钝感剂对RDX热分解性能的影响研究

梁 磊, 王晶禹, 董 军,安崇伟, 黄 浩

(1.中北大学化工与环境学院,山西 太原 030051;2.北京理工大学机电工程学院,北京 100081)

钝感剂对RDX热分解性能的影响研究

梁 磊1, 王晶禹1, 董 军1,安崇伟1, 黄 浩2

(1.中北大学化工与环境学院,山西 太原 030051;2.北京理工大学机电工程学院,北京 100081)

采用DSC对原料RDX和钝感剂与RDX的复合物进行了热分析测试,对样品的热分解动力学和热力学参数进行了计算和对比。结果表明,加入钝感剂(石墨或复合蜡)后,RDX在不同升温速率(2、5、10、20 K/min)下的放热峰峰温都得到了升高,热稳定性也有所提高,热力学参数发生明显的变化。

钝感剂;黑索今;热分解性能

引 言

黑索今(RDX)是能量较高、性能优良的一种单质炸药,它在主装药、传爆药、发射药和推进剂中得到了广泛的应用。但RDX的感度较高,在混合炸药的制造和使用中,需要采取一些钝感措施来降低其感度。其中,一种常用的方法是在炸药配方中加入一定量的钝感剂,如石墨、蜡等。石墨在高聚物黏结炸药中应用较为广泛,它既可以直接加入到炸药配方中,也可以在混合炸药制成后滚附在炸药颗粒表面。石墨在混合炸药中可起到缓冲机械能和润滑的作用,从而有效地降低炸药的撞击感度和摩擦感度。蜡类钝感剂是另一种对硝胺炸药具有明显钝感效果的物质,它的吸热作用是钝感的重要原因[1]。多年来,国内外已有大量的研究证实,加入钝感剂可以有效地提高混合炸药生产、运输、贮存和使用时的安全性[2-5]。

炸药的热分解性能不仅可反应出炸药在热作用下的分解历程,而且可从动力学的角度深入揭示炸药的安全性能。目前,钝感剂对炸药作用的研究主要集中在机械感度方面[6],而对炸药热分解性能的影响研究报道较少。为此,本文对加入钝感剂(石墨或复合蜡)前、后的RDX样品进行了热分析测试,研究了钝感剂对RDX热分解性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1.1.1 实验药品

RDX,提纯,d50>100μm,中国兵器工业集团公司805厂;石墨,河南昌瑞石墨厂;复合蜡,郑州创博化工产品有限公司。

1.1.2 实验仪器

分析天平,精确到0.01 mg,北京光学设备有限责任公司;DSC-131型差示扫描量热仪,法国Setaram公司。

1.2 实验方法

称取0.7 mg试样,置于坩埚中,在压片机上压卷密封,置于试样支持器中。同样,制取0.7 mg参比物Al2O3(1 200℃,烘干24 h),置于参比物支持器中。设置升温速率,打开进气阀门,进行实验。待试样出现完整的放热峰后,停止实验。

1.3 热分析测试

按照GJB772-97中501.1“差热分析和差示扫描量热法”进行热分析测试。实验条件:N2气氛(流速为30 mL/min),铝制坩埚,取样量0.7 mg,升温速率2、5、10、20 K/min。

2 结果与讨论

2.1 钝感剂对RDX热分解特性的影响

为了分析钝感剂(石墨或复合蜡)对炸药RDX热分解性能的影响,采用差示扫描量热法对炸药进行测试和分析。升温速率分别为2、5、10、20 K/min时的DSC曲线如图1和图2所示。

从图1和图2可以看出,原料RDX的DSC曲线有2个峰,前一个为熔化吸热峰,后一个是热分解放热峰。无论加入何种钝感剂(石墨或复合蜡),样品DSC曲线的形状都大致保持不变。而且,在不同升温速率下,加入钝感剂后炸药的放热峰峰温都比原料RDX有所升高。当升温速率为2 K/min时,加入钝感剂(石墨或复合蜡)后,RDX的放热峰峰温分别提高了3.08℃和5.17℃。

图1 加入石墨前、后RDX在不同升温速率下的DSC曲线图

图2 加入复合蜡前、后RDX在不同升温速率下的DSC曲线图

2.2 钝感剂对RDX热分解动力学的影响

根据不同升温速率下的放热峰峰温,采用Kissinger公式[见式(1)][7]分别对原料RDX以及加入钝感剂后样品的热分解动力学进行了分析。

式中:E——表观活化能,J/mol;

A——指前因子,s-1;

β——升温速率,K/min;

R——气体常数,8.314 J/(mol·K);

Tm——炸药的分解峰温,K。

图3 3种样品的活化能及指前因子

将图3求得的活化能(E)和式(2)[7]求得的Tp0代入热爆炸临界温度计算式[式(3)][7],即可得到加入钝感剂后炸药的热爆炸临界温度(Tb),结果见表1。

式中:Tp0——升温速率趋近于0 K/min时的峰温,℃;

Tpi——峰温,℃;

b、c、d——常数;

Tb——热爆炸临界温度,℃。

表1 加入石墨或复合蜡前、后RDX的热分解动力学参数

从表1可知,在加入钝感剂(石墨或复合蜡)后, RDX热爆炸临界温度分别升高了3.1℃和13.3℃。结果表明,钝感剂的加入提高了RDX的表观活化能以及热爆炸临界温度,进而提高了RDX的热稳定性。

2.3 钝感剂对炸药热分解热力学参数的影响

原料RDX以及加入钝感剂后样品的热分解热力学参数、活化熵ΔS≠、活化焓ΔH≠、活化自由能ΔG≠,可以利用公式(4)、(5)、(6)计算得出[7],结果见表2。

表2 加入石墨或复合蜡前、后RDX的热力学参数

式中:T=TP0;E、A为图3所得;kB=1.380×10-23J/K,波尔茨曼常数;h=6.626×10-34J·s,普朗克常数。

由表2可知,加入钝感剂后,RDX的热力学参数活化熵ΔS≠、活化焓ΔH≠和活化自由能ΔG≠都得到了一定的升高。

3 结论

石墨和复合蜡对RDX的热分解性能都有明显的影响。主要表现在以下3个方面:

1)加入石墨或复合蜡后,RDX在各升温速率下的放热峰峰温都有一定的升高。

2)加入石墨或复合蜡后,RDX的表观活化能和热爆炸临界温度均得到一定的升高,热稳定性增强。

3)加入石墨或复合蜡后,RDX的热分解热力学参数(活化熵ΔS≠、活化焓ΔH≠和活化自由能ΔG≠)都有明显的提高。

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[7]胡荣祖,高胜利,赵凤起,等.热分析动力学[M].北京:科学出版社,2008.

Abstract:To investigate the effects of desensitizing agent on the ther mal decomposition characteristics of RDX,DSC experi mentswere employed to test the thermal decomposition characteristics of raw RDX and the compound of RDX and desensitizing agent.Meanwhile, the ther mal decomposition kinetics and thermodynamics parameters of sampleswere calculated and contrasted.Results show that after the addition of graphite and compound wax,the peak temperature of RDX all increase at heating rate of 2、5、10 and 20 K/min.In addition,the thermal stability has been improved and the obvious changes also has been found in the thermodynamics parameters.

Key words:desensitizing agent;RDX;ther mal decomposition characteristics

Effects of desensitizing agent on the thermal decomposition characteristics of RDX

L IANG Lei,WANG Jing-yu,DONG Jun,AN Chong-wei,HUANG Hao
(1.Chem ical and Environment Institute,North Un iversity of China,Ta iyuan Shanxi030051,China; 2.School ofM echatron ical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

TQ564

A

1004-7050(2010)04-0021-04

2010-05-05

梁 磊,男,1984年出生,中北大学在读硕士研究生。研究方向:混合炸药性能研究。