某型雙基推進(jìn)劑老化熱分解性能研究

王恒闖， 陳明華， 陳永康， 王 彬， 葛 強(qiáng)， 王韶光

(1. 軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003； 2. 軍械技術(shù)研究所， 河北 石家莊 050000)

某型雙基推進(jìn)劑老化熱分解性能研究

王恒闖1， 陳明華2， 陳永康1， 王 彬2， 葛 強(qiáng)2， 王韶光2

(1. 軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003； 2. 軍械技術(shù)研究所， 河北 石家莊 050000)

為研究某型雙基推進(jìn)劑老化后的熱分解特性，對(duì)不同老化時(shí)間的雙基推進(jìn)劑進(jìn)行熱重分析(Thermo Gravimetric analysis, TG)和差示掃描(Differential Scanning Calorimetric, DSC)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算不同升溫速率下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該雙基推進(jìn)劑的熱安定性隨著老化時(shí)間的增加而降低，但從總體上看，該型雙基推進(jìn)劑具有良好的熱安定性和熱安全性。

雙基推進(jìn)劑； 老化； 熱重分析； 差示掃描； 熱分析動(dòng)力學(xué)

雙基推進(jìn)劑是一種以硝化甘油、硝化棉為主體，以二硝基甲苯、二號(hào)中定劑以及其他成分為添加劑的含能材料[1-2]，其結(jié)構(gòu)均勻，生產(chǎn)工藝成熟，成本低廉，各種性能再現(xiàn)性好，貯存壽命長，對(duì)濕氣不敏感，無煙、質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)周期短[3]。某型雙基推進(jìn)劑長期服役于某型火箭彈，其燃燒穩(wěn)定、比沖較高，但是，在生產(chǎn)、貯存和使用中易受環(huán)境因素的影響，特別是在長期貯存過程中會(huì)發(fā)生緩慢的熱分解反應(yīng)，導(dǎo)致其在使用過程中出現(xiàn)不可預(yù)見的危險(xiǎn)，因此，研究該型雙基推進(jìn)劑的熱分解性能對(duì)其生產(chǎn)、貯存和使用的安全性具有重要意義。

為此，筆者開展熱重分析(Thermo Gravimetric analysis, TG)和差示掃描(Differential Scanning Calorimetric, DSC)實(shí)驗(yàn)，研究某型雙基推進(jìn)劑老化后的熱分解性能和熱安全性，計(jì)算其熱分解反應(yīng)的參數(shù)，為其生產(chǎn)、貯存和使用的安全性提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

某型雙基推進(jìn)劑的主要成分為：硝化棉55.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，硝化甘油29.3%，二硝基甲苯10.0%，二號(hào)中定劑3.0%等。采用Pyris-1型熱重分析儀進(jìn)行TG實(shí)驗(yàn)，采用美國PE公司的DSC 8000型差示掃描量熱儀進(jìn)行DSC實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件如下：N2(99.999%)，氣壓為0.3 MPa，動(dòng)態(tài)氣氛，流速為20 mL/min，普通鋁池卷邊，升溫速率分別為5、10、15、20 ℃/min，每次實(shí)驗(yàn)的樣品質(zhì)量約為2 mg左右。

2 結(jié)果與討論

2.1 TG實(shí)驗(yàn)

2.1.1 TG曲線分析

將雙基推進(jìn)劑置于85 ℃恒溫箱中持續(xù)加熱，老化時(shí)間分別為3、7、15、30、50 d。圖1為升溫速率為15 ℃/min時(shí)不同老化時(shí)間下測得的TG曲線。

圖1 不同老化時(shí)間下測得的TG曲線

圖1可以看出：隨著老化時(shí)間的增加，樣品在80～180 ℃之間的失重減少，這主要是由于在合成雙基推進(jìn)劑的生產(chǎn)工藝過程中使用的有機(jī)溶劑(如乙醇、乙醚等)殘留在雙基推進(jìn)劑表面，有機(jī)溶劑因持續(xù)加熱而減少；在180～190 ℃之間，存在一個(gè)5%～15%的失重臺(tái)階，此過程雙基推進(jìn)劑中的水分失去，且老化時(shí)間越長，失重越少，說明持續(xù)的加熱老化使得有機(jī)溶劑和水分揮發(fā)減少；在190～200 ℃之間，存在一個(gè)約為70%的失重臺(tái)階，此過程雙基推進(jìn)劑中的硝化甘油和硝化纖維發(fā)生劇烈的熱分解反應(yīng)；在200 ℃以后，樣品中殘余的成分繼續(xù)發(fā)生熱分解反應(yīng)。

2.1.2 活化能求解

利用TG曲線，采用等轉(zhuǎn)化率法[4-5]求取樣品的活化能。

1) 微分法

本文采用Starink法[6]計(jì)算TG實(shí)驗(yàn)過程中不同反應(yīng)深度的活化能，計(jì)算公式為

(1)

式中：β為升溫速率(℃/min)；T為反應(yīng)溫度(K)；Cs為常數(shù);Ea為活化能(kJ/mol)；R=8.314 J/(mol·K)，為摩爾氣體常數(shù)。

2) 積分法

常用的Flym-Wall-Ozawa法[6]公式為

(2)

式中：A為指前因子；G(α)為機(jī)理函數(shù)積分形式，其中α為反應(yīng)深度。

與其他方法相比，該方法可直接求出Ea值，避免了因反應(yīng)機(jī)理函數(shù)假設(shè)不同而可能帶來的誤差[6]。

采用以上2種方法計(jì)算老化15 d的雙基推進(jìn)劑不同反應(yīng)深度的活化能，結(jié)果如表1所示。

表1 老化15 d的雙基推進(jìn)劑不同反應(yīng)深度的活化能

由表1可以看出：在TG實(shí)驗(yàn)過程中，老化15 d的雙基推進(jìn)劑活化能并未出現(xiàn)明顯的變化，說明其化學(xué)安定性良好；且采用2種方法計(jì)算出的活化能數(shù)值相近，說明數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

2.2 DSC實(shí)驗(yàn)

利用5、10、15、20 ℃/min四種不同升溫速率對(duì)老化后的雙基推進(jìn)劑進(jìn)行DSC實(shí)驗(yàn)。圖2為升溫速率為15 ℃/min時(shí)不同老化時(shí)間下的DSC曲線，圖3為老化15 d的雙基推進(jìn)劑在不同升溫速率下的DSC曲線。

圖2 不同老化時(shí)間下的DSC曲線

圖3 不同升溫速率下的DSC曲線

2.2.1 實(shí)驗(yàn)樣品的熱分解特性

由圖2可以看出：隨著老化時(shí)間的增加，出現(xiàn)的放熱峰有向高溫移動(dòng)的趨勢，且老化時(shí)間越長，熱分解的放熱量越大，說明加熱老化使得雙基推進(jìn)劑中的安定性下降。

由圖3可以看出：在80～180 ℃之間未出現(xiàn)分解峰，再次證明此過程中的失重為雙基推進(jìn)劑中殘留的有機(jī)溶劑和水分缺失；在180～249 ℃之間出現(xiàn)了一個(gè)放熱峰，隨著升溫速率的增加，DSC曲線的放熱峰向高溫移動(dòng)，且熱分解過程中的放熱量逐漸增大。不同老化時(shí)間和升溫速率下DSC曲線的反應(yīng)起始溫度T0、峰值溫度Tp及放熱量△H如表2所示。

由表2可以看出：在老化時(shí)間相同時(shí)，樣品的起始溫度隨著升溫速率的升高而降低，峰值溫度及放熱量隨著升溫速率的升高而升高；在升溫速率相同時(shí)，樣品的放熱量隨著老化時(shí)間的增加而增加，說明老化使得雙基推進(jìn)劑的熱安定性下降。

2.2.2 熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算

熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)是評(píng)價(jià)雙基推進(jìn)劑熱安定性和相容性的重要特征參數(shù)[7]，主要有活化能Ea和指前因子A等，筆者利用DSC數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)DSC曲線，在不同升溫速率下獲得不同峰值溫度Tp，采用Kissinger法和Ozawa法[7]計(jì)算Ea和A。

Kissinger方程為

(3)

表2 不同老化時(shí)間和升溫速率下DSC曲線的反應(yīng)起始溫度、峰值溫度及放熱量

Ozawa方程為

(4)

表3為采用Kissinger法和Ozawa法計(jì)算出的Ea和lnA。

表3 根據(jù)DSC曲線計(jì)算出的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

由表3可以看出：隨著老化時(shí)間的增加，雙基推進(jìn)劑的活化能減小，說明雙基推進(jìn)劑的熱安定性隨著老化時(shí)間的增加而降低，但總體上看，活化能變化不大，說明該雙基推進(jìn)劑的熱安定性良好；而且整個(gè)反應(yīng)過程中Ea和lnA并不是一個(gè)常數(shù)，說明該雙基推進(jìn)劑熱分解反應(yīng)是一個(gè)固態(tài)的復(fù)雜反應(yīng)過程[8]。

此外，采用2種方法計(jì)算出的雙基推進(jìn)劑活化能相差很小，說明在誤差允許范圍內(nèi)可采用任意一種方法進(jìn)行雙基推進(jìn)劑的活化能計(jì)算，但是Kissinger法可直接計(jì)算出A，與Ozawa法相比，計(jì)算更加簡便。

2.2.3 熱安全性參數(shù)計(jì)算

熱安全性參數(shù)可以評(píng)價(jià)雙基推進(jìn)劑在一定條件下的安全性能，主要有熱爆炸臨界溫度[9]、自加速分解溫度、絕熱自爆時(shí)間和撞擊感度50%落高等，筆者主要計(jì)算熱爆炸臨界溫度和自加速分解溫度，用來評(píng)價(jià)該雙基推進(jìn)劑的熱安全性。

熱爆炸臨界溫度是指延滯期為10 h的藥柱發(fā)生爆炸(燃燒)的最低環(huán)境溫度與未發(fā)生爆炸(燃燒)的最高環(huán)境溫度的算術(shù)平均值[10-13]。

筆者根據(jù)Zhang-Hu-Xie-Li法[6]，求取熱爆炸臨界環(huán)境溫度Tb為

(5)

自加速分解溫度為

(6)

計(jì)算得到不同老化時(shí)間下雙基推進(jìn)劑的熱安全性參數(shù)如表4所示。

表4 不同老化時(shí)間下雙基推進(jìn)劑的熱安全性參數(shù)

從表4可以看出:雙基推進(jìn)劑的自加速分解溫度以及熱爆炸臨界環(huán)境溫度都在180 ℃左右，高于其他部分推進(jìn)劑(如DB-1推進(jìn)劑為130 ℃左右，MDB-2推進(jìn)劑為150 ℃左右)[14]，說明該型雙基推進(jìn)劑具有良好的熱安全性。

3 結(jié)論

筆者以老化后的某型雙基推進(jìn)劑的熱分解性能為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了TG和DSC實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出TG實(shí)驗(yàn)過程中不同反應(yīng)深度的活化能，利用DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算了樣品的熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)和熱安全性參數(shù)。結(jié)果表明：該雙基推進(jìn)劑是一個(gè)連續(xù)的放熱分解反應(yīng)，具有良好的熱安定性和熱安全性，而且隨著老化時(shí)間的增加，雙基推進(jìn)劑的熱安定性有所下降。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Research on an Aging Thermal Decomposition Performance of Some Double Base Propellant

WANG Heng-chuang1, CHEN Ming-hua2, CHEN Yong-kang1, WANG Bin2,GE Qiang2, WANG Shao-guang2

(1. Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China；2. Ordnance Technology Research Institute, Shijiazhuang 050000, China)

In order to study an aging thermal decomposition performance of some double base propellant, Thermo Gravimetric analysis (TG) and Differential Scanning Calorimetric (DSC) experiments are conducted on the double base propellant sample of different aging time to acquire reaction kinetics parameter under different heat velocity. The results show that hot stability of the double base propellant decreases with increase of aging time, but totally, the double base propellant possesses good hot stability and hot safety.

double base propellant; aging; Thermo Gravimetric analysis(TG); Differential Scanning Calorimetric (DSC); hot analysis dynamics

1672-1497(2015)06-0049-04

2015-09-08

王恒闖(1990-)，男，碩士研究生。

TQ560.72

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.010