TATB／HMX基PBX的水悬浮包覆工艺研究

雷英春，王晶禹

（1.中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051；2.太原工业学院环境与安全工程系，山西 太原 030008）

引 言

TATB是目前热安定性最好的高能钝感炸药，理论爆速为8 000m／s，理论密度为1.938g／cm3，晶体优先取向会导致其力学性能各向异性，可通过超细化进行缓解［1］。HMX是当前综合性能最好的军用炸药，但其感度较高，不满足高能钝感炸药的要求。将HMX与TATB混合可降低HMX感度，满足现代战争对钝感弹药的需求［2］。

目前国外常用的钝感传爆药均为压装药，如LX－17、超细 TATB、PBX－9502、PAX－2A、PBXN－7、BX 系 列、PBXW－14 等。因此，需要 对 TATB／HMX炸药用黏结剂包覆形成造型粉，才能用于压装。目前含能材料常用的包覆降感方法主要有泥浆法和水悬浮法等。泥浆法工艺简单，用水较少，黏结剂无需滴加，直接混合即可，常用于工业生产。水悬浮法料水比通常为1∶5～1∶10，且黏结剂溶液必须滴加，限制了悬浮液中固体炸药的含量，导致生产效率较低，常用于实验室制备。Heinz Hofmann等［3］采用无水包覆技术制备TATB基PBX，该法对反应器要求较高，适用于工业生产TATB基钝感炸药。雷瑞琛等［4］采用水悬浮法和溶剂蒸发法用HTPB包覆RDX。李俊龙等［5］用EPDM 包覆CL－20，包覆后的 CL－20钝感效果明显。黄斌等［6］在超声辅助下制备出HMX／TATB核壳粒子，其撞击感度与摩擦感度及热分解峰温均降低。J.D.Yeager等［7］通过湿度控制的蒸发滴加包覆工艺将RDX涂覆在硅板上，然后浸在不同浓度的黏结剂中，制备了A－3炸药，并研究了界面特性随微观结构的变化。

本研究采用水悬浮法制备了TATB／HMX基PBX，研究了料液比（TATB／HMX与纯净水的质量比）、温度、真空压力、颗粒成熟时间等因素对包覆效果的影响规律，以期为TATB／HMX基PBX制备及放大生产提供参考。

1 实 验

1.1 材料及仪器

TATB，甘肃银光化学工业集团有限公司；HMX，甘肃银光化学工业集团有限公司；VitonA，四川晨光商贸有限公司；乙酸乙酯，天津市科密欧化学试剂有限公司；Span－80，天津天大化工实验厂；Tween－80，天津天大化工实验厂。

Hitachi S－4700冷场发射扫描电子显微镜（FESEM），日本株式会社日立制作所，电压为5.0kV；Hydro 2000Mu马尔文激光粒度分析仪，英国马尔文仪器有限公司，采用超纯水作为分散介质。

1.2 TATB／HMX基PBX的制备

分别取6.8gTATB和7.5g HMX放入500mL广口瓶中；加入150mL纯净水，滴加复配的表面活性剂（Span－80与 Tween－80质量比为6∶4），搅拌速率为200r／min，使炸药充分分散于水中，依次开启冷凝回流系统、真空系统、分液漏斗旋塞，控制真空压力和滴加速度，将27mL黏结剂溶液（VitonA质量分数为3%的乙酸乙酯溶液）滴入广口瓶；反应完成后，过滤、干燥，得到产物14.7g。

2 结果与讨论

2.1 料液比对TATB／HMX基PBX形貌的影响

在温度为60℃、真空压力为0.045MPa、黏结剂溶液滴加速率为25mL／min、搅拌速率为500r／min、成熟时间为3min，料液比（TATB／HMX与纯净水的质量比）为1∶3和1∶10条件下所得TATB／HMX基PBX样品的形貌见图1。

由图1可看出，料液比为1∶3时，TATB／HMX基PBX颗粒表面粗糙，包覆不完全；料液比为1∶10时，颗粒表面光滑。分析原因认为，水越多，水力打磨作用越明显，形成的颗粒表面更加光滑且有光泽，包覆更完全。因此，料液比选1∶10为佳。

1 料液比对TATB／HMX基PBX包覆样品形貌的影响ig.1 Effects of ratio of material to liquid on morphology of TATB／HMX based PBX

2.2 温度对包覆过程的影响

在黏结剂溶液滴加速率为25mL／min、搅拌速率为500r／min、成熟时间为3min、料液比为1∶10、真空压力为0.045MPa时，考察了不同温度对包覆过程的影响，结果如表1所示。

表1 温度对包覆过程的影响Table 1 Effects of temperature on coating process

由表1可看出，温度55℃时，低于乙酸乙酯／水恒沸物［8］的沸点较多，易于通过真空压力控制恒沸物不沸腾，但需要较长的反应时间；60℃时，略低于恒沸物沸点，易于通过控制真空压力，避免恒沸物沸腾，且反应时间较短，可提高效率；65℃时，高于恒沸物沸点，恒沸物沸腾，体系处于紊态，产生较大的水力剪切，不利于黏结剂附着，同时溶剂馏出速度太快，不利于成膜，影响颗粒形貌。因此，选60℃为最佳反应温度。

2.3 真空压力对TATB／HMX基PBX形貌的影响

在温度为60℃、黏结剂溶液滴加速率为25mL／min、搅拌速率为500r／min、成熟时间为3min、料液比为1∶10时，无真空压力及真空压力为0.045、0.050MPa条件下所得TATB／HMX基PBX样品的SEM照片见图2。

由图2可看出，无真空压力时，TATB／HMX基PBX颗粒为扁平状；真空压力为0.045MPa时，颗粒呈球形；真空压力为0.050MPa时，出现大量空腔，颗粒被破坏。分析认为，在一定的搅拌速率下，合适的真空压力可以使悬浊液中的TATB／HMX团块悬浮于水面，当黏结剂溶剂在某个瞬间迅速离开炸药固体时，即可形成造型粉颗粒。因此，本研究真空压力取0.045MPa。

图2 不同真空压力下TATB／HMX基PBX样品的SEM照片Fig.2 SEM images of TATB／HMX based PBX under different vacuum pressures

2.4 成熟时间对TATB／HMX基PBX形貌的影响

在温度为60℃、真空压力为0.045MPa、黏结剂溶液滴加速率为25mL／min、搅拌速率为500r／min、成熟时间分别为1、3、5min的条件下所得TATB／HMX基PBX样品的SEM照片见图3。

由图3可看出，成熟时间为1min时，TATB／HMX基PBX形貌不规则，同时由于颗粒内部的空腔未被消除，导致颗粒不密实；成熟时间为3min时，颗粒呈球形，表面光滑，没有较大空腔，颗粒堆积密度较大，为0.8240g／cm3；成熟时间为5min时，成熟时间过长，可能导致部分颗粒被打碎，造成形貌不规整，也可能导致炸药与黏结剂脱粘。因此，选择较佳的成熟时间为3min。

图3 成熟时间对TATB／HMX基PBX形貌的影响Fig.3 Effects of maturing time on morphology of TATB／HMX based PBX

2.5 表面活性剂对TATB／HMX基PBX形貌的影响

图4为滴加表面活性剂与不滴加表面活性剂时制备的TATB／HMX基PBX照片。

图4 表面活性剂对TATB／HMX基PBX形貌的影响Fig.4 Effects of surfacant on morphology of TATB／HMX based PBX

由图4可以看出，未滴加表面活性剂时，由于炸药分散不均匀，形成悬浊液，局部搅拌不均匀，导致部分TATB／HMX被包覆。另外，黏结剂溶液分散也不均匀，部分TATB／HMX基PBX颗粒形成后又脱粘，形成碎屑；加入表面活性剂后，颗粒包覆完全，且粒径分布较均匀。

TATB、HMX的表面能 （γc）分别为 51.8、44.7mN／m，二者都是低表面能材料，且低于水的表面能。加入表面活性剂后，可以适当缩小炸药与水之间的表面能差，使炸药与水能更好地润湿。

非离子表面活性剂在水中不发生电离，稳定性高，与其他类型表面活性剂相容性好，便于混合复配使用。Span－80和Tween－80的亲水疏水平衡值（HLB）分别为4.3、15.0，两者以质量比6∶4混合后HLB值为8.58，符合表面活性剂作为润湿剂时HLB值应为8～10的要求［9］。因此，加入复配Span－80／Tween－80表面活性剂后，在搅拌作用下，TATB／HMX炸药可以快速并充分分散在水中形成水悬浮液。溶有VitonA的乙酸乙酯也均匀分散在水悬浮液中，使互不相溶的3种物质能够互相接近，均匀混合，形成造型粉颗粒。

3 结 论

（1）用水悬浮法制备TATB／HMX基PBX的最佳工艺条件为：温度60℃、料液比为1∶10、真空压力0.045MPa、黏结剂溶液滴加速率为25mL／min、搅拌速率为500r／min、成熟时间为3min，此时TATB／HMX基PBX的最大堆积密度为0.8240g／cm3，颗粒呈球形，表面光滑。

（2）将Span－8／Tween－80（质量比6∶4）复配形成复合表面活性剂可使TATB／HMX基PBX的形貌得到明显改善。

［1］ 李志鹏，龙新平，向松伟，等.复合载荷作用下TATB基PBX药柱的损伤试验研究［J］.火炸药学报，2014，37（6）：20－23.LI Zhi－peng，LONG Xin－ping，HE Song－lin，et al.Experimental study on the TATB－based PBX explosive damage in combined load［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2014，37（3）：20－23.

［2］ Scott W，Barry T.Navy qualification testing of PBXW－14 Explosive［R］.NDIA（National Defense Industrial Association）.IM／EM Technology Symposium，2007.

［3］ Heinz H，Schnaittach，Karl R，et al.Insensitive explosive molding powders，paste process：US，6884307 B1［P］.2005－4.

［4］ 雷瑞琛，田亮.HTPB包覆RDX效果影响因素研究［J］.山西化工，2014，34（1）：28－30.LEI Rui－chen.TIAN Liang.Research on influencing factors of HTPB coated with RDX［J］.Shanxi Chemical Industry，2014，34（1）：28－30.

［5］ 李俊龙，王晶禹，安崇伟，等.EPDM对CL－20的包覆及表征［J］.火炸药学报，2012，35（1）：23－26.LI Jun－long，WANG Jing－yu，AN Chong－wei，et al.Coating of CL－20by EPDM and its characterization［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2012，35（1）：23－26.

［6］ HUANG Bin，HAO Xiao－fei，ZHANG Hao－bin，et al.Ultrasonic approach to the synthesis of HMX＠TATB core－shell microparticles with improved mechanical sensitivity ［J］.Ultrasonics Sonochemistry， 2014，21：1349－1357.

［7］ Yeager J D，Ramos K J，Pesce－Rodriguez R A，et al.Microstructural effects of processing in the plasticbonded explosive composition A－3 ［J］.Materials Chemistry and Physics，2013，139：305－313.

［8］ 夏清，陈常贵.化工原理［M］.天津：天津大学出版社，2000.

［9］ 陆明.表面活性剂及其应用技术［M］.北京：兵器工业出版社，2007.