石蜡/HTPB复合流体黏温特性测试

谢 虓,祝 青，肖 春，郑保辉，李尚斌，黄 辉

(1.中国工程物理研究院 化工材料研究所， 四川 绵阳 621900； 2.中国工程物理研究院， 四川 绵阳 621900)



【化学工程与材料科学】

石蜡/HTPB复合流体黏温特性测试

谢 虓1,祝 青1，肖 春1，郑保辉1，李尚斌1，黄 辉2

(1.中国工程物理研究院 化工材料研究所， 四川 绵阳 621900； 2.中国工程物理研究院， 四川 绵阳 621900)

采用旋转黏度计分别测定了石蜡和不同固化系数(r=0.5、0.6、0.7)的端羟基聚丁二烯(HTPB)以及石蜡和端羟基聚丁二烯(HTPB)两者混合形成的复合流体不同温度下的黏度，获得了黏温特性曲线，采用黏温模型方程对黏温特性进行了描述。通过比较黏温方程的参数发现，随着固化系数的增加，HTPB的黏度随温度上升而变化的敏感程度先减小后增大；而HTPB/石蜡复合流体的黏度随温度变化的敏感程度减小。

端羟基聚丁二烯；石蜡；黏温特性；双对数模型

以端羟基聚丁二烯(HTPB)为基的高聚物粘结炸药(PBX)具有较好的力学性能、较强的环境适应性、较低的易损特性等优点，作为一类常用的混合炸药在武器弹药领域得到了广泛的应用[1-3]。石蜡因其较好的钝感效果、与常用炸药良好的相容性，加之来源广泛、成本低廉，是PBX中常用的钝感添加剂之一[4-5]。PBX药浆在加工、成型过程中经历不同的热环境，其黏温特性是影响药浆流变特性以及最终产品性能的关键因素[6-7]。所以对HTPB、石蜡及其共混形成的复合流体黏温特性开展研究，建立黏度与温度的定量关系模型具有重要的意义，可为以HTPB为基的PBX配方设计提供理论依据和技术支撑。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

70#精炼石蜡(工业品)，抚顺石油化工研究院；HTPB(工业品，羟值0.75 mmol/g)黎明化工研究院，甲苯二异氰酸酯(即TDI，分析纯)国药集团化学试剂北京有限公司。

Brookfield DV-III ultra型旋转黏度计,Brookfield Engineering Laboratories公司；HAAKE A28水浴恒温器，Thermo Scientific公司。

1.2 实验方法

选取21号转子，测定不同温度下的70#石蜡黏度数据。测定不同温度下具有不同固化系数(即异氰酸根与羟基的摩尔数之比r=n(NCO)/n(OH))的HTPB黏度；r=0.5、0.6、0.7，按照 HTPB与石蜡质量比为1∶1配制三种HTPB/石蜡的复合流体，测定不同温度下复合流体的黏度。

2 结果与讨论

2.1 石蜡的黏温特性

70#石蜡的黏度随温度上升而变化曲线如图1所示。

图1 石蜡的黏温特性曲线

由图1(a)可以看出，70#石蜡在其熔点338 K左右发生软化，黏度由6 000 cp迅速降至2 000 cp。温度从339 K升至343 K时，黏度从103降至101cp。图1(b)表明，当温度继续升高时，石蜡形成熔融体，其黏度随温度上升而变化的程度较小。

在常见的黏温模型中，Walther黏温模型因适用温度范围宽[8-9]，被ASTM推荐为黏温曲线计算的标准模型。

其黏温关系式为：

(ν+a)=bd1/Tc

(1)

式中，ν为运动黏度。而动力黏度与运动黏度的关系式为：

ν=η/ρ

(2)

将式(2)带入式(1)：

(η+aρ)=ρbd1/Tc

取双对数可得：

lglg(η+aρ)=(lglgρ+lglgb+lglgd)-clgT

同样可以写成如下形式：

lglg(η+C)=A+BlgT

这表明Walther黏温模型同样适用于动力黏度。

将石蜡的动力黏度随温度变化实测数据代入下式：

lglg(η+0.7)=A+BlgT

以lgT为横坐标，lglg(η+0.7)为纵坐标，即可求出方程参数a、b的值，得到相应的黏温方程。当温度范围338.15-343.15 K时，代入石蜡的黏度-温度数据作线性拟合，如图2所示。

图2 338.15-343.15 K温范围内石蜡的黏温模型线性拟合曲线

由图2可知，R2=0.984 5，lgT与lglg(η+0.7)线性相关度较高，可以采用Walther黏温模型对其黏温特性进行描述。因此，此温度范围内，石蜡的黏温方程如下式所示：

lglg(η+0.7)=132.81-52.285·lgT

同样地，温度范围348.15-365.15 K时，石蜡的黏温方程如下式：

lglg(η+0.7)=8.031 9-3.165 9·lgT

2.2 不同固化系数HTPB的黏温特性

不同固化系数HTPB黏度随温度上升而变化的数据如表1所示。

由表1可以看出，随着固化系数的提高，HTPB的黏度相应上升；而随温度升高，HTPB的黏度下降。通过线性拟合，得到的Walther黏温模型方程的参数A、B及方差R2如表2所示。

表1 不同固化系数HTPB黏度-温度

表2 不同固化系数HTPB的Walther黏温方程模型参数及方差

因此，不同固化系数的HTPB的Walther黏温模型方程如式(3)、(4)、(5)所示。

r=0.5时：

lglg(η+0.7)=4.326 1-1.460 4·lgT

(3)

r=0.6时：

lglg(η+0.7)=3.697 7-1.190 3·lgT

(4)

r=0.7时：

lglg(η+0.7)=4.427 8-1.453 8·lgT

(5)

由表2可知，参数B的绝对值随着固化系数提高，呈现先减小后增大的趋势，这表明随着固化系数的上升，HTPB的黏度随温度上升而变化的敏感程度呈现先减小后增大的趋势。

2.3 石蜡/HTPB复合流体的黏温特性

实验测定的不同固化系数HTPB/石蜡复合流体黏度随温度上升而变化的数据如表3所示。

表3 HTPB/石蜡复合流体的黏度-温度数据

Walther黏温模型方程的参数A、B及方差R2如表4所示。

在与石蜡混合形成复合流体后，随HTPB固化系数提高，复合流体的黏度随温度上升而变化的敏感程度呈下降趋势。

为控制并预测PBX药浆达到工艺要求，需要掌握复合流体的黏度。加工过程中的黏度有时不便于用仪器直接测量，需要对黏度建立相应的数学模型。

表4 复合流体的黏温方程模型参数及方差

国内外一些学者提出了一些黏度模型，大多数是利用试验数据线性回归得到，每一种模型都有一定的黏度比适用范围[10-12]。为精确描述黏度特性，首先比较了两种组分的黏度比，以选用合适的复合流体黏温模型。黏度比是指较高黏度物质黏度与较低黏度物质黏度的比值。由表1的数据可知，两者黏度比在103～104，而双对数模型[13]适用于黏度比较高的复合流体。该模型的计算只需要知道油品各自的体积分数及黏度，使用方便。该模型的数学表达式如下式所示：

lglg(η+0.7)=ω1lglg(η1+0.7)+ω2lglg(η2+0.7)

石蜡与HTPB质量比为1∶1混合，所以ω1=ω2=0.5

将石蜡与HTPB不同温度下各自黏度以及复合流体黏度数据代入，lglg(η+0.7)的理论值与计算值结果如表5所示。

表5 双对数模型的lglg(η+0.7)的理论值与计算值比较

由表5可知，结论模型的预测误差均小于0,但大于-25%。负偏差产生的原因可能是：石蜡与HTPB相容性以及混合均匀程度不佳，石蜡在复合流体中呈聚集状态，导致实际测量的黏度值更多体现出较低黏度的HTPB的性质，实测复合流体黏度较理论值偏低。

3 结论

1) Walther模型适用于HTPB、石蜡及混合后的复合流体黏温特性描述；

2) 随着固化系数的上升，HTPB的黏度随温度上升而变化的敏感程度先减小后增大。但当其与石蜡混合成复合流体后，随HTPB固化系数提高，复合流体的黏度随温度上升而变化的敏感程度减小。

3) HTPB与石蜡混合成的复合流体黏度比较大，可使用双对数模型对石蜡/HTPB复合流体的黏温曲线进行预测。

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(责任编辑 杨继森)

Research on Viscosity Temperature Characteristics of Paraffin/HTPB Composite Fluid

XIE Xiao1, ZHU Qing1, XIAO Chun1, ZHENG Bao-hui1，LI Shang-bin1, HUANG Hui2

(1.Institute of Chemical Materials, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China; 2.China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

The viscosity temperature characteristics of 70# paraffin, HTPB with different solidification coefficient (r=0.5, 0.6, 0.7) and the composite fluid were measured by rotational viscometer.The viscosity temperature curves were obtained. Common viscosity temperature models were used to describe the viscosity temperature characteristics of these types of fluids. After comparing with the parameters of different viscosity temperature equations, we found that the viscosity changing sensitivity along with the temperature of HTPB decreased and then gradually rose with the increasing of solidification coefficient. But the viscosity changing sensitivity along with the temperature of paraffin displayed a trend of monotonic decline.

HTPB; paraffin; viscosity temperature characteristic; double-log model

2017-02-01；

2017-03-15

中国工程物理研究院院长基金项目(YZ2015010)

谢虓(1986—)，男，硕士，主要从事含能材料研发与应用研究。

10.11809/scbgxb2017.06.030

format:XIE Xiao, ZHU Qing, XIAO Chun, et al.Research on Viscosity Temperature Characteristics of Paraffin/HTPB Composite Fluid[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):138-141.

O373;TJ55

A

2096-2304(2017)06-0138-04

本文引用格式：谢虓,祝青，肖春，等.石蜡/HTPB复合流体黏温特性测试[J].兵器装备工程学报，2017(6):138-141.