石騰飛，陳明華，閻建平

(1.軍械工程學院彈藥工程系，河北 石家莊 050003;2. 軍械技術(shù)研究所，河北 石家莊 050000;3. 北京軍事代表局，北京 102200)

RDX/Al/AP/HTPB炸藥中RDX浸取工藝的響應面優(yōu)化方法

石騰飛1，陳明華2，閻建平3

(1.軍械工程學院彈藥工程系，河北 石家莊 050003;2. 軍械技術(shù)研究所，河北 石家莊 050000;3. 北京軍事代表局，北京 102200)

為了優(yōu)化RDX/Al/AP/HTPB炸藥中浸取RDX的工藝，將響應面法(RSM)引入優(yōu)化工藝過程中，擬合出該工藝的浸取率模型，并分析了超聲功率、浸取時間、溫度、料液質(zhì)量比、浸取次數(shù)對浸取過程的影響。結(jié)果表明，以上實驗各因素均對RDX浸取率有顯著影響，交互影響隨著實驗水平值的增加而增加，二次回歸模型的擬合方程為：Y=91.99+7.81A+8.23B+3.49C+3.52D+4.21E-3.47AB-1.12AC-1.68AD-1.83AE-1.90BC-2.69BD-4.79BE-1.31CD-1.58CE-3.51DE-3.86A2-3.99B2+1.11C2-0.094D2-1.23E2。

炸藥；黑索金；RDX；浸??；響應面法；響應因子

引 言

隨著彈藥貯存時間的增加，大量RDX/Al/AP/HTPB炸藥將進入報廢期，RDX作為RDX/Al/AP/HTPB炸藥的一種主要組分，研究其分離浸取方法對含能材料的再利用有重要意義。國內(nèi)外對固體含能材料的分離回收主要采用溶劑萃取法[1-3]。高興勇等[4]研究了超臨界液氨在處理復合推進劑方面的應用；陳亞芳等[5]采用有機溶劑處理梯黑鋁炸藥，RDX回收率達到了90%；荊昌倫等[6-7]采用水懸浮煮洗工藝處理鈍化RDX，回收率達到了89.27%；王軍等[8]研究了復合推進劑中高氯酸銨的回收；孫國祥等[9]也研究了溶劑法在處理鈍化黑索金方面的應用。如何實現(xiàn)高效回收一直是研究重點。

響應面法是用于開發(fā)、改進和優(yōu)化的數(shù)學和統(tǒng)計方法[10]，彌補了正交試驗和均勻?qū)嶒灦疾荒軐嶒炓蛩厝鎯?yōu)化的不足[11]，現(xiàn)已廣泛應用于航空、化工等行業(yè)[12-14]，該方法具有實驗樣本少、周期短、精度高、可以研究各因素交互作用的優(yōu)勢[15]，利用此方法可以對復雜的實驗因素建立精確的預測模型[16]。

本研究利用超聲波從RDX/Al/AP/HTPB炸藥中浸取RDX，以RDX的浸取率為響應因子，通過Design Expert 軟件8.0對實驗數(shù)據(jù)進行分析，采用響應面法對RDX/Al/AP/HTPB炸藥中浸取RDX工藝進行優(yōu)化，擬合出該工藝的浸取率模型，并分析了各因素對浸取過程的影響。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

浸取AP后的RDX/Al/AP/HTPB炸藥，主要成分為RDX(質(zhì)量分數(shù)25%～30%)和Al粉(質(zhì)量分數(shù)60%～65%)；丙酮、石油醚，均為分析純，上海鴻順化工有限公司。

維斯特1024S標準單槽超聲波清洗機，青島維斯特科技有限公司；DU65型電熱油浴恒溫箱，上海實驗儀器廠有限公司。

1.2 實驗過程

用專用的濕法研磨工具將浸取AP后的RDX/Al/AP/HTPB炸藥研磨成粒徑均勻的細小顆粒(3.5×107～4.0×107nm)狀態(tài)。配制石油醚和丙酮體積比為2∶8的混合溶劑。

取一定量浸取AP后的RDX/Al/AP/HTPB炸藥置于三角瓶中，加入一定量的上述石油醚、丙酮混合溶劑，放入超聲波恒溫水浴槽中作用一段時間，抽濾后所得溶液進行蒸發(fā)結(jié)晶，用混合溶劑將RDX結(jié)晶提純。最后稱量所得RDX質(zhì)量并計算浸取率。

1.3 響應面分析因素水平的選取

采用Box-behnken中心組合模型設(shè)計實驗，使用Design Expert 8.0軟件進行響應面分析。因素水平編碼表見表1，由實驗結(jié)果得到RDX浸取率在68.25%～98.90%之間。

表1 因素水平編碼表

2 結(jié)果與討論

2.1 響應面統(tǒng)計分析

對實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。擬合出的二次回歸模型的擬合方程為：Y=91.99+7.81A+8.23B+3.49C+3.52D+4.21E-3.47AB-1.12AC-1.68AD-1.83AE-1.9BC-2.69BD-4.79BE-1.31CD-1.58CE-3.51DE-3.86A2-3.99B2+1.11C2-0.094D2-1.23E2，R2=0.9607，R2adj=0.9293，二次回歸模型(P<0.0001)顯著，說明未知因素對實驗的影響小，擬合結(jié)果相關(guān)度良好，此模型可以解釋92.93%的效應值變化，變異系數(shù)較低，擬合結(jié)果可以較好地反映RDX浸取率與超聲功率、浸取時間、溫度、料液質(zhì)量比和浸取次數(shù)的關(guān)系，因此可以用來預測RDX浸取率隨著各實驗因素變化的規(guī)律。

當實驗因素的P<0.05時，則此實驗因素影響顯著，否則不顯著。可知全部的一次項、交互項中BD、BE以及二次項中A、B為影響顯著的實驗因素。

表2 回歸模型方差分析

使用Design Expert 8.0軟件對回歸模型進行最大值優(yōu)化，由于多次浸取會增加工作量，根據(jù)減少浸取次數(shù)實際需求選取最優(yōu)解為(A,B,C,D,E)=(751.20,62.00,40.40,17.71,1.01)?？紤]到具體實施，選取最佳的操作條件為超聲功率750W，浸取時間60min，溫度40℃，料液質(zhì)量比1∶17，浸取次數(shù)1次。

2.2 響應面分析

超聲功率、浸取時間、溫度、料液質(zhì)量比和浸取次數(shù)之間的交互作用對RDX浸取率的影響如圖1和圖2所示。

圖1 各因素對RDX浸取率交互影響的等高線圖Fig.1 Contour plots showing the interactive influence of factors on RDX leaching rate

圖2 各因素對RDX浸取率交互影響的響應面圖Fig.2 Response surfaces showing the interactive influence of factors on RDX leaching rate

由圖1(a)和圖2(a)可得，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，RDX浸取率隨著超聲功率的增加而增加，到最大值后基本不變；超聲功率不變，RDX浸取率隨著浸取時間的增加而增加，到最大值后基本不變。超聲功率和浸取時間對RDX浸取率均有顯著影響。

由圖1(b)和圖2(b)可得，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，RDX浸取率隨著超聲功率的增加而增加，到最大值后基本不變；超聲功率不變，RDX浸取率隨著溫度的升高而增加，到最大值后基本不變。超聲功率對RDX浸取率有顯著影響，溫度對RDX浸取率的影響較超聲功率小。

由圖1(c)和圖2(c)可得，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，RDX浸取率隨著超聲功率的增加而增加，到最大值后基本不變；超聲功率不變，RDX浸取率隨著料液質(zhì)量比的增加而增加，到最大值后基本不變。超聲功率對RDX浸取率有顯著影響，料液質(zhì)量比對RDX浸取率的影響較超聲功率小。

由圖1(d)和圖2(d)可得，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，RDX浸取率隨著超聲功率的增加而增加，到最大值后基本不變；超聲功率不變，RDX浸取率隨著浸取次數(shù)的增加而增加，到最大值后基本不變。超聲功率對RDX浸取率有顯著影響，浸取次數(shù)對RDX浸取率的影響較超聲功率小。

由圖1(e)和圖2(e)可得，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，RDX浸取率隨著浸取時間的增加而增加，到最大值后基本不變；浸取時間不變，RDX浸取率隨著溫度的增加而增加，到最大值后基本不變。浸取時間對RDX浸取率有顯著影響，溫度對RDX浸取率的影響較浸取時間小。

由圖1(f)和圖2(f)可得，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，RDX浸取率隨著浸取時間的增加而增加，到最大值后基本不變；浸取時間不變，RDX浸取率隨著料液質(zhì)量比的增加而增加，到最大值后基本不變。浸取時間對RDX浸取率有顯著影響，料液質(zhì)量比對RDX浸取率的影響較浸取時間小。

由圖1(g)和圖2(g)可得，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，RDX浸取率隨著浸取時間的增加而增加，到最大值后基本不變；浸取時間不變，RDX浸取率隨著浸取次數(shù)的增加而增加，到最大值后基本不變。兩個實驗因素對RDX浸取率均有顯著影響。

由圖1(h)和圖2(h)可得，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，RDX浸取率隨著溫度的增加而增加，到最大值后基本不變；溫度不變，RDX浸取率隨著料液質(zhì)量比的增加而增加，到最大值后基本不變。料液質(zhì)量比和溫度均對RDX浸取率有顯著影響。

由圖1(i)和圖2(i)可得，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，RDX浸取率隨著溫度的增加而增加，到最大值后基本不變；溫度不變，RDX浸取率隨著浸取次數(shù)的增加而增加，到最大值后基本不變。浸取次數(shù)對RDX浸取率有顯著影響，溫度對RDX浸取率的影響較浸取時間小。

由圖1(j)和圖2(j)可得，在實驗參數(shù)范圍內(nèi)，RDX浸取率隨著料液質(zhì)量比的增加而增加，到最大值后基本不變；料液質(zhì)量比不變，RDX浸取率隨著浸取次數(shù)的增加而增加，到最大值后基本不變。浸取次數(shù)對RDX浸取率有顯著影響，溫度對RDX浸取率的影響較浸取時間??；當浸取次數(shù)和料液質(zhì)量比較高后，兩者之間的交互影響發(fā)生較大變化。

2.3 最優(yōu)工藝驗證

重復實驗過程，驗證最優(yōu)工藝，結(jié)果見表3。

表3 驗證實驗結(jié)果

由表3可知，響應面優(yōu)化法得出的預測模型可以準確預測RDX浸取率。

3 結(jié) 論

(1)采用響應面法優(yōu)化RDX浸取工藝，擬合出的RDX浸取率的回歸模型可以準確預測出RDX的浸取率。

(2)選取最佳的操作條件為：超聲功率750W，浸取時間60min，溫度40℃，料液質(zhì)量比1∶17，浸取次數(shù)1次。

(3)實驗各因素均對RDX浸取有顯著影響，并且RDX浸取率隨著實驗因素水平值的增加而增加。

[1] 王軍，藺向陽，潘仁明. 廢棄復合推進劑組分提取與資源化利用[J]. 材料導報, 2011, 25(23): 69-72.

WANG Jun, LIN Xiang-yang, PAN Ren-ming. Recycling component and utilization of waste composite propellant[J]. Materials Review, 2011, 25(23): 69-72.

[2] Jakub Hodul, Boena Dohnálková, Rostislav Drochytka. Solidification of hazardous waste with the aim of material utilization of solidification products[J]. Procedia Engineering, 2015, 35(9): 89-92.

[3] 李靜海. 廢棄導彈火工品中火炸藥的處理與提取再利用探討[J]. 國防技術(shù)基礎(chǔ), 2007, 8(6): 49-52.

LI Jing-hai. Research on utilization of explosive in abandoned missile initiating explosive device[J]. National Defense Technology Base, 2007, 8(6): 49-52.

[4] 高興勇，鞏永校，杜仕國，等. 用臨界液萃取技術(shù)處理復合固體推進劑的工藝研究[J]. 火炸藥學報，2001, 24(1): 49-53.

GAO Xing-yong, GONG Yong-xiao, DU Shi-guo, et al. Process study on disposal solid composite propellant in applying critical fluid extraction technology[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2001, 24(1): 49-51.

[5] 陳亞芳, 王保國, 張景林, 等. 廢舊梯黑鋁混合炸藥中RDX的提取和表征[J]. 火炸藥學報, 2012, 35(4): 23-25.

CHEN Ya-fang, WANG Bao-guo, ZHANG Jing-lin, et al. Rcovery and characterization of RDX from discarded or obsolete TNT-RDX-Al explosives[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2012, 35(4): 23-25.

[6] 荊昌倫, 徐復銘. 過期鈍化RDX的再利用研究[J]. 爆破器材, 2008, 37(1): 4-5.

JING Chang-lun, XU Fu-ming. Research on utilization of over shelf life desensitizing RDX[J]. Explosive Materials, 2008, 37(1): 4-5.

[7] 荊昌倫, 徐復銘, 侯勇, 等. 過期鈍化RDX的水懸浮煮洗分離[J]. 火炸藥學報, 2008, 31(1): 23-25.

JING Chang-lun, XU Fu-ming, HOU Yong, et al. Separation of desensitizing RDX of over shelf life with boiling wash in aquous suspension[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2008, 31(1): 23-25.

[8] 王軍, 藺向陽, 潘仁明. 從復合固體推進劑中浸取高氯酸銨的動力學過程[J]. 火炸藥學報, 2011, 34(4): 70-74.

WANG Jun, LIN Xiang-yang,PAN Ren-ming. Dynamic process of ammonium perchlorate leached from composite solid propellant[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2011, 34(4): 70-74.

[9] 孫國祥, 蔡杵杵, 任汾香. 廢鈍化黑索金的回收和利用[J]. 火炸藥學報, 2002,25(4): 40-43.

SUN Guo-xiang, CAI Chu-chu, REN Fen-xiang. Recycle and utilization of waste passivation RDX[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2002,25(4): 40-43.

[10] 童洋, 肖國民, 潘曉梅. 響應面法優(yōu)化螺旋藻中葉綠素的超聲浸取工藝[J]. 化工學報, 2009, 60(11): 2813-2819.

TONG Yang, XIAO Guo-min, PAN Xiao-mei. Optimization of ultrasonic extraction of chlorophylls from spirulina platensis by response surface methodology[J]. CIESC Journal, 2009, 60(11): 2813-2819.

[11] Myers R H, Montgomery D C. Response surface methodology[J]. Journal of Environmental Sciences, 1995, 35(14): 134-137.

[12] 余小翠, 劉高峰. 響應面分析法在中藥提取和制備工藝中的應用[J]. 中藥材, 2010, 33(10): 1651-1655.

YU Xiao-cui, LIU Gao-feng. Application of response surface methodology in chinese medicine extraction and preparation[J]. Journal of Chinese Medicinal Materials, 2010, 33(10): 1651-1655.

[13] 王永菲, 王成國. 響應面法的理論與應用[J]. 中央民族大學學報(自然科學版), 2005, 14(3): 236-240.

WANG Yong-fei, WANG Cheng-guo. The application of response surface methodology[J]. Journal of the CUN(Natural Sciences Edition), 2005, 14(3): 236-240.

[14] Myers R H. Response surface methodology-current status and future directions[J]. Journal of Quality Technology, 1999, 31(1):356-360.

[15] Macrcos A B, Ricardo E S, Eliane P O,et al. Response surface methodology (RSM)as a tool for optimization in analytical chemistry[J] . Antalanta, 2008, 76 (34):965-977.

[16] Cai Hong-wang, Ai Shu-wei, Hao Wu, et al. Application of response surface methodology to the chemical cleaning process of ultrafiltration membrane[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2016, 24(12): 651-657.

Response Surface Optimization Method of the Process of Leaching RDX from RDX/Al/AP/HTPB Explosive

SHI Teng-fei1,CHEN Ming-hua2, YAN Jian-ping3

(1.Mechanical Engineering College,Shijiazhuang 050003, China;2. Mechanical Technology Research Institute, Shijiazhuang 050003, China；3. Beingjing Military Representative Office, Beingjing 102200, China)

To optimize the process of leaching RDX from RDX/Al/AP/HTPB explosive, the response surface method (RSM) was introduced in the optimization process, the leaching rate model of the process was fitted and the influence of ultrasonic power, leaching time, temperature, solid-liquid mass ratio and leaching frequency on the leaching process was analyzed. The results show that the above-mentioned factors have significant influence on the leaching rate of RDX, and the interactive influence increases with the increase of experiment level value. The fitting equation of quadratic regression model is determined asY=91.99+7.81A+8.23B+3.49C+3.52D+4.21E-3.47AB-1.12AC-1.68AD-1.83AE-1.90BC-2.69BD-4.79BE-1.31CD-1.58CE-3.51DE-3.86A2-3.99B2+1.11C2-0.094D2-1.23E2.

explosive; RDX; leaching; response surface method; response factor

2017-03-09；

2017-04-24

石騰飛(1993-)，男，碩士研究生，從事含能材料的分離回收研究。E-mail：1724607911@qq.com

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.019

TJ55;TQ016.1

A

1007-7812(2017)06-0113-06