利用含废弃丁羟推进剂制备的高能炸药 .pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１７. ０１. ００６ 利用含废弃丁羟推进剂制备的高能炸药 ❋ 常 剑① 俞永华② 魏晓安① 彭金华① 王泽山① ①南京理工大学化工学院江苏南京，２１００９４ ②山东银光科技有限公司山东临沂，２７６０００ [摘 要] 利用丙烯酰胺氧化剂溶液及铝粉制备得到敏化剂，加入已配好的含能黏结剂中，对丁羟ＨＴＰＢ推进剂 颗粒间隙进行填补，形成新型高能炸药。 通过高速摄影试验观察爆轰过程，炸药空中、水下爆炸等试验测试其性 能。 结果表明所制备的新型高能炸药性能良好，随着敏化剂含量的增加，炸药爆轰感度、冲击波超压及水下能量 输出均有明显提高；炸药密度 １. ５３ ｇ/ ｃｍ３，爆速 ６ ９００ ｍ/ ｓ；当比例距离为 １. ５ ４. ５ ｍ/ ｋｇ１/３时，炸药的 ＴＮＴ 当量系 数分布于 １ 左右；水下爆炸能量输出为 ４. ５ ｋＪ/ ｇ，高于 ＴＮＴ，具有较高的能量和冲击作用。 [关键词] 高能炸药；丁羟ＨＴＰＢ推进剂；空中爆炸；水下爆炸 [分类号] ＴＪ５５；Ｏ３８９ Ａ Ｈｉｇｈ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ Ｏｂｓｏｌｅｔｅ ＨＴＰＢ Ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ ＣＨＡＮＧ Ｊｉａｎ①， ＹＵ Ｙｏｎｇｈｕａ②， ＷＥＩ Ｘｉａｏａｎ①， ＰＥＮＧ Ｊｉｎｈｕａ①， ＷＡＮＧ Ｚｅｓｈａｎ① ①Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ， ２１００９４ ②Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｙｉｎｇｕａｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ. ， Ｌｔｄ. Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｌｉｎｙｉ， ２７６０００ [ＡＢＳＴＲＡＣＴ] Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗａｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｆｉｌｌｉｎｇ ｕｐ ｔｈｅ ｏｂｓｏｌｅｔｅ ＨＴＰＢ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｇａｐｓ ｗｉｔｈ ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ ｂｉｎｄｅｒ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ａ ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｒ ｆｏｒｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ａｃｒｙｌａｍｉｄｅ ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ ａｇｅｎｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｏｗｄｅｒ. Ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ， ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ， ａｅｒｉａｌ ａｎｄ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｔｅｓｔｓ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｈｉｇｈ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ. Ｔｈｅ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ， ｏｖｅｒ- ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｒ. Ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｗｉｔｈ ｄｅｎｓｉｔｙｏｆ ｕｐ ｔｏ １. ５３ ｇ/ ｃｍ３ａｎｄ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｕｐ ｔｏ ６ ９００ ｍ/ ｓ， ｉｔｓ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ＴＮＴ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｓ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ａｂｏｕｔ １ ａｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｒａｔｉｏ ｆｒｏｍ １. ５ ｍ/ ｋｇ１/３ｔｏ ４. ５ ｍ/ ｋｇ１/３， ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｏｕｔｐｕｔ ｆｒｏｍ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｗａｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ａｓ ４. ５ ｋＪ/ ｇ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ＴＮＴ. Ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｈｉｇｈ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｓｈｏｃｋ ｅｆｆｅｃｔ. [ＫＥＹＷＯＲＤＳ] ｈｉｇｈ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ； ＨＴＰＢ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ； ａｉｒｂｕｒｓｔ； ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ 引言 废弃推进剂的处理一直以来引人关注，当今国 内外处理方法大体分为三类一是燃烧的方式处理， 费用低，操作简单，但环境污染较大[１-３]；二是回收组 分，无污染，但回收成本较高[４-７]；三是改制成民用炸 药，蒋大勇等曾评测此方式较为安全[８-１０]。 基于第 三种处理方式，并针对丁羟ＨＴＰＢ推进剂本身难 爆轰、提高爆轰感度后能量输出不高的问题[１１]，根 据敏化剂可以降低炸药密度，从而提高爆轰性能的 原理，利用丙烯酰胺氧化剂溶液及铝粉制备得到敏 化剂，加入已配好的含能黏结剂中，用含能黏结剂对 ＨＴＰＢ 推进剂颗粒间隙进行填补，得到一种新型高 能炸药。 通过高速摄影试验观察爆轰过程，炸药空 中、水下爆炸等试验测试其性能，为今后废弃推进剂 的高效处理方式研究提供参考。 １ 试验部分 １. １ 试验样品的制备 １考虑到较小尺寸的推进剂颗粒制备较复杂， 第 ４６ 卷 第 １ 期 爆 破 器 材 Ｖｏｌ. ４６ Ｎｏ. １ ２０１７ 年 ２ 月 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｆｅｂ. ２０１７ ❋ 收稿日期２０１６-０５-０３ 作者简介常剑１９９１ － ，男，硕士研究生，主要从事推进剂资源化利用研究。 Ｅ-ｍａｉｌ５１６２８８６３３＠ ｑｑ. ｃｏｍ 通信作者魏晓安１９６８ － ，男，讲师，主要从事废弃火炸药资源化利用研究。 Ｅ-ｍａｉｌｗｅｉｘｉａｏａｎ＠１２６. ｃｏｍ 所以使用直径 １５ ｍｍ 的推进剂颗粒。 将废弃 ＨＴＰＢ 推进剂切割成直径约为 １５ ｍｍ 的颗粒，放入直径 ６０ ｍｍ 的塑料药卷内。 ２将丙烯酰胺氧化剂溶液及铝粉混合制成敏 化剂 Ｒ１，加入已配好的含能黏结剂中，Ｒ１中铝粉质 量分数分别为 ０％、５％、１０％。 根据炸药敏化剂的 敏化原理，即敏化剂通过自身分子内结构特性，改善 炸药密度，从而提高炸药爆轰性能。 敏化剂加入到 含能黏结剂中，完全溶解；ＤＳＣ 测定结果表明两者相 容性良好。 所配制的含能黏结剂的爆速、爆热等量 值与 ＴＮＴ 爆速、爆热等相近。 ３将含能黏结剂加入到废弃 ＨＴＰＢ 推进剂的颗 粒空隙中，通过观察，含能黏结剂完全嵌入 ＨＴＰＢ 推 进剂颗粒缝隙，常温下静置半小时左右，使含能黏结 剂与颗粒之间固化，形成新型高能炸药。 １. ２ 爆速的测定 按照 ＧＢ/ Ｔ１３２２８１９９１ 工业炸药爆速测定方 法，利用测时仪法，通过电离探针对新型高能炸药的 爆速进行测定。 １. ３ 高速摄影和空中冲击波超压的测定 通过超高分辨率高速摄像机进行拍摄，拍摄速 度为每秒 ３０ ０００ 帧，爆源与测试点距离 ３５ ｍ。 压力传感器型号 ＰＣＢ１１３Ｂ，信号调理仪型号 ＰＣＢ４８２Ａ２０，数据采集仪为成都微测公司 ＶＸＩ-１１１５ 型。 测定冲击波超压，爆源距离地面 ４０ ｃｍ，爆源中 心距离测定点分别为 １. ５０、２. ００、２. ５０、３. ００、３. ７５、 ４. ５０ ｍ。 炸药样品直径为 ６０ ｍｍ，总质量为 ８００ ｇ 左右，３ 种样品每种测试 ３ 次。 １. ４ 水下爆炸测试 压力传感器型号 ＰＣＢ１３８Ｍ，电压灵敏度为 ６. ９ Ｖ/ ＭＰａ，信号调理器型号 ＰＣＢ４８２Ａ１６，数据采集器 为成都纵横公司的 Ｊｏｖｉａｎ５２００。 测试用水池直径为 ８. ０ ｍ。 试样位于水面下方 ４. ２５ ｍ，爆源与测定点 距离 ２. ５ ｃｍ。 炸药样品直径 ６０ ｍｍ，总质量 ２５０ ｇ 左右，３ 种样品每种测试 ３ 次。 ２ 结果与讨论 ２. １ 敏化剂中铝粉质量分数对爆速的影响 ３ 种敏化剂中铝粉质量分数 ０％、５％、１０％ 的凝 胶炸药的爆速结果如表 １ 所示。 ＨＴＰＢ 推进剂颗粒 直径均为 １５ ｍｍ。 结果表明，敏化剂中铝粉质量分数为１０％ 的凝 胶炸药爆速提高明显，可达７ １５０ ｍ/ ｓ，原因可能是 铝粉质量分数增加使得反应速率加快，有利于爆轰 表 １ 敏化剂中铝粉质量分数对炸药爆速的影响 Ｔａｂ. １ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌ ｐｏｗｄｅｒ ｉｎ ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｒ ｏｎ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ωＡｌ / ％ρ/ ｇ􀅰ｃｍ －３ ｖ/ ｍ􀅰ｓ －１ ０１. ５３６ ９６０ ５１. ５８７ ０２０ １０１. ５２７ １５０ 的扩展，因此爆速增加。 ３ 种不同铝粉质量分数的 敏化剂的凝胶炸药装填密度可达１. ５ ｇ/ ｃｍ３，爆速大 于６ ９００ ｍ/ ｓ，与前人研究的含 ＨＴＰＢ 推进剂的凝胶 炸药[１１]最高爆速可达 ６ ５００ ｍ/ ｓ相比，爆速提高 相对明显，适宜用作大直径的露天炸药。 ２. ２ 高速摄影试验及空中爆炸特性 ２. ２. １ 高速摄影试验 图 １ 为高速摄影结果。 由图 １ 可知，含 ＨＴＰＢ 推进剂的高能炸药被起爆后，球形火光的直径逐渐 增大，光亮度也逐渐增强，炸药发生爆轰过程的时间 较短，仅为几十微秒，这与炸药第一次发光阶段持续 时间在 １０ －４ｓ 级相符，且随着时间的增加球形火光 的直径明显增大，光亮度也明显增强。 ４００. ０ μｓ 后 呈现明显的后效燃烧阶段。 该试验进一步证明炸药 发生了爆轰反应。 ２. ２. ２ 空中爆炸特性 该高能炸药在空中不同距离处测试的平均冲击 波超压如表 ２ 所示。 按最小二乘法原理，根据炸药在空中爆炸的相 似律，冲击波超压与装药量关系式如下 Δｐ ＝ ｆ ３ Ｗ ｒ 。１ 式中Δｐ 为冲击波超压，ｋＰａ；Ｗ 为装药量，ｋｇ；ｒ 为爆 源距离，ｍ。 比例距离与装药量关系为 􀭰ｒ ＝ ｒ ３ Ｗ。 ２ 式中􀭰ｒ 为比例距离，ｍ/ ｋｇ１/３。 通过式１、式２和表 ２ 数据，可得到含 ＨＴＰＢ 推进剂的高能炸药拟合的超压公式分别如下 ωＡｌ ＝０％时， Δｐ ＝ －０. ３３８ ６ 􀭰ｒ ＋ ２. １７６ ５ 􀭰ｒ２ ＋ ０. １１１ ６ 􀭰ｒ３ ；３ ωＡｌ ＝５％时， Δｐ ＝ －０. ２１４ ８ 􀭰ｒ ＋ １. ９８２ ０ 􀭰ｒ２ ＋ ０. １１７ ６ 􀭰ｒ３ ；４ ωＡｌ ＝１０％时， 􀅰０３􀅰 爆 破 器 材 第 ４６ 卷第 １ 期 图 １ ωＡｌ ＝５％时含 ＨＴＰＢ 推进剂的高能炸药的爆炸高速摄影 Ｆｉｇ１ Ｈｉｇｈ-ｓｐｅｅｄ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ＨＴＰＢ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ ｗｉｔｈ ωＡｌ ＝５％ 表 ２ 含 ＨＴＰＢ 推进剂的高能炸药在不同距离处的冲击波超压峰值 Ｔａｂ. ２ Ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ＨＴＰＢ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｏｉｎｔｓ ωＡｌ / ％ｍ/ ｇ 冲击波超压/ ｋＰａ １. ５０ ｍ２. ００ ｍ２. ５０ ｍ３. ００ ｍ３. ７５ ｍ４. ５０ ｍ ０８１５６４０. ２３５１. ５１８５. ４１１７. ０６５. ３０３８. ５０ ５８３１６６５. ７３７１. ８１９３. ７１２３. ０７１. ７５４８. ２８ １０８２０６９０. ４４１１. ０２４１. ７１６０. ６８１. １７６０. ７１ Δｐ ＝ －０. ４３１ ４ 􀭰ｒ ＋ ３. ６２７ ４ 􀭰ｒ２ ＋ －１. ８５７ １ 􀭰ｒ３ 。５ 对所得到的超压公式分别进行拟合作图，并与 含 ＨＴＰＢ 推进剂的高能炸药的试验数据进行比较， 可分别得到图 ２ａ 图ｃ。 由图 ２ 可知，炸药的 试验数据与拟合曲线吻合较好。 由图 ２ 可以看出，随着 Ｒ１中铝粉含量的增加， 冲击波超压也随之增加，在比例距离为 １. ５ ４. ５ ｍ/ ｋｇ１/３内按一定幅度增长。 炸药 ＴＮＴ 当量 Ｅｑ的计算公式为 Ｅｑ＝ ＷＴＮＴ ＷＥ ＝ 􀭰ｒＥ 􀭰ｒＴＮＴ ３ 。６ 式中ＷＴＮＴ、ＷＥ为 ＴＮＴ 与炸药的质量，ｋｇ；􀭰ｒＴＮＴ、􀭰ｒＥ为 ＴＮＴ 和炸药的比例距离，ｍ/ ｋｇ１/３。 分别对以上 ３ 种铝粉质量分数的炸药进行 ＴＮＴ 当量系数的计算，通过式２的比例距离公式，可分 别得出 ３ 种炸药在同一压力下 􀭰ｒＥ以及 􀭰ｒＴＮＴ的数值， 进而可得出３ 种铝粉含量的炸药 ＴＮＴ 当量系数分 别为 ０. ９３８ ６、０. ９８０ ５、１. １９４ ７。 岩石型乳化炸药 ＴＮＴ 的当量系数平均值为 ０. ７０８[１２]。 与岩石型乳化炸药的 ＴＮＴ 当量系数相 比，３ 种不同铝粉含量的炸药的 ＴＮＴ 当量系数明显 提高，且分别提高 ３３％、３９％、６９％。 ２. ３ 水下爆炸能量输出特性 对该凝胶炸药进行水下冲击波压力及气泡脉动 情况测试，能量输出情况如表 ３。 ＨＴＰＢ 推进剂直径 为 １５ ｍｍ。 结果表明，随着 ＨＴＰＢ 推进剂中敏化剂 Ｒ１的铝 粉质量分数的提高，炸药的比冲击波能 ｅｓ、比气泡能 ｅｂ及水下爆炸总能量 ｅｔ逐渐增加，说明 Ｒ１中铝粉 质量分数对水下爆炸能量输出具有正向效应，原因 可能为敏化剂中铝粉质量分数较大时，炸药反应较 完全，会大量地产生气体产物，从而使能量有较为明 显的增加。当Ｒ１铝粉质量分数达到５％ 时，水下爆炸 能量输出可达到４. ２３４ ｋＪ/ ｇ，高于乳化炸药的水下 爆炸能量输出平均值３. ４ ｋＪ/ ｇ；当敏化剂铝粉质量 􀅰１３􀅰２０１７ 年 ２ 月 利用含废弃丁羟推进剂制备的高能炸药 常 剑，等 万方数据 ａωＡｌ ＝０％ ｂωＡｌ ＝５％ ｃωＡｌ ＝１０％ 图 ２ 含 ＨＴＰＢ 推进剂的高能炸药 超压-比例距离曲线 Ｆｉｇ. ２ Ｐｅａｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ-ｓｃａｌｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ＨＴＰＢ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ 表 ３ 含 ＨＴＰＢ 推进剂的高能炸药 水下爆炸能量输出特性 Ｔａｂ. ３ Ｅｎｅｒｇｙ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ＨＴＰＢ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ ｉｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ωＡｌ / ％ ｍ/ ｇ ｅｓ/ ｋＪ􀅰ｇ －１ ｅｂ/ ｋＪ􀅰ｇ －１ ｅｔ/ ｋＪ􀅰ｇ －１ ０２７２. ２０. ７７７２. ８９３３. ８９２ ５２４５. ２０. ８３１３. １９０４. ２３４ １０２４５. ００. ８７０３. ４１０４. ５６１ 分数达到１０％时，水下爆炸能量输出达到４. ５６１ ｋＪ/ ｇ，高于 ＴＮＴ 的水下能量输出值４. ３ ｋＪ/ ｇ[１３]。 ３ 结论 １该新型高能炸药随着敏化剂中铝粉质量分 数的增加，爆轰感度提高明显，能量输出等各性能提 高明显。 ２该炸药的密度可达 １. ５３ ｇ/ ｃｍ３，爆速与敏化 剂中铝粉质量分数呈正相关，可达 ６ ９００ ｍ/ ｓ。 ３在比例距离为 １. ５ ４. ５ ｍ/ ｋｇ１/３范围内，３ 种 质量分数敏化剂铝粉质量分数 ０％、５％、１０％得 到的炸药 ＴＮＴ 当量系数分布于 １ 左右，分别为 ０. ９３９、０. ９８１、１. １９５。 当敏化剂中铝粉质量分数为 １０％时，水下爆炸能量输出可达到 ４. ５６１ ｋＪ/ ｇ，高于 ＴＮＴ，能量输出较高。 参 考 文 献 [１] 李立远，张丽华，王鹏，等. 废弃丁羟推进剂主要组分 回收后的废水处理[Ｊ]. 化工时刊， ２０１１，２５２ １３- １８. 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