘結(jié)劑后，粘結(jié)劑將炸藥與Al粉粘結(jié)在一起，后期用蒸餾水將溶劑置換，在攪拌和蒸餾水沖擊下，形成顆粒，鈍感劑石蠟加入后，均勻分布于造型粉表面，使顆粒更加密實(shí)。采用捏合擠出法造粒時(shí)，為保證制備過程的安全，需要將鈍感劑與其他物料一起加入捏合機(jī)中。鈍感劑混合在體系中甚至包覆在炸藥晶體及Al粉的表面，導(dǎo)致粘結(jié)劑不能牢牢粘附在炸藥與Al粉表面，致使顆粒松散。此外，捏合擠出法造粒時(shí)，是待乙酸乙酯揮發(fā)后，再通過擠壓過篩方式造粒，因此造成顆粒形貌不規(guī)則，細(xì)小粉末較多。

圖2 溶劑懸浮法制備的含鋁炸藥造型粉SEM圖及EDS元素映射圖

圖3 捏合擠出法制備的含鋁炸藥造型粉SEM圖及EDS元素映射圖

2.2 炸藥成型及力學(xué)性能

選用φ20 mm及φ25 mm模具對(duì)兩種含鋁炸藥進(jìn)行藥柱壓制，樣品理論密度為2.025 g·cm-3，對(duì)比懸浮法和捏合擠出法制備的含鋁炸藥成型性能，結(jié)果見表1所示。PBX-A1造型粉的松裝密度為0.84 g·cm-3，顯著高于捏合擠出法制備的PBX-A2(0.65 g·cm-3)。

炸藥藥柱在壓制成型過程中，主要涉及造型粉顆粒重排、破碎及空隙致密化等過程，從表1中可以看出，在相同壓力下，捏合擠出法制備的PBX-A2藥柱密度較PBX-A1略高。分析認(rèn)為，PBX-A2造型粉的顆粒大小不均勻，小顆粒易填充于大顆粒中間，形成顆粒級(jí)配。而PBX-A1的造型粉顆粒品質(zhì)良好，大小均勻，在壓制過程中需要破碎重排才可以進(jìn)行顆粒級(jí)配，因此PBX-A2的藥柱成型密度略高?？傮w上看，兩種方法制備的含鋁炸藥藥柱成型密度均較高，滿足使用要求。

表1 2種造型粉的壓制成型條件及炸藥成型性能參數(shù)

2種工藝制備的含鋁炸藥藥柱實(shí)物照片如圖4。從圖4(a)可以看出，采用溶劑懸浮法制備的PBX-A1壓制成型良好，藥柱外觀光滑均勻。而圖4(b)采用捏合擠出法制備的PBX-A2藥柱表面顏色不均勻。分析認(rèn)為，PBX-A2造型粉外表面裸露的Al粉比PBX-A1多，藥柱成型后Al粉暴露在藥柱表面，從而造成表面顏色不均勻。溶劑懸浮法制備的造型粉由于粘結(jié)劑粘連效果好，Al粉被包裹在造型粉顆粒內(nèi)部，因此成型藥柱的表面外觀均勻性好，這有利于炸藥實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的爆轟輸出。

圖4 2種含鋁炸藥的藥柱照片

將PBX-A1和PBX-A2造型粉壓制成密度相近的炸藥件，進(jìn)行力學(xué)壓縮及力學(xué)拉伸性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表2結(jié)果可知，采用溶劑懸浮法制備的含鋁炸藥，其力學(xué)性能顯著優(yōu)于采用捏合法制備的同配方炸藥。具體而言，2種炸藥的壓縮應(yīng)變和壓縮模量相當(dāng)，但溶劑懸浮法制備的PBX-A1壓縮強(qiáng)度較捏合法提升了2.16 MPa(11.6%)。與此同時(shí)，拉伸強(qiáng)度也提升了0.71 MPa(22.0%)，拉伸應(yīng)變提升了50.8%，表明溶劑懸浮法對(duì)含鋁炸藥可起到良好的增強(qiáng)增韌作用。分析認(rèn)為，溶劑懸浮法賦予了粘結(jié)劑和鋁粉在炸藥中的良好分布，因此HMX、TATB炸藥和鋁粉之間能形成良好的界面作用，從而導(dǎo)致力學(xué)性能的有效提升，這對(duì)于含鋁炸藥在存儲(chǔ)、使用過程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、安全性和可靠性均具有積極的意義。

表2 壓縮及拉伸力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.3 炸藥感度及爆熱性能

對(duì)PBX-A1和PBX-A2兩種造型粉進(jìn)行撞擊感度和摩擦感度測(cè)試，如表3所示。結(jié)果表明，采用捏合擠出法制備的炸藥撞擊感度和摩擦感度分別為12%和16%。而采用溶劑懸浮法制備的含鋁炸藥安全性能優(yōu)異，撞擊感度和摩擦感度均為0%，這是由于粘結(jié)劑和鈍感劑石蠟在造粒過程中能夠?qū)φㄋ幮纬闪己玫陌?，因此安全性能顯著提升，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

表3 撞擊及摩擦感度測(cè)試結(jié)果

結(jié)合SEM圖、EDS圖和表3可以看出，采用捏合法制備的含鋁炸藥由于顆粒較為松散，鈍感劑包覆效果不明顯，鈍感劑石蠟未能良好包覆在造型粉顆粒外圍，導(dǎo)致部分Al粉及HMX炸藥可能處于裸露狀態(tài)，因此降感效果較差。而采用懸浮法制備含鋁炸藥時(shí)，成粒效果好，鈍感劑石蠟均勻分布于造型粉顆粒表面，在遇到外界機(jī)械刺激作用時(shí)，外層鈍感劑起到極好的保護(hù)作用。

根據(jù)GJB772A—1997方法測(cè)試PBX-A1和PBX-A2藥柱爆熱，測(cè)試結(jié)果見表4所示。

表4 爆熱測(cè)試結(jié)果

從表4可以看出，2種工藝制備的藥柱爆熱值相當(dāng)，表明參加反應(yīng)的Al粉含量相當(dāng)。由此可以推斷，溶劑懸浮法制備的PBX-A1中，Al粉表面在前期已被少量的粘結(jié)劑良好包覆并與后續(xù)加入的蒸餾水相隔離，因此在造粒過程中Al粉未與水發(fā)生反應(yīng)，從而有效保持了Al粉的高活性。同時(shí)，該造粒過程不同于捏合擠出造粒，HMX炸藥在制備過程中始終處于溶劑或水的液態(tài)保護(hù)下，使HMX避免了捏合過程中的強(qiáng)烈擠壓、剪切、摩擦等外力作用，有效地保證了造型粉制備過程中的安全性，實(shí)用性良好。

3 結(jié)論

含鋁炸藥制備過程中使用無水乙醇作為懸浮介質(zhì)，可有效避免Al粉與水發(fā)生反應(yīng)，從而保持含鋁炸藥的優(yōu)異爆轟性能。采用溶劑懸浮法，獲得了顆粒大小均勻、流散性好、撞擊感度及摩擦感度均為0%的含鋁炸藥造型粉。壓制成型及力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用溶劑懸浮法制備的含鋁炸藥造型粉壓制成型性能良好，藥柱相對(duì)密度與捏合擠出法相當(dāng)，且產(chǎn)品外觀顏色均一，拉伸與壓縮力學(xué)性能均有明顯提升。該溶劑懸浮法還可用于其他炸藥(如RDX、CL-20、TNT等)基含鋁炸藥造型粉的制備，工藝過程安全性好、所得產(chǎn)品狀態(tài)均勻，具有重要的應(yīng)用前景。