硝酸异丙酯对单基推进剂的安定性能影响研究

陈永康，陈明华，胡艳华

（1．军械工程学院，石家庄050003；2．军械技术研究所，石家庄050003；3．晋西工业集团江阳公司，太原030041）

硝酸异丙酯对单基推进剂的安定性能影响研究

陈永康1，陈明华2，胡艳华3

（1．军械工程学院，石家庄050003；2．军械技术研究所，石家庄050003；3．晋西工业集团江阳公司，太原030041）

目的 研究云爆剂中硝酸异丙酯渗漏对单基推进剂的安定性能影响。方法利用加速量热仪(ARC)对单基推进剂在混合硝酸异丙酯环境下的热分解情况进行研究，确定热分解特性参数，并通过速率常数法计算出动力学参数。结果得到了其绝热分解的温度、压力时间曲线，发现在混合硝酸异丙酯后，样品起始热分解温度和表观活化能基本不变。结论硝酸异丙酯对单基推进剂的起始分解温度和活化能没有明显影响，不会危害其热安定性能。

热分解；硝酸异丙酯；云爆剂；单基推进剂；加速量热仪

云爆弹是一种以气化燃料在空气中爆炸产生的冲击波超压获得大面积杀伤和破坏效果的弹药[1—2]。目前常用云爆剂的成分为镁粉和硝酸异丙酯[3]（Isopropyl Nitrate）。由于硝酸异丙酯受自身固有特性以及加工工艺所限，在贮存过程中不可避免地会渗露到弹药内部和周围环境中[4]，对弹药中的燃爆部件造成危害。硝酸异丙酯是一种强氧化剂和强溶剂，具有易挥发、易燃、易爆、溶解性强等特点，会对发射药的安定性能造成危害，将直接影响弹药的安全贮存和可靠使用。尤其是某型云爆弹，出现了一定的质量问题，其原因就是云爆剂中硝酸异丙酯的渗露。

曾秀琳[5]利用DSC和ARC对硝酸异丙酯的热稳定性进行研究。宣卫芳[6—7]等人提出了利用气相色谱和原子吸收光谱等方法来检测分析云爆剂的化学安定性。关于硝酸异丙酯对发射药安定性能影响的研究报道还未出现。针对这一问题，文中利用加速量热仪[8—9]（ARC）来研究硝酸异丙酯对某型云爆火箭推进剂安定性能的影响。

1 实验部分

1.1 材料仪器及条件

材料：硝酸异丙酯，分析纯；单基推进剂。实验仪器为由英国热危险技术公司（THT）生产的加速量热仪。样品容器为钛合金样品球，样品球质量mb=7.1254 g，平均热容为0.42 J/（g·℃）。共准备6份推进剂样品，在将样品放入样品球内时，将不同量的硝酸异丙酯与之混合。详细的样品量、混合量以及测试条件见表1。

1.2 单基推进剂的绝热分解

6组样品热分解的温度、压力-时间曲线如图1所示。

从图1可以看出，单基推进剂首先由于热量的积累开始发生分解，同时慢慢释放出气体导致压力逐步增大，而后发生迅速的燃烧爆炸反应，温度和压力急剧上升。

2 结果与讨论

2.1 热分解特性参数

根据实验所得的热分解曲线，可确定6组样品的热分解特性参数，见表2。

从表2中数据发现，1#—6#样品的起始分解温度没有发生明显变化，均在145℃左右。最大分解速率时的温度也相差不大。

2.2 测试参数校正

式中为实验容器的平均热容。

样品的温升速率可以表示为：

式中：mθ，s为样品体系的自加热升温速率。样品的绝热温升为：

若热惰性因子对简单放热反应过程的机理没有影响，则样品的初始放热温度[11]为：

式中：E为活化能；R为普适气体常量。

样品放热终止温度为：

通过热惰性因子对测试结果进行修正，结果见表3。

经过修正后，样品的起始分解温度略有下降，绝热温升和分解速率变大。比较6组样品的起始分解温度，发现相互之间的差异不大，和修正前所得结论一致。

2.3 热分解动力学参数

根据绝热温升方程[12—13]：

整理可得：

通过ARC试验可以确定mθ，s，θf，s，Δθad，s。当反应级数选取合适时，将式（7）中计算得到ln k代入到式（8）中，以1/θ为横轴，以ln k为纵轴，拟合直线。由斜率计算活化能E，由截距计算指前因子A。

从表4中的结果可以发现，混合硝酸异丙酯后样品热分解反应的活化能变化不大，基本均在220 kJ/mol左右。频率因子也没有发生明显变化。

对阿伦尼乌斯公式[14—15]两边取对数得：

3 结语

混合硝酸异丙酯后，单基推进剂样品的热分解没有发生明显变化，得出的初始分解温度和活化能等参数基本不变，表明硝酸异丙酯对单基推进剂的安定性能基本没有影响。

笔者在研究硝酸异丙酯对单基发射药的燃烧性能影响[16]时，却发现在混合硝酸异丙酯后，单基发射药的燃烧时间缩短，燃烧速度加快。在研究硝酸异丙酯对三基发射药的燃烧性能影响[17]时，发现在混合硝酸异丙酯后，三基发射药的燃烧时间延长，燃烧速度减慢。将单基药与三基药的成分进行对比，分析认为是硝化甘油或硝基胍与硝酸异丙酯作用，延缓了三基药的燃烧。

在对硝酸异丙酯对双基推进剂的安定性能影响进行的研究中发现，混合硝酸异丙酯后，双基推进剂的热分解起始分解温度上升，样品的表观活化能变大。杨茜[18]等人利用ARC对硝酸异丙酯的热分解过程进行研究，测试得到其起始分解温度在156℃左右。该分解温度要高于双基推进剂的分解温度。二者混合后，双基推进剂的分解温度升高，硝酸异丙酯的分解温度下降，从而导致了双基推进剂的起始分解温度升高，活化能变大。硝酸异丙酯的起始分解温度与文中研究的单基推进剂的起始分解温度较为接近，因此对单基推进剂的热分解基本没有影响，不会降低单基推进剂的安定性能。

总结研究结论，笔者认为，硝酸异丙酯对发射药和推进剂的影响主要有以下两个方面：发生分解，通过放热来影响体系；与发射药和推进剂的内部组分发生作用。

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Influence of Isopropyl Nitrate on Thermal Stability of Single-base Propellant

CHEN Yong-kang1，CHEN Ming-hua2，HU Yan-hua3
（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.Ordnance Technology Research Institute，Shijiazhuang 050003，China；3.Jin Xi Industry Jiangyang Company，Taiyuan 030041，China）

ObjectiveTo study the influence of Isopropyl Nitrate(IPN)leakage in fuel air explosive on the thermal stability of single-base propellant.MethodsThe thermal decomposition of single-base propellant under IPN was tested with accelerating rate calorimeter(ARC),and the thermal decomposition characteristic parameters were determined.The kinetic parameters were calculated by the rate constant method.ResultsTemperature-time curves and pressure-time curves were obtained for the thermal decomposition of single-base propellant.It was found that the initial exothermal temperature and apparent activation energy E remained almost the same after mixing with IPN.ConclusionThese results showed that IPN did not significantly affect the initial exothermal temperature and activation energy of single-base propellant,and thus would not decrease its thermal stability.

thermal decomposition；isopropyl nitrate；fuel air explosive；single-base propellant；accelerating rate calorimeter

10.7643/issn.1672-9242.2015.06.010

TJ55

A

1672-9242（2015）06-0060-05

2015-07-25；

20115-08-15

Received：2015-07-25；Revised：2015-08-15

陈永康（1991—），男，江苏泰州人，博士研究生，主要研究方向为含能材料性能检测与评估。

Biography：CHEN Yong-kang（1991—），Male，from Taizhou，Jiangsu，Doctoral candidate，Research focus:performance testing and assessment of energy-containing materials.