新型气动喷雾细化HMX与粒径测试研究.pdf

第 4 J 0 卷第 1期 2 0 1 1 年 1 月 应用化工 App l i e d Ch e mi c a l I n d us t r y Vo 1 ． 4 0 No． 1 J a n ． 2 0 1 1 新 型 气 动 喷雾 细 化 HMX 与粒 径 测试 研 究 张毅 ， 刘玉存 ， 韵胜 ， 于雁 武 中北大学 化工与环境学院 ， 山西 太原0 3 0 0 5 1 摘要 采用新型气 动喷雾细 化装 置制备出 了奥克托今 H MX 晶体颗粒 ， 通 过扫描 电子显微镜 S E M 测定 了晶体 粒径 ， 激光粒度测试仪测量 了雾化 液滴 直径 。结果 表 明， 晶体粒 径约为 4 5 0 m 左右 ， 且与 雾化液滴 直径有很好 的 一 致性 。 关键词 气动喷雾细化； H MX； 晶体粒径 中图分类号 T J 5 5 文献标 识码 B 文章编号 1 6 7 1 3 2 0 6 2 0 1 1 0 1 0 1 7 9一 O 3 S t u d y o n n e w p n e u ma t i c s p r a y t h i n n i n g HM X a n d c r y s t a l pa r t i c l e s i z e t e s t ZHANG Y i ， 一 c n， 】 例S h e n g， Y a h WU C o U e g e o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n g a n d E n v i r o n me n t ， N o r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a ， T a i y u an 0 3 0 0 5 1 ， C hin a Abs t r a c t T he HMX c r y s t a l wa s p r e p a r a t e d b y p n e u ma t i c s p r a y t hi nn i n g d e v i c e ． ， n1 e c r y s t a l p a r t i c l e s i z e wa s me a s u r e d t h r o u g h t h e S EM a n d t h e d i a me t e r o f a t o mi z a t i o n fl ui dd r o p wa s d e t e r mi ne d b y t h e l a s e r p a r - t i c l e s i z e a n a l y z e r ． e r e s ul t s i n di c a t e d t h a t t h e c rys t a l p a r t i c l e s i z e wa s a b o u t 4 5 0 n m ． wh i c h wa s we l l c o n s i s t e nt wi t h t h e d i a me t e r o f a t o mi z a t i o n flu i d d r o p ． Ke y wo r d s p n e uma t i c s pr a y t h i n n i n g；HMX；c r y s t a l p a r t i c l e s i z e 含能材料细化技术是以超细微粉体和纳米粉体 的制备 、 分散 、 表面处理和表征为主要研究对象的学 科⋯。目前 ， 超细含能材料制 备技术 ， 特别 是亚微 米炸药直至纳米功能炸药的制备技术已成为国内外 科技界研究的热点 J 。当前 ， 国内外 已见报道 的炸 药细化技术主要包括 气相合成法 、 液相合成法和机 械粉碎法 J 。 针对现有 的含能材料细化装置中存在 的缺陷， 如机械粉碎法中随着含 能材料颗粒变细 ， 炸药机械 感度上升， 加上机械粉碎不均匀性 ， 总存在较粗 的颗 粒 ， 这时体系对 冲击、 摩擦 、 静电、 火 花极敏感 ， 大大 增加了操作控制的难度 ， 同时也形成 了安全隐患。 液相法制备含能材料纳米级超细粒子是 目前实验室 和工业上较为常用的方法 ， 也是 比较成熟的方法， 常 见的喷嘴雾化原理是 液动喷雾技术 ， 但该方法也有 自身的不足， 由于溶液通过相互撞击而形成雾化液 滴 ， 这就需要对液体做较大的功 ， 同时液体在管道中 高速流动需要很大的压力 ， 这对装置密封性及 耐压 性等的要求很高。此外 ， 由于液动喷嘴的喷孔很小 通常 1 m m ， 物料易在喷嘴里产生阻塞， 影响雾 化效果。而本实验采用的气动喷雾装置就能很好的 克服 以上问题 ， 本实验 的雾化喷嘴是三流体 内混式 喷嘴， 料液在管道中低速流动 ， 在喷嘴中通过气液两 者流速的差别 ， 使溶液雾化 ， 因而本实验对装置的要 求不是太高， 而且喷嘴不易阻塞。此外整个细化过 程含能材料以溶液的形式存在 ， 最后用真空冷冻干 燥 ， 所以本实验在操作过程 中也 比较安全。 1 气动喷雾细化原理及关键技术 1 ． 1 细化 原理 首先将 HM X溶解于溶剂二甲基亚砜中得到炸 药溶液， 然后将炸药溶液通过高速压缩气体带动， 经 过一个特殊结构的喷嘴加速 ， 在水 中将炸药溶液雾 化成小液滴 ， 利 用重 结 晶原理使 H M X结 晶 出来。 当溶质从溶剂相进人非溶剂相结 晶成核析出时， 借 助高速气体在水中形成强湍流 ， 形成的初始粒子马 上被分散于非溶剂水中， 大大减 弱了晶粒继续生长 收稿 日期 2 0 1 0 -07 3 0 修改稿 日期 2 0 1 0 - 0 8 2 4 作者简介 张毅 1 9 8 6一 ， 男， 湖北襄樊人， 中北大学在读硕士研究生 ， 师从刘玉存教授， 主要从事含能材料的合成与性能 研究。电话 1 3 9 9 4 2 7 8 3 9 6 ， Em a i l z h a n g f i r m1 2 6 ． c o m 应用化工 第 4 o 卷 的条件 ， 使晶体生长得到有效抑制 ， 剧烈的气动喷雾 作用使粒子间发生剧烈碰撞 ， 将 已经凝聚在一起的 分子晶体打碎， 这一过程有利于获得超细微球形粒 子 。图 1为实验装置简 图 。 图 1 实验装置简图 Fi g ．1 S ch e ma t i c ma p o f e x p e r i me n t f a c i l i t i e s 1 ． 2 关键技 术 气动喷雾细化的关键部位是特殊结构的喷嘴 ， 本实验采用三流体内混式喷嘴 J ， 该喷嘴的雾化效 果较好， 雾化液滴直径较小， 其剖面图如图 2所示。 削面豳 俯视图 余 图2 特殊结构喷嘴剖面图 Fi g． 2 S p e c i a l s t r u c t ur e B o z z l e s e c t i o na l d r a wi ng 该型喷嘴是在气／ 液两相旋流式喷嘴结构 的基 础上 ， 增加了一路侧 向进气 ， 侧向进气由喷管外夹层 引人 ， 夹层出口环上开有一定数 目孔径的小孔 ， 出口 环设置在旋流器出口下游附近， 在出 口环前后压差 的作用下二次进气经t J , L 喷出形成高速射流与中心 进气孔和进液孔进入混合腔里流进旋流槽形成的气 液两相雾化流进行强烈掺混。旋转雾化的气液两相 雾滴在高速气流作用下发生剪切破碎变为更为细小 的雾滴， 实现了雾滴的二次雾化。 2 HMX 晶体颗粒的制备 2 ． 1 试 剂与仪器 HM X原料药 ， 工业品； 二 甲基亚砜 ， 分析纯 ； 十 二烷基苯磺酸钠， 化学纯； 实验室用水为纯净水。 S - 4 8 0 0型扫描电子显微镜 S E M ， 激光多普勒 粒度测定仪。 2 ． 2 实验步 骤 1 准备工作 在实验之前 ， 先把水浴锅中的水 加热 到 7 0℃ ， 称 取 1 0 0 g的 H MX， 在 三 口烧 瓶 中溶 于2 0 0 0 m L二 甲基亚砜 ， 将其放于水浴中加热。 2 在喷射桶 中注入 8 0 0 0 m L的冷水， 大约 l O c ， 再在水 中加入适量晶型控制剂十二烷基苯磺 酸钠 。 3 开始试验 将 喷射装置软管末端插入三 口 烧瓶中的 HM X溶液 中， 铜管接人真空压力泵， 开始 喷射试验。待 H MX溶液全部喷人喷射桶中， 停止 喷射试验。 4 将喷射桶 中的炸药水溶液放人布氏漏斗， 用循环水式真空泵抽滤 ， 得到炸药细化的粉末产物， 放入冷冻干燥器进行干燥。 5 干燥后的粉末在扫描 电镜下分析其粒度以 及颗粒形 状 。 2 ． 3 HMx晶体表征 在喷射压力为 0 ． 5 M P a ， 水温 l O℃， 溶液浓度 0 ． 2 g ／ m L ， 水和溶液体积 比为 8 0 1 ； 晶型控制剂为 十二烷基苯磺酸钠条件下 ， 所 得产品如图 3所示。 颗粒 呈均匀 的球形 ， 8 0 ％ 以上 的晶体粒度 分布在 4 0 0 5 0 0 n m之 间， 平均粒径在 4 5 0 n m左右 ， 具有 良好的分散性 。 图 3 制备 出的 H MX晶体 S E M 照片 F i g ． 3 T h e c r y s t al S EM i ma g e o f HMX 3 雾化液滴的测量 液体雾化是一个多项、 瞬态的复杂过程， 液体雾 化后的液滴具有尺寸小、 范围大、 数量多的特点， 且 随时间和空间而变化。定量地测定雾化的浓度和粒 径分布是十分困难的。本实验雾化颗粒尺寸分布利 用激光测试仪进行测量 j 。激光多普勒粒度测试 仪利用光的多普勒效应， 通过测量散射光的相位差， 经过一系列的计算 得到颗粒直径 D， 即索太尔平 均直径 S MD。其测试 系统 见图 4 。 第 1 期 张毅等 新 型气动喷雾 细化 HM X与粒径测试研究 1 8 1 图 4激 光 粒度 测 试 仪 测 试 系 统 流 程 图 Fi g． 4 The t e s t s y s t e m flo w c ha r t o f l a s e r pa r t i c l e s i z e a n a l yz e r 1 ． 激光器 ； 2 ． 扩束器 ； 3 ． 喷嘴 ； 4 ． 接收透镜 ； 5 ． 探测器； 6 ． A ／ D转换； 7 ． 计算器 ； 8 ． 打印机 将激光粒度测试仪 的中心线置 于离 喷嘴出 口 1 0 0 0 m m 2 ％ 的距离 ， 并且 与喷嘴垂直 中心线相 交的位置， 用激光粒度测试仪测试其雾化液滴 的尺 寸分布。雾化颗粒尺寸是在激光粒度测试仪焦距为 3 0 0 mm的条件下测定的， 其 R． R重量分布， 见图 5 。 面 1 Ⅲ 啊 佃 I I 粒 径， 蛐 图 5 粒径 的 R R重量分布 图 F i g ． 5 S i z e d i s t ri b u ti o n ma p o f t h e R R w e i g h t 由图 5可知， 雾化液滴的索太尔平均直径 S M D 在 4 5 0 n m 左 右 。 4结 论 1 采用 新 型气 动喷 雾 细化 装 置 制备 出 了平均 粒径为 4 5 0 n m左右的 H MX晶体颗粒 。 2 采用激光多普勒粒度测定仪测 出的雾化液 滴直径与实验制备出的晶体粒径有很好的一致性。 3 该设 备结构 简单 、 成本低 ， 制备 效率可达 1 0 k g ／ h ， 有望实现工业化生产。 参考文献 李凤生． 特种超细粉体制备技术及其应用[ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 2 0 0 2 3 - 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