溶剂悬浮法制备含铝炸药造型粉及其性能

张建虎，潘丽萍，丁 玲，刘佳辉

(中国工程物理研究院 化工材料研究所， 四川 绵阳 621900)

含铝炸药是一类特殊的高聚物粘结炸药(PBX)，具有高爆热、高爆温、低易损性及燃烧效应突出等特点，目前广泛应用于侵彻、杀爆类高性能武器战斗部装药，以及矿山爆破、地质勘查等民用炸药[1-3]。传统的炸药造型粉一般采用水悬浮法制备，因为该方法具有优异的安全性且操作便捷[4-6]。然而，对于含铝炸药而言，在水悬浮造粒过程中，铝粉极易与水反应生成氢氧化铝和氢气[7-10]，因此水悬浮法并不适用于含铝炸药的造型粉制备。尤其是当铝粉粒径越细、水温越高时，铝粉与水的反应越剧烈，将直接导致最终炸药产品中铝粉组分的失效并可能导致安全问题。

长期以来，如何有效抑制含铝炸药造型粉制备过程中铝粉与水发生反应，是含能材料领域研究的关键问题之一。为避免析氢反应的发生，通常，含铝炸药的制备采用浇注法或捏合挤出法[11]。李代茹等采用浇注法，研究了提高PBX炸药安全性及可靠性的方法[12]，霍朝沛针对铝粉含量为20%的含铝炸药模拟物，研究了流场分布随双螺杆工艺参数的影响规律，为双螺杆挤出含铝炸药的混合性能和安全性能的综合评估提供了理论参考[13]。但是，这2种方法均存在一定缺陷，不能适用于压装型含铝炸药制备。特别是当压装型含铝炸药中含有黑索今(RDX)、奥克托今(HMX)等高能炸药时，这两种制备方法的危险系数会显著上升，带来较大安全隐患。

在液相介质中制备含有高能炸药的含铝炸药更能控制其安全风险，冯小军等人采用溶剂-非溶剂法首先制备了六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/Al复合炸药颗粒[14]，然后再进行包覆和造粒，分两步制得压装型含铝炸药，提高了炸药的爆热值。冯博等研究了两种包覆工艺对HMX基含铝炸药燃烧能量的影响，发现包覆工艺直接影响HMX基含铝炸药微观状态，进而影响铝粉的反应率和燃烧能量[15]。封雪松等为了解决纳米铝粉在压装炸药中的应用问题，研究了不同制备工艺对含纳米铝粉炸药机械感度的影响[16]。目前，国内外对于采用溶剂悬浮法一步制备压装型含铝炸药的报道较少。本研究在传统悬浮法的基础上进行改进，采用无水乙醇作为悬浮介质，一步制得以HMX和三氨基三硝基苯(TATB)为主要成分的压装型含铝炸药，并对其机械感度、成型及力学性能等进行了研究，探索出压装型含铝炸药造型粉的制备新方法。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

HMX，平均粒径约40 μm，甘肃银光化学工业集团有限公司(国营805厂)生产；TATB，平均粒径约15 μm，中国工程物理研究院化工材料研究所生产；Al粉，平均粒径10 μm，广州宏武材料科技有限公司；乙酸乙酯，分析纯，成都联合化工试剂研究所；无水乙醇，分析纯，成都联合化工试剂研究所；氟橡胶粘结剂，中昊晨光化工研究院有限公司；石蜡，辽宁抚顺石化公司；蒸馏水，自制。

悬浮造粒装置，自制；场发射扫描电镜，德国卡尔蔡司 SIGMA HD；撞击感度仪，WL-1 型；摩擦感度仪，WM-1型；液压材料试验机，美特斯YAW-4605；万能材料试验机，INSTRON-5582。

1.2 样品制备

按照相同的物料配比，分别采用溶剂悬浮法和捏合挤出法制备含铝炸药，单次造型粉制备量均为100 g。溶剂悬浮法：首先将HMX、TATB、Al按照一定量的配比加入到无水乙醇中，在搅拌作用下形成炸药/无水乙醇溶剂悬浮液，将氟橡胶粘结剂溶液匀速滴加到炸药/无水乙醇溶剂悬浮液中，恒温搅拌并施加真空一段时间以驱除溶剂，冲蒸馏水分散，最后加入钝感剂石蜡，经过滤、洗涤、真空干燥等工序，得到含铝炸药造型粉，命名为PBX-A1，溶剂悬浮法制备含铝炸药的工艺流程如图1所示。捏合挤出法：将HMX、TATB、Al、粘结剂、钝感剂全部加入到乙酸乙酯溶剂中，搅拌混合，开启水浴加热并抽真空，待大部分乙酸乙酯挥发后，出料过筛，得到含铝炸药造型粉，命名为PBX-A2。

图1 溶剂悬浮法制备含铝炸药的工艺流程示意图

采用模压法将2种造型粉分别压制成φ20 mm×6 mm、φ20 mm×20 mm及φ25 mm×30 mm药柱，用于药柱密度、药柱力学性能及炸药爆热性能测试。

使用场发射扫描电镜表征2种工艺制备的含铝炸药造型粉颗粒包覆情况，并进行X射线能谱分析(EDS)。

1.3 力学性能测试

按照GJB772A—1997中方法418.1“压缩应力-应变曲线 电子引伸计法”，采用电子万能材料试验机对两种不同制备工艺获得的炸药进行压缩力学性能测试，每组测试2发。

采用巴西实验进行拉伸力学性能测试，巴西实验属于一种间接拉伸实验方法，测试结果与标准拉伸实验结果具有较好相关性，可作为同条件试样之间的平行比较。每组测试3发，取平均值。

按照GJB 772A—1997中方法601.1“撞击感度 爆炸概率法”和方法602.1“摩擦感度 爆炸概率法”对两种造粒工艺制备的含铝炸药造型粉进行感度测试。

按照GJB 772A—1997中方法701.1“爆热 恒温法和绝热法”对两种制备工艺获得的含铝炸药进行爆热测试，每组测试两发，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 含铝炸药形貌分析

从图2、图3两种方法制备的含铝炸药造型粉SEM图及EDS元素映射图可以看出，溶剂悬浮法制备的PBX-A1造型粉颗粒呈类球形，颗粒圆滑密实，粒径在(1～2)mm，具有很好的流散性，炸药及Al粉分布均匀，无Al粉团聚现象。而捏合挤出法制备的PBX-A2造型粉，形貌相对不规则，颗粒较为松散，炸药与Al粉分布较为均匀，但包覆不够密实。

结合成粒过程及图2、图3，分析造成上述差异的原因如下：溶剂悬浮法在造粒前期，其悬浮介质主要为无水乙醇，当加入氟橡胶粘结剂后，粘结剂将炸药与Al粉粘结在一起，后期用蒸馏水将溶剂置换，在搅拌和蒸馏水冲击下，形成颗粒，钝感剂石蜡加入后，均匀分布于造型粉表面，使颗粒更加密实。采用捏合挤出法造粒时，为保证制备过程的安全，需要将钝感剂与其他物料一起加入捏合机中。钝感剂混合在体系中甚至包覆在炸药晶体及Al粉的表面，导致粘结剂不能牢牢粘附在炸药与Al粉表面，致使颗粒松散。此外，捏合挤出法造粒时，是待乙酸乙酯挥发后，再通过挤压过筛方式造粒，因此造成颗粒形貌不规则，细小粉末较多。

图2 溶剂悬浮法制备的含铝炸药造型粉SEM图及EDS元素映射图

图3 捏合挤出法制备的含铝炸药造型粉SEM图及EDS元素映射图

2.2 炸药成型及力学性能

选用φ20 mm及φ25 mm模具对两种含铝炸药进行药柱压制，样品理论密度为2.025 g·cm-3，对比悬浮法和捏合挤出法制备的含铝炸药成型性能，结果见表1所示。PBX-A1造型粉的松装密度为0.84 g·cm-3，显著高于捏合挤出法制备的PBX-A2(0.65 g·cm-3)。

炸药药柱在压制成型过程中，主要涉及造型粉颗粒重排、破碎及空隙致密化等过程，从表1中可以看出，在相同压力下，捏合挤出法制备的PBX-A2药柱密度较PBX-A1略高。分析认为，PBX-A2造型粉的颗粒大小不均匀，小颗粒易填充于大颗粒中间，形成颗粒级配。而PBX-A1的造型粉颗粒品质良好，大小均匀，在压制过程中需要破碎重排才可以进行颗粒级配，因此PBX-A2的药柱成型密度略高。总体上看，两种方法制备的含铝炸药药柱成型密度均较高，满足使用要求。

表1 2种造型粉的压制成型条件及炸药成型性能参数

2种工艺制备的含铝炸药药柱实物照片如图4。从图4(a)可以看出，采用溶剂悬浮法制备的PBX-A1压制成型良好，药柱外观光滑均匀。而图4(b)采用捏合挤出法制备的PBX-A2药柱表面颜色不均匀。分析认为，PBX-A2造型粉外表面裸露的Al粉比PBX-A1多，药柱成型后Al粉暴露在药柱表面，从而造成表面颜色不均匀。溶剂悬浮法制备的造型粉由于粘结剂粘连效果好，Al粉被包裹在造型粉颗粒内部，因此成型药柱的表面外观均匀性好，这有利于炸药实现稳定的爆轰输出。

图4 2种含铝炸药的药柱照片

将PBX-A1和PBX-A2造型粉压制成密度相近的炸药件，进行力学压缩及力学拉伸性能测试，结果如表2所示。由表2结果可知，采用溶剂悬浮法制备的含铝炸药，其力学性能显著优于采用捏合法制备的同配方炸药。具体而言，2种炸药的压缩应变和压缩模量相当，但溶剂悬浮法制备的PBX-A1压缩强度较捏合法提升了2.16 MPa(11.6%)。与此同时，拉伸强度也提升了0.71 MPa(22.0%)，拉伸应变提升了50.8%，表明溶剂悬浮法对含铝炸药可起到良好的增强增韧作用。分析认为，溶剂悬浮法赋予了粘结剂和铝粉在炸药中的良好分布，因此HMX、TATB炸药和铝粉之间能形成良好的界面作用，从而导致力学性能的有效提升，这对于含铝炸药在存储、使用过程中的结构强度、安全性和可靠性均具有积极的意义。

表2 压缩及拉伸力学性能测试结果

2.3 炸药感度及爆热性能

对PBX-A1和PBX-A2两种造型粉进行撞击感度和摩擦感度测试，如表3所示。结果表明，采用捏合挤出法制备的炸药撞击感度和摩擦感度分别为12%和16%。而采用溶剂悬浮法制备的含铝炸药安全性能优异，撞击感度和摩擦感度均为0%，这是由于粘结剂和钝感剂石蜡在造粒过程中能够对炸药形成良好的包覆，因此安全性能显著提升，具有良好的实际应用价值。

表3 撞击及摩擦感度测试结果

结合SEM图、EDS图和表3可以看出，采用捏合法制备的含铝炸药由于颗粒较为松散，钝感剂包覆效果不明显，钝感剂石蜡未能良好包覆在造型粉颗粒外围，导致部分Al粉及HMX炸药可能处于裸露状态，因此降感效果较差。而采用悬浮法制备含铝炸药时，成粒效果好，钝感剂石蜡均匀分布于造型粉颗粒表面，在遇到外界机械刺激作用时，外层钝感剂起到极好的保护作用。

根据GJB772A—1997方法测试PBX-A1和PBX-A2药柱爆热，测试结果见表4所示。

表4 爆热测试结果

从表4可以看出，2种工艺制备的药柱爆热值相当，表明参加反应的Al粉含量相当。由此可以推断，溶剂悬浮法制备的PBX-A1中，Al粉表面在前期已被少量的粘结剂良好包覆并与后续加入的蒸馏水相隔离，因此在造粒过程中Al粉未与水发生反应，从而有效保持了Al粉的高活性。同时，该造粒过程不同于捏合挤出造粒，HMX炸药在制备过程中始终处于溶剂或水的液态保护下，使HMX避免了捏合过程中的强烈挤压、剪切、摩擦等外力作用，有效地保证了造型粉制备过程中的安全性，实用性良好。

3 结论

含铝炸药制备过程中使用无水乙醇作为悬浮介质，可有效避免Al粉与水发生反应，从而保持含铝炸药的优异爆轰性能。采用溶剂悬浮法，获得了颗粒大小均匀、流散性好、撞击感度及摩擦感度均为0%的含铝炸药造型粉。压制成型及力学实验结果表明，采用溶剂悬浮法制备的含铝炸药造型粉压制成型性能良好，药柱相对密度与捏合挤出法相当，且产品外观颜色均一，拉伸与压缩力学性能均有明显提升。该溶剂悬浮法还可用于其他炸药(如RDX、CL-20、TNT等)基含铝炸药造型粉的制备，工艺过程安全性好、所得产品状态均匀，具有重要的应用前景。