超声和喷雾辅助制备微米球形化RDX

荆肖凡，徐文峥，王晶禹

（中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051）

黑索今(RDX) 具有成本相对较低且爆炸性能良好的特点，因此目前是应用最广泛的炸药之一。但是原料RDX的晶体形状不规则并存在一定缺陷，流散性较差和机械感度较高，这些缺点限制了其在武器中的应用[1]。为改善其性能，许多国家对 RDX的重结晶进行了研究。如法国SNPE公司在国际上首先研制了不敏感 RDX(I-RDX)，目前已经批量生产[2]；澳大利亚也进行了类似的研究，并将重结晶后的RDX命名为RS-RDX[3]；重结晶后的I-RDX和 RS-RDX都为外形圆滑、棱角较少、晶体透明度高、内部缺陷较少[4]。而国内对 RDX的微米球形化研究较少，如赵雪[1]等人利用冷却结晶制备了球形化的RDX，但其颗粒太大。

炸药细化处理后具有爆炸能量释放更完全、机械感度更低等优点[5]，物理研磨法、溶剂/非溶剂重结晶法、超临界法、超声波法[6-8]等都能改变炸药的晶形和颗粒大小，但溶剂/非溶剂重结晶法和超声波法具有产物纯度高、能耗低、工艺简单和易于规模化生产等优点。本实验将溶剂/非溶剂重结晶法和超声波法相结合，使用自制的超声喷雾辅助重结晶装置对RDX进行了重结晶研究，对微米球形化的RDX颗粒的形貌和颗粒大小进行了表征，并对其撞击感度和热分解性能进行了测试。

1 实验部分

1.1 主要试剂

RDX原料，兵器工业总公司805厂提供；二甲基亚砜，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；纯净水，分析纯，太原太钢纯净水公司。

1.2 实验方法

在图1实验装置中进行实验，常温常压下，称取5g的RDX溶于20mL的二甲基亚砜溶液中，过滤不溶物质，并将溶液放入容器中。量取 150mL的纯净水，倒入反应容器中。开启超声喷雾装置，RDX溶液雾化成雾滴，雾滴落入非溶剂水中，雾滴快速结晶出RDX颗粒，得到白色悬浊液，过滤，冷冻干燥，得到白色粉末RDX。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic view of the experimental set-up

1.3 样品的表征

采用 Hitachi S-4700 冷场发射扫描电子显微镜(FE-SEM，日本) 对晶体形貌进行表征。颗粒尺寸分布采用 Hydro2000Mu 马尔文激光粒度分析仪（英国），工作条件为：采用超纯水作为分散介质。

差示扫描量热法（differential scanning calorimeter,DSC）：采用法国Setaram公司生产的DSC-131型差示扫描量热仪对RDX的热分解特性进行测量。测试条件：铝坩埚加盖打孔；气氛为氮气；流量为30mL/min；试样质量为(0.5±0.1)mg；参比物Al2O3粉；升温速率β分别为5/min℃，10/min℃，20/min℃。

2 结果与讨论

2.1 形貌分析

图2为原料RDX和超声喷雾辅助重结晶RDX样品的SEM测试结果。从图2（a）可以看出，RDX原料体形状不规则，颗粒明显不均匀，粒度约为50～100μm。而经喷雾辅助法制备出的 RDX（图 2（b））颗粒均匀，颗粒大小为1～3μm，基本上都为类球形，分散性较好。从图3可以看出，超声喷雾辅助重结晶RDX的粒度的中值粒径为2.65μm。

图2 RDX的SEM照片Fig.2 SEM photos of RDX

图3 重结晶RDX的粒度分布曲线Fig.3 Particle size distribution curves of recrystallized RDX

2.2 热分解性能和安定性分析

对原料RDX和超声喷雾辅助重结晶RDX的热分解特性进行测试，测试的DSC曲线如图4所示。

图4 RDX的DSC曲线Fig.4 DSC curves of RDX

从图 4可以看出，在相同升温速率下，重结晶RDX的分解峰温都比原料 RDX的分解峰温有所前移。比较原料RDX和重结晶RDX的放热峰形，对不同升温速率而言，原料RDX和重结晶RDX的分解峰温Tp都随升温速率β的增加而升高。根据图4中的数据，用Kissinger公式和Rogers公式分别计算热分解表观活化能Ea、指前因子A[9]，计算结果见图5。

图5 DSC曲线热分解峰的Kissiger图Fig.5 Kissiger’s plot for the thermal decomposition peak of the DSC curves

式（1）～（2）中：Tp为在升温速率β下炸药的分解温度峰温，K；R为气体常数，8.314 J·mol-1·K-1；β为升温速率，K·min-1或s-1；A为指前因子，min-1或 s-1；Ea为表观活化能，J·mol-1。综上所述，从图5中可以看出，重结晶RDX的表观活化能Ea和指前因子A比原料RDX都略有增加，这表明重结晶后的球形RDX 热安定性升高。

2.3 热稳定性

利用所求得的表观活化能(Ea)和式（3）可求得在升温速率β→0时的分解峰温TP0，并利用 Zhang-Hu-Xie-Li[10]热爆炸临界温度计算公式（式（4））可算出热爆炸临界温度Tb，计算结果见表1。

表1 原料RDX和重结晶RDX的热爆炸临界温度数据Tab.1 Thermal explosion and critical temperature data of raw RDX and recrystallized RDX

从表1可以看出，超声喷雾辅助重结晶RDX的热爆炸临界温度比原料RDX升高了2.74℃，这表明重结晶RDX比原料RDX的热敏感性有所降低。

2.4 撞击感度

原料RDX及超声喷雾辅助重结晶RDX的撞击感度根据GJB 772A-1997方法601.312型工具法进行测试。试验条件为：落锤质量为(5.000±0.002)kg；药量为（35±1）mg；温度为10～35℃；相对湿度≤80%。测试结果见表2。

表2 原料RDX及重结晶RDX的撞击感度试验结果Tab.2 Impact sensitivity of raw RDX and recrystallized RDX

由表2可见，重结晶RDX的特性落高相比原料RDX明显上升，撞击感度显著降低。

3 结论

通过超声喷雾辅助重结晶得到了微米球形化RDX。重结晶后的RDX颗粒均匀，基本上为球形且达到了微米级别，分散性较好。超声喷雾辅助重结晶RDX的撞击感度明显降低，特性落高（H50）从21.51cm升高到36.43cm。

[1]赵雪,芮久后,冯顺山.重结晶法制备球形化 RDX[J]. 北京理工大学学报,2011,31(1):5-7.

[2]Watt D，Peugetot F．Reduced sensitivity RDX[C]∥35th Inter Annu Conf of ICT．Karlsruhe:ICT,2004．

[3]Bui-Dang R，Brady V．Evaluation of reduced sensitivity RDX in PBXN-109 in GP bomb[C]∥35th Inter Annu Conf of ICT.Karlsruhe:ICT,2004．

[4]Borne L, Beaucamp A．Effects of explosive crystal internal defects on projectile impact initiation[C]∥The 11th Int Detonation Symp. Snowmass: Office of Naval Research, 1998．

[5]刘志建.超细材料与超细炸药技术[J].火炸药学报,1995,17(4 ) :37-40.

[6]马东旭,梁逸群,张景林.重结晶制备奥克托今(HMX)粒径及晶形的研究[J].陕西科技大学学报,2009,27(1):54-57.

[7]王保民,张景林,邸运兰. GAS 超临界重结晶过程中的晶形控制问题[J].火工品,2001(2):11-13.

[8]王平,秦德新,辛芳,等.超声波在超细炸药制备中的应用[J].含能材料,2003,11(2):107-109.

[9]金韶华,松全才.炸药理论[ M].西安:西北工业大学出版社, 2010.

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