饒譜文 衛(wèi)延安 武洪增 劉慶偉

①南京理工大學(xué)化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

②河南省豫冠安全發(fā)展有限公司(河南鄭州，450003)

引言

高氯酸銨(AP)是一種常用的強(qiáng)氧化劑[1]。 AP具有高正氧平衡、與其他推進(jìn)劑組分兼容等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于固體推進(jìn)劑，通常占固體推進(jìn)劑質(zhì)量的60%～90%。 高燃速推進(jìn)劑已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際上AP 發(fā)展的主要方向之一。 任何AP 的改性都會(huì)直接影響到固體推進(jìn)劑的性能，尤其是AP 的比表面積與推進(jìn)劑的燃速有著密切的關(guān)系[2-3]。

研究表明，AP 的粒徑越小，以AP 作為氧化劑的固體推進(jìn)劑的燃速越大[4-6]。 主要原因是AP 的粒度越小，比表面積就越大，在單位時(shí)間內(nèi)釋放的能量就越高；從而使推進(jìn)劑燃速增大。 但隨著粒度的減小，顆粒之間的團(tuán)聚現(xiàn)象也會(huì)更嚴(yán)重；影響推進(jìn)劑的燃燒性能[7]。 因此，有學(xué)者[8]想到了使用具有多孔結(jié)構(gòu)的AP 來(lái)代替一部分超細(xì)AP，使固體推進(jìn)劑燃速增加。

本文中，首次采用膨化的方法來(lái)制備具有多孔結(jié)構(gòu)的AP。 膨化AP 工藝是在膨化劑作用下，在一定的溫度及真空度下，對(duì)一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的AP 溶液進(jìn)行減壓蒸發(fā)、強(qiáng)制結(jié)晶。 采用十二烷基苯磺酸鈉作為膨化劑，旋蒸蒸發(fā)溫度為85 ℃，真空度為0.09 MPa，成功制備出具有孔洞結(jié)構(gòu)的膨化AP。

1 膨化AP 的制備

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

試劑:普通工業(yè)級(jí)(原料)AP(D50＝170 μm)，大連高氯酸鉀廠；十二烷基苯磺酸鈉(膨化劑)，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，純度為85.0%；納米氧化銅，40 nm，南京挽晴化玻儀器有限公司，純度為99.5%。

主要實(shí)驗(yàn)儀器見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器Tab.1 Experimental and testing equipments

1.2 制備方法

將10 g 原料AP 溶解于40 mL 蒸餾水中，配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)20% 的AP 溶液。 加入占溶液質(zhì)量0.1%的十二烷基苯磺酸鈉作為膨化劑，將溶液放置超聲清洗(分散)儀中進(jìn)行超聲溶解，待溶質(zhì)完全溶解后，將溶液轉(zhuǎn)移至燒瓶中。 設(shè)置水浴鍋溫度為70℃，然后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行減壓蒸餾1.5 h。 最后，在真空干燥箱中經(jīng)過(guò)70 ℃真空干燥得到膨化AP 產(chǎn)品。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

采用傅里葉紅外光譜儀對(duì)原料AP 及膨化AP進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1 所示。

由圖1可知，原料AP與膨化AP譜圖都明顯存在AP 的特征吸收峰，即3 276.947、1 409.227、1 035.104、619.038 cm-1處，其分別屬于N—H 的伸縮振動(dòng)特征吸收峰、N—H 的彎曲振動(dòng)特征吸收峰、ClO-4的特征吸收峰及O—H 的彎曲振動(dòng)特征吸收峰。 原料AP 與膨化AP 的紅外光譜一致，說(shuō)明膨化處理并沒(méi)有改變AP 的化學(xué)結(jié)構(gòu)，膨化AP 純度較高。 膨化劑十二烷基苯磺酸鈉與AP 在膨化過(guò)程中未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，兩者具有較好的相容性。

圖1 原料AP 和膨化AP 紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectrum of raw material AP and expanded AP

2.2 粒度分析

采用激光粒度儀分別測(cè)定膨化AP 及原料AP的粒徑，結(jié)果如表2 所示。 由表2 數(shù)據(jù)分析可知，膨化AP 的粒徑小于原料AP，其平均D50為22. 559 μm；膨化AP 粒徑分布區(qū)間變窄，說(shuō)明膨化AP 的粒徑分布集中。 主要原因是，晶體的生成主要分為生成晶核和晶核成長(zhǎng)。 膨化AP 在真空條件下強(qiáng)制析晶，晶核生成推動(dòng)力較大，生成量多，晶核成長(zhǎng)時(shí)間較短；因此，生成的膨化AP 粒徑較小，且粒徑分布寬度窄。

表2 原料AP 和膨化AP 的粒度Tab.2 Particle size of raw material AP and expanded AP μm

2.3 掃描電鏡分析

原料AP 和膨化AP 的掃描電鏡圖片見(jiàn)圖2。

由圖2 可知，原料AP 顆粒表面光滑，類似球形，分布不均；而膨化AP 表面有溝壑，內(nèi)部有孔洞結(jié)構(gòu)，可以增加其比表面積，從而提高燃速。

分析膨化AP 具有此形貌的原因:加入膨化劑(十二烷基苯磺酸鈉)以降低溶液表面張力，然后在適當(dāng)?shù)臏囟群驼婵斩认拢谷芤哼_(dá)到沸騰狀態(tài)，產(chǎn)生大量相對(duì)穩(wěn)定的氣泡。 隨著真空度的升高，當(dāng)真空度達(dá)到氣泡破碎的極限值時(shí)，氣泡破裂，水蒸氣快速蒸發(fā)，水分子在短時(shí)間內(nèi)逸出，AP 溶液由不飽和狀態(tài)到飽和狀態(tài)，最后到過(guò)飽和狀態(tài)，使AP 晶體快速析出。 當(dāng)AP 結(jié)晶析出之后，體系進(jìn)入干燥狀態(tài)。在干燥階段，首先顆粒表面的水分蒸發(fā)，使AP 顆粒表面再次結(jié)晶；由于表面水分子蒸發(fā)，與顆粒內(nèi)部存在水濃度梯度，顆粒內(nèi)部水分子向外遷移，使顆粒內(nèi)部發(fā)生體積收縮，導(dǎo)致顆粒內(nèi)部形成孔洞。 在圖2(b)中，膨化AP 表面溝壑是在體系結(jié)晶過(guò)程中出現(xiàn)的，而孔洞則是在真空干燥過(guò)程中形成的。 由此可見(jiàn)，膨化方法可以制備表面有溝壑、內(nèi)部有孔洞結(jié)構(gòu)的膨化AP。

圖2 原料AP 及膨化AP 掃描電鏡圖( ×1 000)Fig.2 Scanning electron micrograph of raw material AP and expanded AP ( ×1 000)

2.4 比表面積分析

采用比表面積測(cè)試儀測(cè)定同粒徑原料AP 及膨化AP 的比表面積，結(jié)果如表3 所示。 由表3 數(shù)據(jù)可知，相比于同粒徑原料AP，膨化AP 比表面積增大92.2%。 主要原因是膨化AP 表面不規(guī)則，內(nèi)部具有孔洞結(jié)構(gòu)，因此比表面積增大。

表3 原料AP 及膨化AP 的比表面積Tab.3 Specific surface area of raw AP and expanded AP

2.5 吸濕性的測(cè)定

在恒溫、恒濕條件下測(cè)定原料AP 及膨化AP 的吸濕性。 測(cè)定條件:溫度25 ℃，相對(duì)濕度60%，常壓。 測(cè)試時(shí)稱取相同質(zhì)量的樣品，每隔一段時(shí)間稱取樣品質(zhì)量，根據(jù)公式計(jì)算樣品吸濕率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。 由表4 可知，膨化AP在48 h 吸濕率為0.59%，高于原料AP。 主要原因是膨化AP 表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比表面積大，表面更容易潤(rùn)濕。 十二烷基苯磺酸鈉作為膨化劑有一定的防吸濕能力，但由于膨化劑量少，防吸濕能力有限；與原料AP 相比較，膨化AP 總體表現(xiàn)出吸濕性增大。

表4 原料AP 及膨化AP 的吸濕率Tab.4 Moisture absorption rate of raw material AP and expanded AP%

2.6 撞擊感度分析

利用《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書(shū)——試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》中的德國(guó)BAM 撞擊感度儀進(jìn)行臨界撞擊能量實(shí)驗(yàn)，測(cè)定膨化AP 的極限撞擊能。 極限撞擊能定義為:在至少6 次實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果至少有一次結(jié)果為爆炸的最低撞擊能。 使用的撞擊能為落錘的質(zhì)量與落錘高度的乘積。 極限撞擊能越低，樣品撞擊感度越高。 可將實(shí)驗(yàn)結(jié)果分為無(wú)反應(yīng)和爆炸。本次實(shí)驗(yàn)落錘質(zhì)量均為5 kg，溫度25 ℃。

表5 原料AP 及膨化AP 的臨界撞擊能量Tab.5 Critical impact energy of raw material AP and expanded AP

由表5 可知，在落錘為5 kg 條件下，膨化AP 在20 cm 落錘時(shí)產(chǎn)生爆炸，在15 cm 落錘時(shí)并未發(fā)生爆炸，膨化AP 的極限撞擊能Ec為10 J，與極限撞擊能為20 J 的原料AP 相比，膨化AP 撞擊感度升高。

由于膨化是在表面活性劑條件下進(jìn)行的發(fā)泡強(qiáng)制析晶的物理化學(xué)過(guò)程，膨化AP 內(nèi)部含有孔洞，顆粒表面具有溝壑；當(dāng)受到外界強(qiáng)力撞擊時(shí)，這些孔洞或溝壑就可能形成高溫、高壓的熱點(diǎn)，發(fā)生爆炸。 相比于原料AP，膨化AP 容易形成更多熱點(diǎn)。 根據(jù)熱點(diǎn)理論[9]，膨化AP 感度升高。

2.7 熱分析

采用差示掃描量熱儀(DSC)及熱失重分析儀(TG)分析了原料AP 及膨化AP 的熱分解性能。 測(cè)試條件均為:樣品質(zhì)量0.6 mg，N2氣氛，N2流速為20 mL/min，升溫速率為20 ℃/min，溫度為50～500℃。 原料AP 及膨化AP 的DSC 結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 原料AP 及膨化AP 的DSC 曲線Fig.3 DSC curves of raw material AP and expanded AP

由圖3 可知，原料AP 及膨化AP 的熱分解曲線均有3 個(gè)特征峰，與文獻(xiàn)[10-11]一致。 第1 個(gè)峰為吸熱峰，表示在該溫度下AP 由斜方晶轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄?，為吸熱過(guò)程。 第2 個(gè)峰與第3 個(gè)峰分別為AP的低溫分解與高溫分解溫度，均為放熱峰。 原料AP晶型轉(zhuǎn)變溫度為248.75 ℃，低溫分解峰為312.36℃，高溫分解峰為416.46 ℃。 AP 膨化后，晶型轉(zhuǎn)變溫度無(wú)明顯變化；低溫分解峰延后至328.33 ℃，提高了16.0 ℃；高溫分解峰延后至423.12 ℃，提高了6.7 ℃。

其中，膨化AP 總分解熱為897.9 J/g，原料AP的分解熱為575.6 J/g。 與原料AP 相比，膨化AP的分解熱提高了322.3 J/g。

AP 熱失重分析如圖4 所示。 由圖4 可知，AP有兩個(gè)失重階段，分別對(duì)應(yīng)低溫分解與高溫分解。其中，膨化AP 的最大失重峰高于原料AP，與DSC曲線一致。 分解峰峰溫滯后的主要原因是，十二烷基苯磺酸鈉分解溫度為450 ℃，對(duì)AP 的分解有一定的抑制作用，導(dǎo)致分解峰峰溫升高。

2.8 燃速的測(cè)定

燃速是固體推進(jìn)劑極為重要的參數(shù)，一般分為線性燃速和質(zhì)量燃速。 目前常用線性燃速表示，定義為單位時(shí)間內(nèi)沿火焰燃燒表面法線方向固體消失的距離。 采用美國(guó)菲力爾公司生產(chǎn)的SC7000 型遠(yuǎn)紅外熱像儀測(cè)定推進(jìn)劑的燃燒時(shí)間，使用Altair 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

AP/HTPB 復(fù)合推進(jìn)劑主要由AP、HTPB、固化劑(甲苯二異氰酸酯)、稀釋劑(葵二酸二辛酯)組成，各組分質(zhì)量比為80∶13∶5∶2。 將各組分原料均勻混合后，在50 ℃水浴干燥箱中固化7 d，固化后進(jìn)行燃速測(cè)定。 其他組分含量不變，僅對(duì)比膨化AP與同粒度的原料AP。測(cè)定條件為常溫(25 ℃)、常壓(0.1 MPa)，紅外攝影儀為50 幀/s，每組做4 次平行實(shí)驗(yàn)，燃速取平均值。 推進(jìn)劑藥柱長(zhǎng)度均為12 mm。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

圖4 原料AP 及膨化AP 的TG-DTG 曲線Fig.4 Thermal weight loss analysis curves of raw material AP and expanded AP

表6 不同AP/HTPB 復(fù)合推進(jìn)劑的燃速Tab.6 Burning rate of different AP/HTPB composite propellants

由表6 可知，膨化AP/HTPB 復(fù)合推進(jìn)劑平均燃速為1.344 mm/s，同粒度的原料AP/HTPB 推進(jìn)劑燃速為1.291 mm/s。 膨化AP 推進(jìn)劑的燃速提高4.1%。 主要原因是，推進(jìn)劑燃速與比表面積有關(guān)；比表面積越大，燃速越高。

3 結(jié)論

1)通過(guò)膨化的方法成功制備出表面具有溝壑、內(nèi)部具有孔洞結(jié)構(gòu)的膨化AP。 膨化AP 粒徑D50＝22.559 μm。 相比于原料AP，膨化AP 粒徑較小，粒徑分布寬度窄。

2)相比于原料AP，膨化AP 高溫分解峰溫度延后6.7 ℃，低溫分解峰延后16.0 ℃，分解熱提高了322.3 J/g。 比表面積增大92.2%，吸濕性增大。

3)對(duì)膨化AP 進(jìn)行感度測(cè)試及燃燒性能測(cè)試。與同粒徑原料AP 相比，膨化AP 感度增加。 測(cè)定AP/HTPB 復(fù)合推進(jìn)劑燃速，相比于同粒徑原料AP，膨化AP 制備的復(fù)合推進(jìn)劑燃速提升了4.1%。