添加劑對黑索今顆粒包覆度和機械感度的影響

黃 菊，王伯良，劉 偉，趙新穎，彭金華

(1.南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094； 2.徐州工程學院化學化工學院，江蘇 徐州 221111)

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添加劑對黑索今顆粒包覆度和機械感度的影響

黃 菊1,2，王伯良1，劉 偉1，趙新穎1，彭金華1

(1.南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094； 2.徐州工程學院化學化工學院，江蘇 徐州 221111)

采用接觸角測定儀測定了添加不同助劑的黏結劑溶液表面張力，以及在RDX炸藥顆粒表面的接觸角，通過掃描電鏡圖像、X射線能譜和樣品的機械感度評價樣品的表面包覆情況。分析了鋪展系數(shù)、黏附功與包覆度、特性落高的關系，發(fā)現(xiàn)包覆度隨鋪展系數(shù)的增大而增大，隨黏附功的增大而減小，說明鋪展系數(shù)越大、黏附功越小，對潤濕包覆越有利。且包覆度越大，特性落高越大，機械感度越低。掃描電鏡研究結果表明，包覆后樣品表面有一層均勻的橡膠薄膜。XPS分析結果表明，未添加助劑時的包覆度為16.85%，添加增黏劑和表面活性劑后樣品包覆度可提高到95.41%。機械感度結果也表明，添加合適的助劑后特性落高由11.47 cm提高到25.12 cm，摩擦感度也明顯降低。

爆炸力學；表面包覆；添加劑；黑索今；機械感度

單質(zhì)炸藥黑索今(RDX)是一種熔點較高的晶體顆粒，因其硬度較大、感度高且成型性能較差，不能單獨使用，需進行鈍感處理后壓制成均勻性好、密度較高而無疵病的藥柱，同時要求壓制成型的藥柱具有良好的安全性能和力學性能。RDX表面包覆處理常見的方法有相分離法和溶液水懸浮法等[1-5]。相分離法也稱直接法，將包覆材料溶解于溶劑中，在一定溫度條件下，邊攪拌邊加入炸藥顆粒，通過蒸發(fā)溶劑使包覆材料在炸藥顆粒表面析出，該方法工藝簡單易于操作，在實驗室應用廣泛；水懸浮法是將炸藥懸浮在水中，然后將包覆材料溶解于不溶于水的有機溶劑中，加到水懸浮液中形成水、包覆材料溶液和炸藥顆粒的混合懸浮液，通過一定的方法將包覆材料析出，該方法由于在水中進行操作，工藝安全。但本研究中的RDX含水溶性組分，不便于添加水等介質(zhì)，因此以石油醚為介質(zhì)采用直接法工藝。在此工藝條件下，通過添加不同的功能助劑來改善顆粒的包覆問題，使包覆材料在炸藥顆粒表面按照層狀生成模式[6]，形成均勻致密的薄膜，以簡化工藝、提高生產(chǎn)效率、降低成本。

本文通過實驗研究，優(yōu)選出合適的表面活性劑和增黏劑，從而改善了黏結劑和炸藥顆粒之間的潤濕效果和黏結性能。

1 實 驗

1.1 實驗原料及設備

(1) 原材料。

固體炸藥：RDX，工業(yè)級白品；黏結劑：順丁橡膠，優(yōu)等品；溶劑：石油醚，分析純。

(2) 設備。

接觸角測定儀JY-82，美國科諾工業(yè)有限公司；掃描電鏡(JEOL) JSM-6380，日本日立公司；X射線能譜儀(XPS)；撞擊感度儀HGZ-1型；摩擦感度儀WM-1型。

1.2 性能檢測

主要分析不同表面活性劑(卵磷脂和6#添加劑)和增黏劑對RDX包覆效果的影響，包覆材料的具體用量見表1，w為各為物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)。

表1 包覆樣品組分含量

(1) 表面張力和接觸角測定。

將RDX按實驗要求壓制成表面光滑、相對密度大于96%的藥片，將配置好的黏結劑溶液直接滴加在RDX樣品藥片的表面，采用JY-82型接觸角測定儀對液體表面張力和液體與藥片的接觸角進行測試。為減小滯后效應的影響，每個樣品測試5次以上，結果取平均值。

(2) 掃描電鏡和X射線能譜分析。

采用相分離法將約2%的黏結劑或黏結劑與助劑的混合物包覆在RDX表面。將包覆材料(黏結劑和助劑)溶解于石油醚溶劑中，配置成一定濃度的稀溶液，然后將稱量好的RDX放入混合液中，混合均勻，不斷攪拌蒸干溶劑，將成粒后的樣品放入烘箱中干燥得到包覆樣品。對包覆前后的RDX樣品分別進行掃描電鏡(SEM)和XPS分析。

(3) 感度測試。

按照國軍標GJB772A-97中的特性落高法對樣品撞擊感度進行測試，測試條件為10 kg落錘，50 mg藥量。對樣品摩擦感度的測試按照國軍標中爆炸概率的方法進行，測試條件為：擺角，90°；壓力，3.92 MPa；藥量，20 mg。

2 分析與討論

2.1 橡膠溶液在RDX炸藥顆粒表面的潤濕性

對于高聚物黏結炸藥而言，通常把高聚物溶液對炸藥顆粒的潤濕性和黏附功作為衡量二者之間黏結效果的度量。潤濕性可以用接觸角θ和鋪展系數(shù)S來表示：

(1)

式中：rl-g為高聚物溶液的表面張力，可通過懸滴法來測定。黏附功W12也是表征黏結劑和炸藥顆粒之間黏結強度的大小的參數(shù)，可以通過下式計算：

(2)

表2給出了含不同添加劑的黏結劑溶液的表面張力、接觸角及其計算所得的鋪展系數(shù)和黏附功。

表2 黏結劑溶液在RDX表面的鋪展系數(shù)和黏附功

2.2 熱力學參數(shù)與包覆度和感度的關系

通過掃描電鏡獲得的包覆前后RDX樣品微觀形貌見圖1?？梢钥闯觯何窗驳臉悠分?，顆粒表面光滑，呈類似鵝卵石狀，流散性較好；包覆后的樣品中，能夠明顯看到炸藥顆粒表面附有一層橡膠薄膜。

圖1 包覆前后RDX樣品的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photos of unprocessed and coated RDX samples

為了進一步研究樣品的包覆程度，采用XPS對包覆前后各個樣品的表面元素進行了測試，得到譜圖如圖2所示，其中：c為光電子流強度，EB為結合能。從圖2(a)和圖2(b)的對比可以看出，包覆后的樣品中氮元素(EB≈400 eV)的峰高和峰面積都有明顯降低，表明樣品表面有效地包覆了一層橡膠薄膜。該方法即利用只存在于炸藥中而不存在于黏結劑中的氮元素含量的變化來計算其包覆度：

(3)

式中：wN0為未包覆樣品表面氮原子質(zhì)量分數(shù)，wNx為包覆后樣品表面氮原子質(zhì)量分數(shù)。氮原子質(zhì)量分數(shù)由相應的XPS峰強度或峰面積獲得，各樣品經(jīng)計算得到的包覆度見表3。包覆效果的好壞直接影響炸藥的感度，撞擊感度和摩擦感度測試結果見表3，其中H50和f分別為撞擊感度和摩擦感度。

圖2 包覆前后樣品的XPS圖譜Fig.2 XPS spectra of unprocessed and coated RDX samples

樣品R/(%)H50/cmf/%樣品R/%H50/cmf/%116．8511．4768472．0419．9524254．6618．8432587．8020．7328366．1819．2036695．4125．1216

為了直觀分析熱力學參數(shù)與包覆程度的關系，圖3和圖4給出了R隨S和W12的變化關系。可以看出，R隨S的增大而增大，而隨W12的增大而減小，說明S越大，鋪展效果越好；而W12越大，則鋪展不易進行，從而導致包覆效果降低，因此R減小。

同時，由表3可知，隨著R的增大，特性落高也逐漸增大，摩擦感度降低，即包覆度越大，機械感度越低。說明RDX顆粒經(jīng)過表面包覆處理以后，表面覆蓋的橡膠薄膜能夠減少RDX顆粒之間的摩擦，并在一定程度上降低了“熱點”形成的幾率，大大降低了RDX的機械感度，提高了樣品的安全性能。

圖3 R隨鋪展系數(shù)S的變化關系Fig.3 R varied with S

圖4 R隨黏附功W12的變化關系Fig.4 R varied with W12

2.3 表面活性劑和增黏劑作用機理的初步分析

2.3.1 表面活性劑作用機理

卵磷脂可作為表面活性劑在炸藥中應用[7]，它的一端能夠與單質(zhì)炸藥晶體表面聯(lián)系，另一端則能夠和黏結劑緊密相連，從而使得二者較好地結合起來。本文中還采用了一種新型的表面活性劑(6#添加劑)，它是一種高聚物樹脂，具有更加穩(wěn)定的物化性能，潤濕性好，黏結強度大，可改善黏結劑對粉體材料的包覆和分散均勻性，改善流動性，使裝藥的物化性能和力學性能更好。將相同質(zhì)量的卵磷脂和6#添加劑進行了對比試驗，結果表明，6#添加劑的加入使得炸藥顆粒表面包覆效果增強，單獨加入時，包覆度從16.85%提高到72.04%，與增黏劑同時加入時，包覆度提高到95.41%，與卵磷脂相比包覆效果也有所提高。表面活性劑的存在可以使表面自由能發(fā)生明顯降低，它是一種雙親結構的物質(zhì)，能夠通過氫鍵和色散等作用對硝銨炸藥顆粒進行改性，在界面作定向排列，使原來表面上分子的不飽和力場得到某種程度上的平衡。由于表面活性劑改變了界面張力，使得黏結劑在炸藥顆粒表面得到了較好的潤濕，甚至鋪展，在不斷攪拌過程中就使得橡膠膜牢固地包覆在炸藥顆粒表面。包覆過程可能的機理見圖7。

圖5 可能的包覆過程示意圖Fig.5 The schematic diagram of possible coating processes

2.3.2 增黏劑作用機理

增黏劑是一種能夠增強橡膠自黏性的專用助劑，本文中選用增黏劑為天然樹脂類。由于本文中所用的黏結劑為順丁橡膠，其不飽和程度高，其雙鍵的存在使得分子鏈柔軟，鏈節(jié)易于運動，而選用的增黏劑本身是一種不飽和樹脂酸，含有共軛雙鍵，與橡膠能夠生成化學鍵和氫鍵，通過吸附和相互擴散等作用，使得黏結能力增強。實驗結果也表明，加入增黏劑后樣品的包覆度和特性落高均有所提高。

3 結 論

選用不同助劑研究了黏結劑對RDX炸藥顆粒的表面包覆，所得結論如下：(1) 添加表面活性劑后，黏結劑液的表面張力明顯降低，接觸角減小，鋪展系數(shù)增大，潤濕包覆效果顯著提高；(2) 通過掃描電鏡可以明顯觀察到包覆后的樣品表面有一層橡膠薄膜；(3) 通過XPS測試樣品的表面包覆情況，未添加任何助劑時，包覆度為16.85%，添加增黏劑和表面活性劑后，包覆度可以上升到95.41%；(4) 未添加任何助劑時，撞擊感度特性落高為11.47 cm，添加增黏劑和表面活性劑后，特性落高提高到25.12 cm。

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[7] US Air Force. MIL-DTL-32074 Explosive, plastic-bonded, cast AFX-757[S]. US Military Specifications, 2000.

(責任編輯 王小飛)

Influence of additives on the coverage degree and mechanical sensitivity of RDX

Huang Ju1,2, Wang Bo-liang1, Liu Wei1, Zhao Xin-ying1, Peng Jin-hua1

(1.Schoolofchemicalengineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,Jiangsu,China; 2.Schoolofchemistryandchemicalengineering,XuzhouInstituteofTechnology,Xuzhou221111,Jiangsu,China)

The surface tension of binder containing different additives and the contact angle with RDX were measured by a contact angle meter. The coating quality is evaluated according to the micro-images acquired by scanning electron microscopy (SEM), the spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and the impact sensitivity of the samples. The spreading coefficient (S) and adhesive work (W12) were calculated, and then the dependence of the coverage degree (R) onSandW12were analyzed. The results show thatRincreased with the increase ofS, and reduced with the increase ofW12. It indicates that the better coating quality comes with the biggerSand the smallerW12. And the lower mechanical sensitivity comes with the greater coverge degree. The results of SEM show that a thin layer of film was formed on the surface of RDX. The results of XPS show that the additives can raise the coverage degree from 16.85% to 95.41%. The results of impact sensitivity show that the additives can raise the characteristic fall distance from 11.47 cm to 25.12 cm, and significantly reduce friction sensitivity.

mechanics of explosion; surface coating; additives; RDX; mechanical sensitivity

10.11883/1001-1455(2015)04-0454-05

2012-06-12；

2013-07-28

黃 菊(1985- )，女，博士研究生； 通訊作者： 王伯良，boliangwang@163.com。

O389 國標學科代碼： 13035

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