表面活性剂对CL-20基浇注传爆药流变性能的影响

李海兴，王晶禹，安崇伟

（中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051）

目前，在不增加威力系统尺寸和质量的前提下，提高高性能战斗部毁伤效率是一个重要的研究方向[1-2]，而爆炸网络起爆技术是其中一个重要的技术途径。这种新型技术是利用爆炸网络对战斗部装药实施分位多点起爆，以达到破片定向分散、聚焦的目的，具有网络结构复杂和沟槽直径小（一般在1mm以下）[3-5]的特点。这种特点给爆炸逻辑网络沟槽的装药技术提出了严峻的挑战。

国内外已经采用精密压装和挤注（或注射）装药工艺对微型沟槽进行装药[6-8]。其中，注射装药是将热固性高分子材料和炸药的混合药浆采用一定的方式注入到微型沟槽中。在注射过程中，药浆的流变性能对装药质量有着重要的影响。表面活性剂对药浆的固相成分可起到乳化作用，在粘结剂中加入少量的表面活性剂往往能改善药浆的流变性能[9-10]。本文以CL-20/HTPB/DOA为基础配方，研究了表面活性剂卵磷脂和司班80对药浆流变性能的影响，从而为提高微型沟槽的装药质量提供改善方向。

1 实验材料和方法

1.1 材料

CL-20原料，80～100μm，兵器工业总公司375厂；端羟基聚丁二烯（HTPB)，淄博齐龙化工有限公司；己二酸二辛酯（DOA），AR，天津市光复精细化工研究所；司班80，CP，天津市科密欧化学试剂有限公司；卵磷脂，BR，北京真博星生物技术有限公司。

1.2 浇注传爆药配方的制备和流变性能测试

配置3种浇注传爆药配方，如表1所示。

表1 浇注传爆药配方各组分百分含量Tab.1 Percentage of casting booster components

将3种药浆分别混合均匀，然后通过R/S CPS流变仪（博勒飞）运用旋转梯度测量单元块测试3种配方的流变性能，每种配方药浆的温度分别设置为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃，剪切率范围为0.6～200s-1，测量点数为60个，测试时间为60s。

2 实验结果与分析

2.1 表面活性剂对浇注传爆药粘度的影响

图1显示了1#、2#和3#3种浇注药浆在30℃、50℃和70℃时，粘度、剪切应力随剪切率的变化曲线，可以看出，在药浆中加入活性剂卵磷脂或司班80，都能有效降低药浆的粘度。

图1 不同的配方在等温时的η——γ曲线和τ——γ曲线Fig.1 η——γ and τ——γ curves of different formulations at the same temperature.

这是因为不添加表面活性剂时，CL-20颗粒之间存在较强的表面吸附和自团聚作用，颗粒间的内摩擦作用也较强，导致药浆的表观黏度较大；当添加表面活性剂后，表面活性剂的亲水基与CL-20颗粒自发吸附，形成外层为亲油基的包覆膜，能将聚集的CL-20颗粒分散开，降低颗粒间的吸附作用，同时，表面活性剂有效地润湿CL-20表面，减弱了颗粒间的内摩擦作用及颗粒与粘结剂之间的摩擦作用，使表观黏度显著降低[10]。但在不同的温度下，卵磷脂与司班80的降粘效果也不同：温度为30℃时，司班80要比卵磷脂的降粘效果好，但随着温度升高，卵磷脂的降粘作用逐渐强过司班80。由于考虑到传爆药的注射是在70℃以上进行的，因此认为卵磷脂降粘效果更好。表面活性剂的作用差异与其亲水疏水平衡值(HLB)有关，往往HLB值大的表面活性剂降粘效果较好[10]。经查询，司班80的HLB值为4.3，卵磷脂的HLB值为6.41[11]，理论上卵磷脂比司班80的降粘效果要好。

2.2 表面活性剂对浇注传爆药屈服值的影响

药浆中屈服值较高说明粒子网状结构[12]更强，需要一个较高的剪切力来打破网状物引起流动。屈服值的大小说明了药浆由静止向流动转变的困难程度。对于评估药浆的屈服值（τy），一般可根据卡松模型[13]在低剪切速率范围内计算：

式（1）中：τy为药浆屈服值；τ为剪切应力；γ为剪切速率；c为系数。图2显示了30℃时浇注药浆的卡松模型拟合曲线（γ<5s-1），可以看出τ1/2——γ1/2的线性关系是非常明显的。从拟合方程中可得1#、2#和3#3种药浆的屈服值分别为283.914 0Pa、277.266 1 Pa和237.129 5Pa，因此司班80能够明显地降低浇注药浆的屈服值，而加入卵磷脂后，药浆屈服值仍然很大。表2显示了不同温度下，3种浇注传爆药配方的屈服值大小，可以看出加入司班80的浇注药浆的屈服值普遍最小。

图2 浇注传爆药在30℃时的卡森模型拟合曲线Fig.2 Fitting curves of Casson model of casting booster at 30℃

表2 浇注传爆药在不同温度下的屈服值Tab.2 Yield point value of casting booster at different temperatures

2.3 表面活性剂对浇注传爆药非牛顿指数的影响

对于假塑性体，在描述剪切速率对粘度的影响时，广泛运用幂律模型[14]:

式（2）中：η为粘度；γ为剪切速率；K为系数；n为非牛顿指数。n值的大小表明药浆粘度对剪切速率的敏感程度。n值越大表明药浆粘度对剪切速率变化的敏感度较小，药浆流动变形的稳定性较好；但n值过大，无法通过改变剪切速率来调整药浆的流动性。n值过小，药浆粘度对剪切速率的变化过于敏感，浇注传爆药在成型时的流变稳定性差，即注射工艺参数的微小波动都会使药浆的流变行为发生很大的改变，不利于制品的成型[15-16]。

通过对幂律模型两边取双对数，可拟合计算药浆的非牛顿指数：

图3是3种浇注传爆药配方在30℃时式（3）的拟合曲线，可计算1#、2#和3#3种药浆的非牛顿指数分别为0.327 64、0.456 82和0.456 07。同时图4显示了3种配方在不同温度下的非牛顿指数，可以看出，加入司班80很大程度地增大了药浆的非牛顿指数，而加入卵磷脂的浇注药浆，在低温状况下，非牛顿指数较大，但随着温度升高，非牛顿指数急剧降低。因此，司班80更有利于浇注传爆药的流变稳定性。

图3 30℃时浇注传爆药关于式(3)的拟合曲线Fig.3 Fitting curves of the equation（3）about casting booster at 30℃

图4 浇注传爆药在不同温度下的非牛顿指数Fig.4 Non-Newtonian index of casting booster at different temperatures

2.4 表面活性剂对浇注传爆药粘流活化能的影响

图5显示了3种浇注传爆药配方在30～80℃时粘度、剪切力随剪切率的变化曲线。

图5 同种浇注传爆药在不同温度下的η——γ和τ——γ曲线Fig.5 η——γ and τ——γ curves of the specific casting booster formulas at different temperatures

由图5可见，3种配方的粘度、剪切力都会随着温度的升高而降低。因为体系的连续相粘结剂的粘度具有随温度的升高而降低的性质。温度升高，大分子链之间的排斥力增加，分子间距增加，使材料内部形成更多的自由体积而利于分子链段的活动[17]。

从图5中3种浇注传爆药配方在不同温度下粘度曲线之间的间距，可以隐约对比3种配方对温度的敏感程度。本研究通过拟合计算来验证。图6显示了剪切率为20s-1时，3种配方粘度随温度变化的曲线。药浆粘度与温度的关系可以用Arrhenius公式[18]表述：

式（4）中：E为粘流活化能（kJ·mol-1）；R为普适气体常数（8.314 J·K-1·mol-1）；粘流活化能是高分子链流动时克服分子间作用力所需的能量，它反映了药浆粘度对温度的敏感程度[19]。E值越小，药浆粘度对温度变化的敏感性越小，对成型越有利。将上式两边同取ln对数，得：

图6 剪切率为20s-1时浇注传爆药在不同温度下的粘度Fig.6 Viscosity of casting booster at different temperatures when γ is 20s-1

图7 浇注传爆药对于方程(5)的拟合曲线Fig.7 Fitting curves of the equation(5) about casting booster

2.5 表面活性剂对浇注传爆药综合流变学因子的影响

Weir[20]提出塑性指数αSTV来综合评价药浆的流变性能，这个指数包括药浆粘度、粘度对温度的敏感度和粘度对剪切速率的敏感度这几个主要流变学参数，称之为药浆综合流变学因子，其表达式为：

式（6）中：0η为参考剪切速率下的粘度；γ为剪切速率；n为非牛顿指数；E为粘流活化能；R为气体常数；T为温度。αSTV值越大，药浆综合流变性能越好。

对于3种浇注传爆药配方，以温度为80℃，剪切率为20s-1的粘度作为参考点，运用公式（6），计算求得1#、2#和3#的综合流变学因子αSTV分别为3.69×10-6、3.91×10-6和4.64×10-6。因此在浇注传爆药中加入司班80更大程度地增强了浇注传爆药的综合流变性能。

3 结论

（1）表面活性剂卵磷脂或司班80都能有效降低浇注传爆药药浆的粘度。在低温时，司班80比卵磷脂的降粘效果好，而在高温时卵磷脂的降粘作用要强于司班80。同时，司班80比卵磷脂更大程度地降低了浇注传爆药的屈服值。

（2）司班80比卵磷脂更大程度地提高了CL-20基浇注传爆药的非牛顿指数，即使浇注传爆药的粘度对剪切速率的敏感度变小；而加入卵磷脂的浇注传爆药在低温下对剪切速率的敏感度较低，但随着温度升高，浇注传爆药的非牛顿指数会显著减小。

（3）在20s-1时，1#、2#和3#共3种药浆的粘流活化能分别为9.757 kJ·mol-1、15.258 kJ·mol-1和11.368 kJ·mol-1。因此加入活性剂会增强CL-20基浇注传爆药的粘度对温度的敏感度，但加入卵磷脂要比加入司班80更大程度地提高了CL-20基浇注传爆药对温度的敏感度。

（4）1#、2#和3#共3种药浆的综合流变学因子的值分别为3.69×10-6、3.91×10-6和4.64×10-6，因此司班80比卵磷脂更大程度提高了CL-20基浇注传爆药的综合流变性能，更有利于浇注传爆药的成型。

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