雷瑞琛, 田 亮
(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,山西 太原 030051)
端羥基聚丁二烯(HTPB)是一種透明度好、黏度低、耐油耐老化、低溫性能及加工性能良好的液體橡膠[1]。HTPB包覆于炸藥顆粒表面,減少了炸藥顆粒間的氣泡,固化后在粒子界面形成很強(qiáng)的抗拉撕裂層,起到了吸熱和隔熱的作用,從而減少了熱點(diǎn)的生成。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者將其普遍應(yīng)用于混合炸藥的黏合劑[2-4]。本文以 HTPB包覆RDX為例,采用2種常用包覆方法,即懸浮法和溶劑蒸發(fā)法,并通過(guò)性能實(shí)驗(yàn)分析了HTPB的含量以及工藝條件對(duì)包覆效果的影響。
HTPB與TDI的反應(yīng)機(jī)理[5]是羥基(—OH)和氰酸酯基(—NCO)反應(yīng)得到氨基甲酸酯(—HNCOO—)。HTPB鏈端的羥基與TDI的氰酸酯基交替反應(yīng),形成擴(kuò)鏈后的大分子鏈段,由于HTPB有一定量官能度≥3的分子,所以不加交聯(lián)劑(這里即固化劑TDI)也容易形成空間網(wǎng)絡(luò)分子結(jié)構(gòu)。HTPB包覆機(jī)理見(jiàn)第29頁(yè)式(1)~式(3)。
黏合劑端羥基聚丁二烯(HTPB),黏度6 150mPa·s,平 均 相 對(duì) 分 子 質(zhì) 量 2 700,羥 值0.77mmol/mg~0.82mmol/mg,山東淄博齊魯乙烯化工有限公司;環(huán)三亞甲基三硝胺(RDX),航天806所;四氯化碳試劑,天津富宇精細(xì)化工有限公司;乙酸乙酯試劑,天津富宇精細(xì)化工有限公司;甲苯二異氰酸酯(TDI),分析純,航天806所。
1)懸浮法:將HTPB溶于四氯化碳溶液中,在水浴條件下滴入混有RDX的無(wú)水乙醇中,加入TDI,攪拌均勻。冷卻、抽濾后放入烘箱烘干。懸浮法實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)第29頁(yè)表1。
2)溶劑蒸發(fā)法:向乙酸乙酯中依次加入HTPB、TDI和RDX,攪拌均勻后抽濾并烘干產(chǎn)物。溶劑蒸發(fā)法實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)第29頁(yè)表2。
根據(jù) GJB 772A-97方法601.3 12型工具法對(duì)2種方法包覆的RDX進(jìn)行撞擊感度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件:落錘質(zhì)量(2.500±0.002)kg;藥量(35±1)mg;實(shí)驗(yàn)室溫度10℃~35℃;實(shí)驗(yàn)室相對(duì)濕度≤80%。
表1 懸浮法實(shí)驗(yàn)條件
表2 溶劑蒸發(fā)法實(shí)驗(yàn)條件
9組實(shí)驗(yàn)為有2個(gè)變量的正交實(shí)驗(yàn)。其中,HTPB質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置3個(gè)數(shù)值,即5%、10%和15%;HTPB的四氯化碳溶液的滴加速度也設(shè)置3個(gè)數(shù)值,即1、2和3mL/min。9組實(shí)驗(yàn)得到的樣品經(jīng)過(guò)撞擊感度的性能實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)表3),由1、2、3組對(duì)比和4、5、6組對(duì)比以及7、8、9組對(duì)比可以看出,在滴加速度1mL/min~3mL/min時(shí),滴加速度對(duì)于最后的鈍感效果沒(méi)有明顯影響。由1、4、7組對(duì)比和2、5、8組對(duì)比以及3、6、9組對(duì)比可以看出,HTPB質(zhì)量分?jǐn)?shù)的從5%~15%變化,其包覆效果優(yōu)化,而且撞擊感度的爆炸百分率顯著減小,達(dá)到了理想的包覆效果。可見(jiàn),提高鈍感效果最直接有效的方法是提高HTPB在組分中所占的比例。
表3 懸浮法各組撞擊感度實(shí)驗(yàn)結(jié)果
6組實(shí)驗(yàn)為有2個(gè)變量的正交實(shí)驗(yàn)。其中,HTPB質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置3個(gè)數(shù)值,即5%、10%和15%;TDI的加入點(diǎn)設(shè)置2個(gè)過(guò)程,即與HTPB一起加入過(guò)程以及溶劑蒸發(fā)時(shí)加入過(guò)程。6組實(shí)驗(yàn)得到的樣品經(jīng)過(guò)撞擊感度性能實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)表4),由10、11組對(duì)比和12、13組對(duì)比以及14、15組對(duì)比表明,TDI與HTPB一起加入的過(guò)程得到的樣品包覆效果更好,而且在HTPB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和15%時(shí),采用TDI與HTPB一起加入的過(guò)程得到樣品的撞擊感度明顯減小,達(dá)到了理想的鈍感效果。這是由于,RDX表面的HTPB較為分散,且與RDX在此溶液體系中的界面吸附力不強(qiáng),加入TDI后,體系中的異氰酸酯基可以與少部分羥基反應(yīng)聚合,得到一些簡(jiǎn)單的體狀結(jié)構(gòu),使HTPB分子可以聚集起來(lái),從而使RDX周圍的HTPB較為緊密,吸附力變強(qiáng),達(dá)到了很好的包覆效果。而對(duì)于溶劑蒸發(fā)時(shí)加入TDI過(guò)程,一部分HTPB與RDX的吸附能力已變得很弱,此時(shí)加入TDI,即使產(chǎn)生了一部分體狀大分子,也很少較好地在RDX的表面上包覆。由10、12、14組對(duì)比可以看到,采用了TDI與HTPB一起加入過(guò)程的各組中,HTPB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和15%的2組包覆效果較好,而且撞擊感度顯著變小??梢?jiàn),采用TDI與HTPB一起加入過(guò)程,HTPB含量越多,包覆效果和鈍感效果越好。由11、13、15組對(duì)比可以看到,采用溶劑蒸發(fā)時(shí)加入HTPB過(guò)程,各組包覆效果均不理想,而且這3組的撞擊感度較大。由此可以認(rèn)為,當(dāng)采用TDI與HTPB一起加入過(guò)程時(shí),加大HTPB的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以使包覆效果和鈍感效果變好。因此,采用TDI的加入點(diǎn)是該方法包覆效果和鈍感效果優(yōu)劣的必要條件。
表4 溶劑蒸發(fā)法各組撞擊感度實(shí)驗(yàn)結(jié)果
采用懸浮法和溶劑蒸發(fā)法2種方法得出的產(chǎn)物雖然呈粉末狀,但均存在結(jié)塊現(xiàn)象。尤其是溶劑蒸發(fā)法,TDI與HTPB一起加入的過(guò)程所得產(chǎn)物結(jié)塊較多。HTPB與TDI同時(shí)加入體系時(shí),由于HTPB與RDX的吸附作用較為集中,此時(shí)加入TDI,雖然可以與HTPB反應(yīng)形成體狀大分子,很好地圍繞并吸附于RDX界面,但由于TDI周圍的HTPB較多,使一部分反應(yīng)“過(guò)頭”,形成的體狀分子太大,與過(guò)多RDX分子上的HTPB結(jié)合在一起,進(jìn)而使很多RDX分子連接在一起,從宏觀角度看有較多的結(jié)塊。溶劑蒸發(fā)時(shí)加入TDI過(guò)程得到的產(chǎn)物雖然包覆效果和撞擊感度不好,但是在加入TDI時(shí),已經(jīng)加入的HTPB的一部分被RDX分子吸附在表面,加入的TDI可以與HTPB固化發(fā)生反應(yīng),此時(shí)的TDI大多數(shù)處于 HTPB/RDX體系的外圍,因此,反應(yīng)形成的較大體狀分子少,一定程度上阻止了各個(gè)顆粒表面HTPB的相互黏結(jié),結(jié)塊現(xiàn)象較少。
通過(guò)HTPB的性質(zhì)確定適合的溶劑,選擇使用懸浮法和溶劑蒸發(fā)法來(lái)包覆RDX,研究改變工藝條件以及HTPB質(zhì)量后包覆產(chǎn)物的性能,得出以下結(jié)論:
1)懸浮法中HTPB所占比例的增大會(huì)顯著改善包覆效果,減小撞擊感度。
2)懸浮法中HTPB的四氯化碳溶液的滴加速度對(duì)包覆效果和撞擊感度無(wú)顯著影響。
3)溶劑蒸發(fā)法中采用TDI與HTPB一起加入的過(guò)程會(huì)明顯改善包覆效果。該過(guò)程可減小撞擊感度,但是結(jié)塊現(xiàn)象較明顯,且只有采取該過(guò)程的條件下使HTPB所占比例增大,才會(huì)顯著改善包覆效果,減小撞擊感度。
4)懸浮法選擇試劑較難,操作簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)周期短;溶劑蒸發(fā)法選擇試劑較簡(jiǎn)單,操作簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng),且產(chǎn)物結(jié)塊較多。
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