共振聲混合工藝用于火炸藥實驗室制備的優(yōu)越性評估?

陳 松 馬 寧 楊 斐 秦 能 陳春燕 張 哲 孫曉朋 謝中元

西安近代化學研究所(陜西西安，710065)

引言

共振聲混合技術是近年來興起的一種基于振動宏觀混合和聲場微觀混合耦合作用的混合技術，依托于共振聲混合設備的低頻(30～100 Hz)、大加速度(100 g，g為重力加速度，g＝9.8 m/s2)往復振動實現(xiàn)物料的無槳混合。在低頻、大加速度振動條件下，被混物料發(fā)生流化，產生宏觀振動混合渦；同時，大加速度振動在混合容器底部激勵出聲場(壓力波)，聲場在物料內部傳播時形成力偶，產生尺度為50 μm的微混合[1-3]。目前，共振聲混合已經形成多種型號設備，如針對實驗室應用和藥學應用的LabRAM、PharmaRAM系列設備等。

共振聲混合誕生以來，受到多行業(yè)的關注和應用研究。如應用于菌群培養(yǎng)以獲得比搖瓶更好的氧氣傳輸速率[4]、應用于藥物混合以使原藥和輔助劑混合更加均勻[5-6]、應用于火炸藥以改善混合效果并提高混合效率[7-8]等。基于共振聲混合沒有混合槳葉、可實現(xiàn)整場混合等優(yōu)勢，筆者項目團隊開發(fā)了共振聲混合設備[2]，并對其應用于火炸藥的可行性進行了探索研究，在2016年和2017年發(fā)表的相關研究成果中報道了共振聲混合的熱安全可控性、靜電安全可控性以及應用于固體質量分數(shù)86%和90%的PBX炸藥混合的可行性[9-10]。

實驗室級別的火炸藥混合是火炸藥研究最常見的工藝環(huán)節(jié)，目前常用的混合工藝為手工攪拌、2L立式捏合機。實驗室級別火炸藥混合具有量級小、批次大的特點；同時，由于常常涉及到新材料和新配方，還具有未知風險高的特點。另外，現(xiàn)有混合方式存在稱量、加料、混合、流轉、澆注、固化、清理等多個環(huán)節(jié)，人員直接操作火炸藥材料次數(shù)多；且清理環(huán)節(jié)耗時比較長，材料利用率低。

一方面是火炸藥實驗室制備面臨的效率和安全問題，一方面是共振聲混合技術在火炸藥及原料藥等領域應用的成功報道。筆者認為，共振聲混合技術應用于火炸藥實驗室制備，能夠解決批次大、量級小、危險性高等問題，在提高實驗效率、改善研究工作環(huán)境、強化工藝安全等方面具有重要優(yōu)勢。

本文中，以B炸藥和高聚物黏結(PBX)炸藥為對象，對共振聲混合和現(xiàn)有混合工藝進行對比研究，分析共振聲混合工藝應用于火炸藥實驗室制備的技術優(yōu)勢。

1 實驗

1.1 實驗裝置及測試方法1.1.1 材料及配方

三硝基甲苯(TNT)、黑索今(RDX)、奧克托今(HMX)，國營 805 廠；鋁粉，29 μm，鞍鋼實業(yè)微細鋁粉有限公司；SR-3，西安近代化學研究所。

B炸藥：TNT和RDX的混合物，TNT和RDX質量分數(shù)分別為x%和(100-x)%；

PBX-X炸藥：SR-3、鋁粉、HMX的混合物，三者質量分數(shù)分別為12%、y%和(88-y)%。

其中，X、x和y為因脫密需求的替換代號。

1.1.2 儀器設備

共振聲混合實驗樣機，2 kg級，西安近代化學研究所；加速度傳感器，3097A1，美國Dytran；電子計算機X線斷層攝影儀(CT)，BT-400型，俄羅斯莫斯科探傷有限公司。

1.2 共振聲混合工藝

在不銹鋼容器(內徑70 mm，內高140 mm，帶有循環(huán)水夾套)中依次加入物料。B炸藥混合為依次加入TNT和RDX，PBX-X炸藥混合為依次加入SR-3、鋁粉、HMX。兩種炸藥總質量均為200 g。加料完成后，將混合容器加載到共振聲混合設備上，并連接循環(huán)水、真空、溫度傳感器、導靜電地線。圖1為實驗現(xiàn)場設備照片。B炸藥和PBX-X炸藥混合時循環(huán)水溫度分別為90℃和94℃。待循環(huán)水溫度達到設定溫度時，開啟循環(huán)水泵，人員撤離，關閉防爆門，開始混合實驗。所有實驗均在相同工藝條件下重復兩次，所得實驗結果一致。

圖1 實驗現(xiàn)場設備Fig.1 Equipments on experiment site

混合頻率為63 Hz，混合程序以加速度標定。

B炸藥混合程序：5g(5 min)→10g(3 min)→20g(3 min)→40g(3 min)→60g(3 min)→30g(5 min)，表示在5g加速度條件下混合5 min，然后切換至10g加速度混合3 min，然后切換至20g加速度混合3 min，以此類推。在加速度為30g的混合階段抽真空，真空度為-0.095 MPa。

PBX-X炸藥混合程序：5g(5 min)→10g(7 min)→20g(3 min)→30g(2 min)→40g(5 min)→20g(2 min)→40g(3 min)→60g(3 min)→20g(5 min)。在最后一個20g的混合階段抽真空，真空度為-0.095 MPa。

混合完成后，依次關停共振聲混合設備、真空設備、模溫機，等待15 min后進入爆炸塔取樣。

1.3 現(xiàn)有混合工藝

B炸藥：保溫待TNT融化后，使用攪拌槳在不超過60 r/min條件下攪拌約30 min。

PBX-X炸藥：先將SR-3加入捏合鍋，保溫30 min至熔化，加入HMX混合15 min，然后加入鋁粉在抽真空條件下繼續(xù)混合1 h，混合完成后在真空條件下澆注。

2 結果與討論

2.1 B炸藥混合效果

將混合藥漿澆注在模具中冷卻固化，固化后所得藥柱與現(xiàn)有混合工藝所得藥柱對比，外觀如圖2所示。由圖2可見，共振聲混合所得藥柱與現(xiàn)有混合工藝所得藥柱在外觀上相同。

圖2 B炸藥藥柱照片F(xiàn)ig.2 Photographs of Composition B grains

對共振聲混合所得藥柱進行CT掃描，并與傳統(tǒng)工藝所得藥柱CT掃描圖比較，如圖3所示。從圖3可見，兩種工藝所得藥柱致密性相同，氣孔分布形式和大小上一致(氣孔是由凝固過程中縮孔瑕疵引起的)，間接證明了共振聲混合工藝應用于B炸藥的可行性。

圖3 B炸藥不同混合工藝CT照片F(xiàn)ig.3 CT images of different mixing process of Composition B

將藥柱車削加工，去掉上層縮孔部分，取上、中、下3層藥片測定密度，所得數(shù)據如表1所示。從表1可以看出，共振聲所得藥柱密度比傳統(tǒng)工藝所得藥柱密度高約0.1%，證明共振聲混合和現(xiàn)有混合所得產品密度一致。

表1 不同混合工藝所得產品密度Tab.1 Average densities of Composition B under different mixing processes

同時，從不同取樣點可以看出，共振聲混合所得的藥柱上、中、下3部分密度接近，證明混合均勻性良好。

對兩種混合工藝所得B炸藥藥粉進行感度測試，共振聲混合工藝與現(xiàn)有混合工藝所得藥粉撞擊感度分別為40%和52%，所得藥粉摩擦感度分別為8%和12%。兩種工藝所得B炸藥感度特性一致。

2.2 PBX-X炸藥混合效果

將共振聲混合和現(xiàn)有混合工藝所得的PBX-X藥漿進行對比，外觀一致，如圖4所示。從混合狀態(tài)看，兩種工藝所得產品狀態(tài)相同。

混合藥漿常溫冷卻固化后，對藥柱進行CT掃描，結果如圖5所示。相比現(xiàn)有混合工藝，共振聲混合所得藥柱中有較為明顯的氣泡，這是因為澆注環(huán)節(jié)沒有抽真空所致。除此之外，兩種工藝所得藥柱致密性一致。

圖4 PBX-X炸藥藥漿照片F(xiàn)ig.4 Photographs of slurry of PBX-X explosive

圖5 PBX-X炸藥不同混合工藝CT照片F(xiàn)ig.5 CT images of different mixing process of PBX-X explosive

采用排水法測試藥塊密度，共振聲混合工藝所得藥柱密度為1.812 g/cm3，傳統(tǒng)工藝所得藥柱的密度是1.845 g/cm3。共振聲混合與現(xiàn)有混合所得PBX-X炸藥密度基本一致，相差的3%是由于共振聲混合未在真空條件下澆注，內部裹挾部分氣泡所致，這與CT電鏡掃描結果一致。

對兩種混合工藝所得PBX-X炸藥藥粉進行感度測試，共振聲混合工藝與現(xiàn)有混合工藝所得藥粉撞擊感度均為4%，所得藥粉摩擦感度分別為6%和8%。兩種工藝所得PBX-X炸藥感度特性一致。

2.3 共振聲混合工藝的優(yōu)越性

1)混合速度快。對于B炸藥和PBX-X炸藥，共振聲混合時間分別為22 min和35 min，而傳統(tǒng)工藝混合時間分別為30 min和75 min。在達到相同混合效果情況下，效率分別提升了36%和114%。

文獻[11]中，混合200 g PBX炸藥模擬物所耗時間為12 min，為本文中22 min的近一半。因此，本文中混合時間還有很大的優(yōu)化空間，經工藝優(yōu)化后，混合效率提高度有望達到200%。

2)容器易清理。相對于B炸藥的攪拌槳混合和PBX炸藥的立式捏合機混合，共振聲混合不存在攪拌鍋和攪拌槳葉(捏合元件)清理的過程，清理時間降低為原工藝的40%左右。

3)得料率高。共振聲混合得料率接近98%，比現(xiàn)有工藝得料率高。

4)可原位混合。通過設計開合模具混合筒，混合完成后，藥漿可直接在混合筒中固化，免去了轉運環(huán)節(jié)。

5)工藝環(huán)節(jié)少。共振聲混合工藝可集加料、混合、澆注、固化于一體，減少工藝環(huán)節(jié)。

6)工藝安全性高?；旌瞎に嚟h(huán)節(jié)縮減，減少人員直接面對火炸藥產品操作的頻次，提高工藝安全。

3 結論

采用共振聲混合工藝分別對B炸藥和PBX炸藥進行混合制備實驗，并與現(xiàn)有混合工藝進行對比，得到以下結論：

1)共振聲混合能夠實現(xiàn)200 g量級B炸藥和PBX炸藥均勻混合。所得產品外觀、密度、內部結構、感度與現(xiàn)有混合工藝一致。

2)B炸藥和PBX炸藥共振聲混合效率相比現(xiàn)有工藝分別提升36%和114%。

3)對于火炸藥實驗室制備小量級、大批次的特征，共振聲混合具有效率高、得率高、易清理、工藝環(huán)節(jié)少、安全性好等優(yōu)越性。