水悬浮工艺温度对HMX基PBX形貌及安全性能的影响

郭慧峰，王保民



水悬浮工艺温度对HMX基PBX形貌及安全性能的影响

郭慧峰，王保民

（中北大学化工与环境学院，山西太原，030051）

以Viton-A为粘结剂，通过溶液-水悬浮工艺制备HMX基PBX，重点研究了温度对HMX基PBX形貌及安全性能的影响。利用扫描电镜、XRD、DSC和撞击感度测试等方法对不同温度下制备的PBX进行性能表征。结果表明：当制备温度为60℃时，可以得到形貌完好的晶体颗粒，包覆前后HMX晶型结构没有发生变化，高聚物粘结炸药热安定性有明显提高，撞击感度特性落高50由原来的20.88cm提高到57.2cm，安全性能有较大幅度的提高。本研究表明水悬浮法制备HMX基PBX的最佳包覆温度为60℃。

HMX；PBX；温度；溶液水悬浮法；性能测试

高聚物粘结炸药（polymer-bonded explosive，PBX）又被称为塑料粘结炸药，其采用高能单质炸药为主体炸药，将几种高聚物作为粘结剂，并加入具有各种改善性能的添加剂，在一定的温度和压力条件下制备而成[1]。因为PBX具有安全性能优良、机械强度大、易于成型等优点，使得对PBX的研究成为炸药材料等的热门课题[2-6]。

为了制备形貌良好、感度较低的钝感炸药，本文采用水悬浮包覆法，研究了不同温度（40℃、50℃、60℃、70℃）对包覆粒子（HMX）性能及形貌的影响，并用SEM、XRD、DSC对制备的HMX粒子进行性能表征，通过撞击感度测试对HMX粒子的安全性能进行评估，进一步丰富包覆降感技术的理论知识，为硝化炸药往高能钝感方向发展提供一定的参考依据。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：HMX，兵器工业集团805厂；Viton-A，工业级，四川辰光科技有限公司；乙酸乙酯，分析纯，天津市恒兴制造有限公司；去离子水，自制。

仪器：S4700型冷场发射扫描电子显微镜，日本日立公司；DSC-131型差示扫描热量仪，法国Setaram公司；DX-2700型射线粉末衍射系统，丹东浩元公司。KQ-300E超声波震荡器，昆山市超声仪器有限公司；SHZ-D(Ⅲ)真空泵，上海振捷实验设备有限公司。

1.2 高聚物粘结炸药的制备

首先将HMX水溶液在超声仪中超声，然后置于水浴锅中加热，控制搅拌速度，改变温度，把配好的Viton-A滴加到烧瓶中，控制搅拌速度和压力，直到烧瓶内水变清出现细小颗粒，实验流程简图如图1所示。

图1 实验流程图

2 结果与讨论

2.1 晶型分析

原料（β-HMX）以及在不同温度下细化的HMX基PBX的XRD谱图如图2所示。

如图2所示，对于不同温度下（40℃、50℃、60℃、70℃）制备的HMX基PBX主要特征峰的衍射角在20.48°、23.03°、31.91°处，与原料HMX能够一一对应，说明在合理温度范围内制备HMX基PBX不会影响HMX的晶体结构。但制备的HMX基PBX包覆粒子衍射峰峰高降低，峰宽变宽，这是因为制备的HMX基PBX中含有一定量的粘结剂，X射线衍射峰强度会随着炸药含量的变小而逐渐减弱[7]。因此，温度并没有改变原粒子的晶型结构。

图2 不同温度下制备的HMX基PBX的X射线衍射图

2.2 形貌分析

对使用不同温度下（40℃，50℃，60℃，70℃）制备的HMX基PBX用S4700型冷场发射扫描电子显微镜进行SEM分析，如图3所示。

图3 不同温度下制备的HMX基PBX的SEM图

由图3（a）和图3（b）可以看出，当包覆温度为40℃和50℃时，包覆粒子外漏现象严重，粒子表面有明显的凹凸现象，HMX包覆粒子呈散状分布，粒子之间并没有较好地粘结在一起，而是出现了一定程度的团聚现象，包覆效果不理想；由图3（c）可见，当包覆温度为60℃时，包覆层光滑，包覆粒子密实，HMX粒子没有明显的外漏现象，HMX较好地被Viton-A包覆；由图3（d）可以看出，当包覆温度为70℃时，Viton-A虽然可以包覆在HMX表面，但出现了包覆层包覆厚度不均匀，HMX粒子裸露现象。也就是说，包覆温度过高或者过低会对HMX包覆粒子形貌产生较大影响，这是因为：当包覆温度过低（温度低于60℃），Viton-A粘结剂加入到HMX混合液后，乙酸乙酯的挥发速率降低，粘结剂析出的时间变长，在搅拌作用下瞬间析出的少量粘结剂不能较好地包覆在HMX表面，造成图3（a）和图3（b）中的包覆效果不佳，甚至出现粒子团聚现象；而当温度过高（温度高于60℃），Viton-A粘结剂加入到HMX混合液后，乙酸乙酯的挥发速率加快，粘结剂瞬间析出较多，造成包覆层粘结剂分布不均匀的现象。

2.3 热分解性能

采用差式扫描热法（DSC）对制备的HMX基PBX进行热性能分析，升温速率分别为5℃/min、10℃/min、20℃/min，DSC曲线如图4所示。

图4 原料HMX及不同温度下制备的HMX基PBX的DSC曲线

根据3种升温速率下的分解放热峰，利用Kissinger[8]公式（公式1）、公式（2）和热爆炸临近温度计算公式[9]（公式3）可以分别计算出热分解表观活化能E、指前因子[10]、HMX升温速率趋近于0时的峰温T0和热爆炸临界温度T，结果如表1所示。

表1 不同温度下包覆粒子的热爆炸临界温度

Tab.1 Critical temperature of thermal explosion of particles coated under different temperature

Kissinger公式：

式（1）~（3）中：为升温速率，K/min或K/s；T为升温速率下炸药的分解峰温，℃；为指前因子，min-1或s-1；R为气体常数，8.314J·mol-1·K-1；为表观活化能，J·mol-1。

根据表1可以看出，不同温度下制备的HMX基PBX的表观活化能和指前因子均有所升高，而制备温度为60℃下的粒子热爆炸临界温度最高，说明此温度下制备的HMX基PBX具有较高的安定性。这是因为该温度下粘结剂附着在HMX表面形成的包覆层密实，可以减少粘结剂裂解过程中产生的自由基对HMX的影响，从而达到改善安定性的目的。

2.4 撞击感度

根据GJB 722 A-1997方法测试制备的HMX基PBX的撞击感度。采用610.302型工具法测试并计算制备样品的特性落高50，结果如表2所示。

表2 不同温度下包覆粒子的撞击测试结果

Tab.2 Impact test results of particles under different temperature condition

由表2可以看出，制备的HMX基PBX特性落高均有所升高，安全性能有不同程度的提高，其中60℃下制备的HMX基PBX安全性能提高明显。这是因为在60℃下制备的HMX基PBX包覆层厚且密实，包覆层外面粘结剂分布均匀，在受到外界作用力时受力分布均匀，使得50提高明显；而在其它温度下包覆的HMX粒子都有粒子裸露现象，包覆效果较差，使得50提高程度不如在温度为60℃下包覆的HMX粒子。

3 结论

当制备温度为60℃时，可以得到形貌完好的晶体颗粒，温度过高或者过低都会对粘结炸药的形貌产生影响；由XRD得出，包覆前后HMX晶型结构都没有发生变化，即在一定的温度范围内，温度不会改变HMX的晶型结构；由DSC分析可知，制备后的PBX的活化能均有所提高，且在制备温度为60℃时的高聚物粘结炸药热安定性提高明显；通过撞击感度试验可知，当制备温度为60℃时50由原来的20.88 cm提高到57.2 cm，安全性能有较大提高。因此水悬浮法制备HMX基PBX的最佳包覆温度为60℃。

[1] 葛立波.TATB包覆HMX的工艺研究[D].南京:南京理工大学, 2015.

[2] Gibbs, T. R.; Popolato, A. LASL high explosive property data[M].University of Califrnia Press, 1980.

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Study on the Effect of Water Slurring Temperature on the Morphology and Safety Performance of PBXs Based HMX

GUO Hui-feng，WANG Bao-min

(School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan，030051)

PBX based HMX was prepared with Viton-A as binder by the water slurring method, and the effect of temperature on the morphology and safety property of PBXs was studied. The PBXs prepared under different temperature conditions were characterized by scanning electron microscope, XRD, DSC and the impact sensitivity test. The results showed that the crystal particles with good morphology can be obtained when the temperature was 60℃, the crystal form of HMX after coating did not changed compared to the raw material, and the thermal stability of the polymer bonded explosive was increased significantly when the preparation temperature was 60℃, as well as the characteristic drop height of impact sensitivity changed from the original 20.88cm to 57.2cm, which indicated the safety performance was improved greatly. The study show that the optimum coating temperature of PBX based HMX by water slurring method is 60℃.

HMX；PBX；Temperature；Water slurrying method；Performance testing

1003-1480（2017）02-0038-04

TQ564

A

2017-01-04

郭慧峰（1979-），男，在读硕士研究生，从事安全评价研究。