PBX炸药声共振混合试验研究Ⅰ .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 04. 006 PBX 炸药声共振混合试验研究Ⅰ ❋ 马 宁 秦 能 蒋浩龙 张 哲 孙晓朋 陈 松 西安近代化学研究所氟氮化工资源高效开发与利用国家重点实验室陕西西安,710065 [摘 要] 通过声共振混合试验样机对固体质量分数为86%的 PBX 炸药高聚物黏结炸药进行声共振混合的均 匀性及工艺安全性试验研究,试验量级为 150 g。 试验结果表明,PBX 炸药在声共振混合作用下进行内部的撕裂缠 结,依次形成球状混合块和整场沸腾状混合浆,整个混合时间约为 1 000 s。 成分分析表明,声共振能实现固体质量 分数为86%的 PBX 炸药均匀混合;静电和温度测量表明,整个混合过程中,静电电压几乎维持在0 kV 左右,物料内 部摩擦生热速度远远低于物料对外的热散失速度,混合过程中静电安全和热安全在可控范围内。 [关键词] PBX 炸药;声共振;静电;热安全 [分类号] TQ560. 6 引言 为同时提高火炸药的功效性能和非功效性能, 需要在火炸药中添加各种助剂。 如向火炸药配方中 加入一定量的铝粉来提高其持续加速能力;向火炸 药配方中添加功能助剂来提高其能量水平,并降低 感度;使用微纳米材料使火炸药具有更优越的性能。 随着火炸药配方中固体质量分数的增加以及各种功 能助剂的添加,各种组分的分散均匀性成为影响火 炸药产品性能的关键问题之一[1]。 目前最常用的 分散手段是双螺杆混炼机及捏合机,但随着固体质 量分数的不断增高,双螺杆和捏合机的使用局限性 逐渐凸显。 一方面是这种传统的混合方式并不能保 证高固体质量分数体系中各种小组分助剂的均匀混 合;另一方面,混合元件与机筒之间的摩擦碰撞及其 过高的混合压力成为困扰双螺杆等混合设备顺利使 用的危险因素。 例如,浇注型复合 PBX高聚物黏 结炸药装药工艺过程的关键环节是双螺杆连续混 合,由于 PBX 组分中有 RDX黑索今、HMX奥克 托今、AP高氯酸氨等多种含能材料,在混合过程 中,螺杆之间的摩擦碰撞、螺杆与机筒的摩擦碰撞、 金属异物的进入以及机筒内压都是造成含能材料燃 爆的危险因素[2]。 一方面是火炸药性能提升的需 求,另一方面是传统混合设备功能的局限,促使了科 研工作者开始探索一种既高效又安全的新型混合方 式。 美国于 2007 年基于火炸药高效安全混合的需 求提出声共振混合技术。 该技术是整场的无桨混 合,不但能够实现被混物料整场不留死角的均匀分 散,而且能够避免桨叶的剪切或与壁面的摩擦碰撞 对被混物料造成物理或化学破坏,且由于该混合方 式使用低频声流,不会产生剧烈的热效应。 2012 年,美国在某基地用声流混合进行高能炸药和推进 剂的混合试验,发现较传统捏合机混合工艺,基于低 频声流的混合均匀性更好,能够满足炸药和推进剂 的性能要求[3];同时,对基于低频声流混合工艺安 全性进行研究,发现混合过程中物料内部产生的静 电和热量均小于传统捏合工艺[4-5],从测量数据和试 验现象初步证明了低频高强声流用于混合的可行 性。 声共振混合技术不但能够用于火炸药的混合, 还被证明在含能材料共晶如 CL-20/ RDX 共晶方 面具有安全性更高、工艺放大可行性更好的优 势[6-7]。 基于火炸药传统混合方式难以满足混合需求以 及声共振新型混合方式在火炸药领域应用兴起的背 景,进行了 PBX 炸药的声共振混合试验。 1 试验 1. 1 材料及配方 RDX,2 类,国营 805 厂;铝粉,平均颗粒直径 13 μm,河南远洋铝业有限公司;端羟基聚丁二烯HT- PB,Ⅲ型,无锡瑞德凯化工科技有限公司;巳二酸 二辛酯DOA,塑化剂,山东科兴化工有限责任公 62 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 4 期 ❋ 收稿日期 2016-03-14 基金项目国防科技工业基础产品创新计划火炸药科研重大专项,北化集团青年基金QKCZ-jp-2015-07 作者简介马宁1987 - ,男,硕士,工程师,主要从事火炸药特种工艺设备的研究。 E-mailmarknumber1@ sina. com 通信作者秦能1970 - ,男,博士,研究员,主要从事火炸药配方及工艺的研究。 E-mailqinneng@126. com 司。 配方为 mRDX︰mAl︰mHTPB︰m DOA =66︰20︰x︰y,上述材料总质量为 150 g, 按一定质量分数进行混合,其中 RDX、Al 质量分数 之和为 86%。 1. 2 仪器设备 声共振混合系统第一代试验样机,西安近代化 学研究所;摄像机,索尼;热电偶,K 型;静电传感器; ICP-AES 电感耦合等离子发射光谱仪,725 ES,美国 安捷伦公司。 1. 3 试验方法 混合筒为内径 90 mm、内高 100 mm 的铝质圆 筒。 在室温条件下,称取 RDX、铝粉、HTPB、DOA, 依次加入混合容器中。 为了避免 HTPB、DOA 粘连 在容器壁面,加入 RDX 和铝粉后,在固料上方人为 处理一个凹陷区域,将 HTPB 加入该凹陷区域,然后 在 HTPB 上方滴加 DOA。 加料完成后将整个混合 筒置于声共振混合试验机上方,并进行固定。 然后 在物料内部固定两个热电偶传感器;在物料上方固 定两个静电传感器;在混合筒外侧加装加热夹套;并 在混合筒外壁面粘贴热电偶传感器。 整个试验是在 爆炸塔内部完成的,传感器加装完成后,关闭爆炸 塔,通过摄像头进行远程控制。 首先启动加热夹套, 设定加热温度为60 ℃;待升温到60 ℃后,启动声共 振混合系统,振动频率为 60 Hz;混合初期,为防止 粉尘飞扬,振动幅度为 0. 5 mm;待固液充分接触后, 振动幅度调节为 1. 0 mm。 待混合结束后,取混合筒 中心区域样品 12 份,采用滴定法进行成分分析。 2 结果与讨论 2. 1 工艺过程混合效果 图 1 为混合过程中不同时刻PBX炸药声共振混 合状态图。 从图 1a 图 1b可以看出,混合初 期,RDX 粉末和铝粉逐渐混匀,RDX 的白色逐渐消 失,整体呈浅灰色;同时,HTPB 和 DOA 逐渐被固体 粉末包裹。 随着混合的进行,HTPB 和 DOA 不断发 生撕裂,并重新包裹 RDX 和铝粉,形成颗粒状黏结 块,图 1c 图 1e。 随着球状黏结块不断增多, HTPB 和 DOA 与 RDX 粉末和铝粉的接触面积不断 增大,同时由于混合过程中的剪切作用,整个物料发 生稀化,图 1c 图 1e中混合物料颜色逐渐变 深。 随着混合时间的增加,整个混合物料的接触越 来越充分,形成了如图 1g和图 1h所示的沸腾 翻滚状。 此时,混合区域内部物料在振动宏观混合 和内部声流传播的微观剪切下发生撕扯拉裂,进行 着剧烈的质量交换。 尤其从图 1g可以看出,混合 是在整个被混区域内同时进行的。 图 2 为美国在某基地进行的声共振高固体质量 分数炸药混合试验研究的不同阶段混合效果图。 混 合过程中,被混物料工艺温度约为 52 ℃。 通过图 1 与图 2 的对比可以看出,我们所进行的 PBX 声共振 混合试验效果与美国声共振混合试验效果类似。 进行了两次平行试验。 每次试验取样 12 份,进 行铝粉质量分数的滴定试验,分析成分,以对混合的 均匀性进行评价,滴定所需样品量每次不超过 1 g, 所得铝粉质量分数分布如图 3 所示。 图 1 86%固体质量分数 PBX 炸药混合效果随时间的变化 Fig. 1 Mixing effects changing with time for PBX explosive with 86% solid mass fraction 722016 年 8 月 PBX 炸药声共振混合试验研究Ⅰ 马 宁,等 图 2 基于聚丁二烯黏合剂体系的高固体质量分数炸药声共振混合效果[3] Fig. 2 Mixing effects of explosive matrix with high solids content based on HTPB under RAM 图 3 86%固体质量分数 PBX 炸药混合物中铝的质量分数 Fig. 3 Mass fraction of Al in the mixture of PBX explosive with 86% solid mass fraction 前后两次取样测试所得铝粉质量分数存在差 别,并且比混合前铝粉的质量分数计算值 20% 小, 这是因为铝粉表面存在一定的氧化层以及部分铝粉 粘连在混合筒的壁面所致。 混合均匀性采用混合度 进行评价[8-9],公式为 M = Na/ Nb 100%。1 式中M 为样品的混合度;Na为所取样品中标志物 的最小质量分数;Nb为所取样品中标志物的最大质 量分数。 根据取样测试结果,可得第一组样品的混合度 M1=18. 7 19 100% = 98. 4%;第二组样品的混 合度 M2=17. 4 17. 7 100% = 98. 3% 取样均匀 度为 4 级。 黏弹态火炸药的混合度目前无可靠的 数据借鉴,文献中 V 型混合器和三维运动混合器对 粉体的混合度分别约为90%和98%取样均匀度为 4 级,间接地反映了本混合试验的混合度较好。 2. 2 工艺安全性 图 4 是固体质量分数为 86% 的 PBX 炸药声共 振混合过程中物料内部的静电电压和温度随混合时 间的变化图。 从图 4a可以看出,对于高固体质量 分数的 PBX 炸药,混合过程中,由于液相 HTPB 和 DOA 的存在以及混合容器的接地,整个工艺时间范 围内静电电压非常小,在 0 0. 2 kV 之间波动,考虑 到静电电压测试的不准确性,可以认为混合过程中 的静电电压接近 0 kV;图 4b为声共振混合过程 中物料内部的温度变化图。 混合试验中,工艺温度 保持在铝质混合筒外壁温度为60 ℃。 混合工艺中, 综合工艺温度的热传递、混合过程中的摩擦生热以 及向空气内的散热共同决定着被混物料内部的温度 分布。 为了保证试验的安全性,当物料内部温度升 至 60 ℃左右时,停止工艺加热。 从图 4b可以看 出,当停止加热后,物料内部的温度迅速降低,可见 混合过程中的摩擦生热所产生的热量远远小于被混 物料对外的热量散失。 a静电电压 b温度 图 4 86%固体质量分数的 PBX 炸药声共振工艺安全参数 Fig. 4 Safety parameters in RAM process of PBX explosive with 86% solid mass fraction 在炸药的生产和加工过程中,产生摩擦是难以 避免的,如粉碎、混药、压药、装药、输送和干燥等工 82 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 4 期 艺过程都有可能发生炸药颗粒之间的摩擦以及炸药 与其他物质之间的摩擦,从而产生静电,其电压可以 达到数千伏或上万伏。 例如,8321 炸药在过筛时静 电电压达到数万伏,粒径为 120 150 目的 TNT 过 筛时,带电电位为 1. 8 kV。 因此,高固体质量分数 PBX 炸药的声共振混合所产生的静电属于工艺安 全可以接受的范围。 同时,由于声共振混合过程中 物料内部的生热速度远远低于物料对外的热量散 失,因此,高固体质量分数 PBX 炸药声共振混合工 艺的热安全性也在接受范围内。 3 结论 通过对固体质量分数 86% 的 PBX 炸药进行声 共振混合试验研究,得到以下结论 1声共振混合工艺适用于 86% 固体质量分数 PBX 炸药的混合,所得被混物料的均匀性较好,混 合速度较快,可在 1000 s 内实现 150 g 量级 PBX 炸 药的均匀混合。 2对于 PBX 炸药,声共振混合的工艺安全性较 好,混合过程中静电电压几乎为 0;物料摩擦生热速 度远远低于物料向外部的热散失。 3虽然声共振对高固体质量分数 PBX 炸药的 混合机理,特别是声流混合的机理和表征尚不清楚; 但通过相关的试验现象、均匀性检测以及安全性表 征,证明了声共振混合工艺用于中等固体质量分数 火炸药整场混合的可行性,为进一步进行工艺原理 的探索提供试验支撑。 参 考 文 献 [1] 魏学涛,刘毅,袁忍让,等. 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Experimental Study on Resonance Acoustic Mixing of PBX ExplosiveⅠ MA Ning, QING Neng, JIANG Haolong, ZHANG Zhe, SUN Xiaopeng, CHEN Song State Key Laboratory of Fluorine & Nitrogen Chemicals, Xi’an Modern Chemistry Research Institute Shaanxi Xi’an, 710065 [ABSTRACT] An experimental study on the mixing uniformity and process safety of resonance acoustic mixing RAMof PBX explosive with 86% solid mass fraction was carried out by RAM experimental prototype, and the sample scale was 150 g. Experimental results show that the PBX explosive is involved in tanglement and tear in the mixture, followed by the for- mation of a spherical mixed block and blended pastes in turn, and the total mixing time is about 1 000 s. Component analy- sis of mixture shows that the RAM could realize uniformly mixing of PBX explosive. Electrostatic and temperature measure- ments show that the electrostatic voltage is almost 0 through the mixing process, and friction heating rate is slower than heat dissipation rate. Electrostatic and thermal risk is within a controllable range. [KEYWORDS] PBX explosive; resonance acoustic mixing RAM; electrostatic; thermal safety 922016 年 8 月 PBX 炸药声共振混合试验研究Ⅰ 马 宁,等