王 鵬，張?zhí)旄?，李忠友，趙新巖，程 迪，高 揚(yáng)

(航天化學(xué)動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽(yáng) 441003)

澆注型高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)因其良好低易損性能，對(duì)子彈、火焰及破片等多種刺激不敏感，且在貯存、使用及運(yùn)輸過(guò)程中安全可靠，成為鈍感彈藥發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，目前已廣泛應(yīng)用于歐美國(guó)家各類武器戰(zhàn)斗部裝藥[1-3]。

澆注PBX的常用惰性粘結(jié)劑為端羥基聚丁二烯(HTPB)。為了提高澆注混合炸藥的爆炸威力，其固體含量通常高達(dá)85%～91%。目前降低澆注炸藥粘度的常用方法有2種：一種方法是使用低分子量、低粘度的HTPB；另一種方法是適當(dāng)增加增塑劑的含量，通過(guò)提高增塑比達(dá)到降低藥漿粘度的目的[4]。增塑劑不僅能有效增加藥漿可塑性及流動(dòng)性，改善裝藥工藝性能，而且能有效提高混合炸藥的安全性能[5]。國(guó)內(nèi)外常用的增塑劑為己二酸二辛酯(DOA)或癸二酸二辛酯(DOS)，這類耐寒型增塑劑的粘度低，但當(dāng)該類增塑劑含量較高時(shí)容易發(fā)生遷移，致使PBX的滲油率增加及力學(xué)強(qiáng)度降低，因此在實(shí)際使用時(shí)需控制該類增塑劑在混合炸藥中的含量[6-7]。同時(shí)，該類脂肪族二元酸酯類增塑劑對(duì)ε-CL-20 具有溶解性，能促進(jìn)其晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變[8]。

研究新型的耐遷移且能降低澆注PBX粘度的增塑劑具有重要的應(yīng)用價(jià)值。美國(guó)在含90% CL-20的DLE-C038炸藥中采用新型增塑劑PL1，與增塑劑己二酸二辛脂(DOA)、異壬酸異癸酯(IDP)相比，該增塑劑對(duì)CL-20無(wú)溶解性，且顯著降低了炸藥的粘度[9-10]。法國(guó)研究人員采用一種P0增塑劑，獲得了工藝性能良好的含91%固含量的CL-20基澆注炸藥[11]。張俊等[12]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于HTPB基澆注PBX，不同增塑劑優(yōu)劣次序依次為IDP>DOA>DOS。歐亞鵬[13]設(shè)計(jì)了一種復(fù)合增塑劑AI，降低了澆注PBX 藥漿黏度，提高了固相含量，同時(shí)降低了PBX的滲油性。本研究采用了2種新型非酯類惰性增塑劑NP、KA，以常用增塑劑DOS為參照物，對(duì)比分析了3種不同增塑劑對(duì)HTPB的增塑效果，并在RDX/HTPB基澆注炸藥配方中進(jìn)行了初步的應(yīng)用分析，旨在為高固體含量澆注PBX的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和儀器

黑索今(RDX)，工業(yè)級(jí)，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；鋁粉(Al)，F(xiàn)LQT3，鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；端羥基聚丁二烯(HTPB)，工業(yè)級(jí)，Ⅲ型，黎明化工研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司；癸二酸二辛酯(DOS)，工業(yè)級(jí)，營(yíng)口天元化工研究所股份有限公司；異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，工業(yè)級(jí)，德國(guó)拜耳公司；NP、KA，湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所自制。

ARES-G2 高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀，美國(guó)TA公司；DMA2980 動(dòng)態(tài)粘彈譜儀，美國(guó)TA公司；DSC-Q 2000 型差示掃描量熱儀，美國(guó) TA 公司；電子天平，分度值 0.01 mg，瑞士梅特勒多利公司；KVM-5型捏合機(jī)及控制系統(tǒng)，湖北航鵬化學(xué)動(dòng)力有限公司。INSTRON-5567材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)INSTRON公司。VT550粘度計(jì)，德國(guó)哈克公司；WM-1型摩擦感度測(cè)試儀、WL-1 型撞擊感度測(cè)試儀，湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所。

1.2 試樣制備

將HTPB、DOS或NP、KA等增塑劑按配比預(yù)混，加入少量固化催化劑TPB，于70 ℃烘箱加熱2 h，確保流動(dòng)性好且混合均勻，然后按比例加入固化劑IPDI攪拌均勻，真空去除氣泡，澆入聚四氟乙烯模具內(nèi)，置于60 ℃烘箱固化7 d得到厚度為3 mm 左右的膠片，取出放入干燥器中待測(cè)。

澆注PBX的主要固體組成為RDX/Al=70/20，粘結(jié)劑為HTPB。具體制備工藝如下：按配方組成稱取各類原材料，首先將Al粉與稀漿進(jìn)行預(yù)混，再分3次將RDX加入至VKM-5立式混合機(jī)機(jī)中，充分混合均勻，混合溫度60 ℃；然后加入IPDI繼續(xù)混合；最后將混合完畢的物料采用真空澆注工藝澆注在特制模具中，置于60 ℃烘箱固化7 d得到PBX方坯。

1.3 測(cè)試表征

采用ARES-G2高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀，增塑劑及混合膠液的粘度測(cè)試均選取直徑50 mm的上椎板下平行板，間隙0.04 mm，步階剪切速率為35 s-1。

采用INSTRON-5567材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試啞鈴型丁羥膠片及RDX基澆注PBX炸藥的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和定伸模量，常溫20 ℃的拉伸速率為100 mm/min。

采用DMA 2980 型動(dòng)態(tài)力學(xué)儀測(cè)試丁羥膠片的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，拉伸模式，頻率為1 Hz，溫度范圍-90 ℃～70 ℃，升溫速率5 ℃/min。

按照GJB 772A對(duì)固化后的炸藥藥粒機(jī)械感度進(jìn)行分析，撞擊感度的測(cè)試條件為錘重10 kg，落高25 cm，摩擦感度的測(cè)試條件為表壓3.92 MPa，擺角90°，得到炸藥藥粒發(fā)生爆炸的百分?jǐn)?shù)。

按照GJB 772A—1997 702.1電測(cè)法進(jìn)行爆速測(cè)試，藥柱尺寸Ф30 mm×30 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同增塑劑對(duì)HTPB的增塑效果

對(duì)3種不同增塑劑的密度、粘度、熱分解特性等基本性能進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果見表1、圖1。其中NP、KA均為非酯類液體，外觀無(wú)色。

表1結(jié)果表明，3種增塑劑的密度基本相當(dāng)，均為0.90 g/cm3左右。DOS的粘度最低，流動(dòng)性最好，非酯類增塑劑NP、KA的粘度較高，分別約為DOS的3.0、8.3倍。DOS的熱分解呈放熱特性，峰溫為265.73 ℃，增塑劑NP、KA的熱分解均為吸熱特性，峰溫分別為249.50 ℃、287.16 ℃。

表1 不同增塑劑的基本性能

圖1 不同增塑劑的DSC曲線

對(duì)采用不同增塑劑制備的丁羥膠片常溫抗拉強(qiáng)度、玻璃化溫度(DMA分析)進(jìn)行了測(cè)試，其中增塑劑與HTPB的質(zhì)量比為1∶1，結(jié)果見表2。

表2 不同丁羥膠片的抗拉強(qiáng)度及玻璃化溫度

表2結(jié)果表明，采用3種不同增塑劑制備的HTPB基聚氨酯膠片玻璃化溫度均低于-60 ℃，保證了聚氨酯彈性體具有良好低溫力學(xué)性能。

與空白試樣J-1相比，添加增塑劑后，不同聚氨酯膠片的最大延伸率均顯著提高，膠片的抗拉強(qiáng)度及彈性模量均降低，這與增塑劑的作用效果相一致。J-3、J-4膠片的最大抗拉強(qiáng)度均高于J-2，延伸率略低于J-2。這表明，與常用增塑劑DOS相比，2種新型增塑劑NP、KA對(duì)HTPB的增塑效果良好。

2.2 不同增塑劑對(duì)HTPB粘度的影響

研究了含3種不同增塑劑的丁羥混合膠液表觀粘度隨溫度的變化關(guān)系，結(jié)果見圖2。

圖2 不同丁羥膠液的粘度隨溫度變化曲線

由圖2可知，相同溫度下，不同增塑劑與HTPB 的共混物中HTPB/DOS 共混物粘度最小，HTPB/KA共混物粘度最高。增塑劑本體的粘度越低，HTPB與增塑劑的混合膠液粘度也越低。不同增塑劑/HTPB 共混體系粘度變化與溫度的關(guān)系呈現(xiàn)出一致規(guī)律，溫度越高，整個(gè)共混體系的粘度越低。20～40 ℃之間共混體系的粘度降低幅度較大，40～60 ℃之間粘度下降變緩。

HTPB分子鏈作為一個(gè)整體發(fā)生質(zhì)心相對(duì)運(yùn)動(dòng)，分子鏈之間發(fā)生相對(duì)位移，HTPB 分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈依賴于溫度高低，隨著溫度升高，熱膨脹導(dǎo)致空間增大，各運(yùn)動(dòng)單元熱運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，松弛時(shí)間縮短，從而導(dǎo)致體系粘度降低。另一方面，HTPB與增塑劑形成共混體系時(shí)，小分子增塑劑介入 HTPB 大分子鏈間，增大了分子間間距，體系自由體積增加，降低了 HTPB 分子間的相互作用，運(yùn)動(dòng)時(shí)所需克服的摩擦阻力降低，增加了 HTPB 分子自由運(yùn)動(dòng)，從而使整個(gè)共混體系流動(dòng)粘度降低[14]。

2.3 增塑劑在RDX基澆注PBX中的應(yīng)用情況

2.3.1 增塑劑對(duì)炸藥工藝性能的影響

固定炸藥配方的組成及增塑比，對(duì)比分析了含不同增塑劑的RDX基澆注炸藥藥漿工藝性能，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 不同炸藥的工藝性能

炸藥藥漿表觀粘度ηy和屈服值τy的大小可用來(lái)表征藥漿真空澆注過(guò)程的難易程度。表3結(jié)果表明，使用增塑劑DOS的RDX基炸藥配方PX-1工藝性能差，澆注時(shí)藥漿堆積，流動(dòng)、流平性不好。PX-2、PX-3配方的澆注工藝性能良好，2種炸藥藥漿的粘度及屈服值隨時(shí)間的增加而緩慢增大，5 h后藥漿粘度均低于500 Pa·s，屈服值低于200 Pa，工藝性能滿足戰(zhàn)斗部大型裝藥的要求。與PX-3相比，PX-2炸藥藥漿粘度及屈服值更低，工藝性能更好。相比DOS，增塑劑NP、KA顯著提高了炸藥藥漿的工藝性能，其中NP的作用效果最佳。

增塑劑應(yīng)用于澆注炸藥中，不僅能夠減弱粘結(jié)劑載體HTPB分子鏈之間的纏繞作用，使粘結(jié)劑HTPB塑性增強(qiáng)，而且還起到了稀釋高分子網(wǎng)絡(luò)、潤(rùn)滑炸藥顆粒的作用[7]。作為稀釋劑，增塑劑可稀釋 HTPB反應(yīng)基團(tuán)與IPDI固化劑反應(yīng)基團(tuán)的濃度，一定程度降低了固化反應(yīng)速率；作為潤(rùn)滑劑，增塑劑在RDX炸藥顆粒表面潤(rùn)濕形成一層薄膜，減弱了粘結(jié)劑固化網(wǎng)絡(luò)與炸藥顆粒的相互作用。

分析認(rèn)為，與DOS相比，NP及KA增塑劑與HTPB的飽和增塑濃度更高，且耐遷移，因此其稀釋高分子網(wǎng)絡(luò)的作用較弱，加快了固化劑IPDI前期的固化反應(yīng)速率，同時(shí)NP及KA增塑劑更有助于增強(qiáng)RDX顆粒的潤(rùn)濕性，從而提高了RDX基炸藥藥漿的流動(dòng)及流平性。

2.3.2 增塑劑對(duì)炸藥力學(xué)性能及機(jī)械感度的影響

分析了使用不同增塑劑的澆注炸藥配方機(jī)械感度及力學(xué)性能，結(jié)果見表4。

表4 不同炸藥的機(jī)械感度及力學(xué)性能參數(shù)

由表4可知，炸藥配方PX-1常溫抗拉強(qiáng)度較低，使用非酯增塑劑的炸藥配方PX-2、PX-3常溫抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。由于增塑劑含量較高，增塑劑與HTPB的含量達(dá)到1∶1時(shí)，DOS增塑HTPB已達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，超過(guò)溶脹平衡濃度，部分DOS發(fā)生遷移，稀釋、減弱了炸藥的固化反應(yīng)，使得固化后的方坯較軟，致使PX-1抗拉強(qiáng)度低。相同情況下，非酯類增塑劑NP、KA的濃度未到達(dá)溶脹極限，且該增塑劑耐遷移，因此能在較大增塑比的情況下不減弱炸藥的固化，炸藥的力學(xué)性能保持良好。

2.3.3 增塑劑對(duì)炸藥爆轟性能的影響

測(cè)試分析了含不同增塑劑的RDX基澆注炸藥配方爆速，結(jié)果見表5。每種配方平行測(cè)試兩組。

表5 不同炸藥配方的爆速測(cè)試結(jié)果

表5表明，對(duì)比DOS，由于增塑劑NP、KA提高了炸藥藥漿的工藝性能，因此，PX-2、PX-3炸藥固化成型更密實(shí)，裝藥密度有所增加。由于3種增塑劑均為惰性增塑劑，且其密度接近，因此，含不同增塑劑的3種RDX基澆注炸藥配方的爆速基本相當(dāng)，均大于7 900 m/s。

3 結(jié)論

1) 2種新型耐遷移增塑劑NP、KA對(duì)HTPB有良好的增塑效果。

2) 與增塑劑DOS相比，2種非酯類增塑劑NP、KA是炸藥顆粒的良好潤(rùn)濕劑，且不會(huì)顯著減弱HTPB聚氨酯網(wǎng)絡(luò)的固化反應(yīng)，可顯著提高澆注炸藥工藝性能的同時(shí)，保持良好的力學(xué)性能，更適用于HTPB基高固體含量澆注炸藥配方。