火炸药双螺杆挤出工艺的研究现状与发展 .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001- 8352. 2013. 04. 010 火炸药双螺杆挤出工艺的研究现状与发展 磁 黄亚峰 王晓峰 王红星 牛余雷 南 海 西安近代化学研究所(陕西西安,710065) [摘 要] 综合叙述了国内外双螺杆挤出工艺在火炸药中的应用研究现状,指出国内在双螺杆挤出机结构设计、 安全、工艺等方面的研究水平较国外存在较大的差距,制约了双螺杆挤出工艺在火炸药自动化制备中的应用。 为 使双螺杆挤出工艺在火炸药行业得到长足发展,建议进行双螺杆挤出机结构设计、安全设计、制备工艺等方面的研 究,培养相关的专业人才。 [关键词] 物理化学 双螺杆挤出机 炸药 推进剂 发射药 [分类号] TJ55 TQ560. 5 引言 最早的双螺杆挤出机是 Paul Pfleider 于1881 年 提出的非啮合异向旋转双螺杆挤出机,随后各种啮 合双螺杆挤出机应运而生 [1] 。 自其出现后不久即 被广泛地应用到食品行业、橡胶行业、塑料行业之 中 [2] 。 双螺杆挤出工艺在含能材料的应用最早是 在发射药、推进剂的自动化绿色柔性制备工艺 中 [3- 4] ,德国代拿买诺贝尔公司将几台双螺杆挤出机 联合起来分别完成了双基药制备过程中的造粒和成 型工艺,使双基药的制备实现了连续化,随后世界各 军事强国对双螺杆挤出工艺在火炸药行业的应用开 展了广泛深入的研究。 1 双螺杆挤出工艺的技术优点 1)绿色的柔性化、连续化制备工艺。 双螺杆挤 出工艺制备火炸药过程中废液、废气排放量减少,降 低了环境污染。 这种工艺适用于表观黏度 10 2 ~ 10 7Pa s 的物料均匀混合,可生产发射药、推进剂、 炸药和烟火剂,属于柔性工艺。 双螺杆挤出工艺可 实现自动化、连续化的供料与出料,属于连续化制备 工艺。 2)效率高、成本低。 双螺杆挤出工艺的效率高 具有两方面含义,一是指双螺杆挤出工艺的混合效 率高;二是指双螺杆挤出工艺的生产效率高。 双螺 杆机具有高剪切作用,可以打破超细材料的团聚势 能并达到均匀分散的效果,因此,超细材料只需经过 双螺杆机混合一遍即可达到捏合机混合几个小时的 效果。 双螺杆挤出机集捏合、塑化、干燥、成形等功 能于一体,与传统火炸药制备适合使用的单机设备 相比,效率可提高数十倍。 双螺杆挤出工艺可以取 代传统工艺中的许多工序,减少生产过程中的废液、 废气排放量,提高成品率,降低加工成本。 3)工艺安全性高。 物料在线量少,制备过程可 以实现自动化、连续化,提高了火炸药生产安全性。 2 国内外火炸药双螺杆挤出工艺研究进展 2. 1 国外火炸药双螺杆挤出工艺研究现状 双螺杆挤出工艺技术是火炸药柔性制造技术发 展的重点,双螺杆挤出工艺可实现加工制备发射药、 推进剂、炸药和烟火剂等多种不同产品 [5- 10] ,并实现 连续化、自动化,减少生产环节和运输步骤,缩短了 生产周期。 现代在线检测和自动控制技术在双螺杆 挤出工艺上的应用,显著提高了双螺杆挤出工艺的 效率和安全性。 国外各军事强国早在20 世纪 70 年代就已开始 双螺杆挤出工艺在火炸药行业的应用研究。 首先是 德国的代拿买诺贝尔公司将几台双螺杆挤出机联合 起来,分别完成了双基药制备过程中的造粒和成型 工艺,使双基药的制备实现了连续化。 随后 W&P 公司研制了组合式双螺杆挤出机。 德国 WNC 硝基 化学公司也研制了一种由剪切压延机与双螺杆挤出 机联合组成的双螺杆压伸工艺,可用来生产单基药、 双基药、三基药。 法国火炸药集团公司 1971 年制造 了双螺杆挤出原理样机,1980 年成形技术研制成 功,1982 年采用单螺杆和双螺杆挤出机组成的联合 生产线实现了工业化生产。 美国于 70 年代后期开 始投巨资改造火药生产线,雷德福兵工厂采用双螺 杆挤出技术已建成了单、双、三基药生产线。 美国聚 142013 年8 月 火炸药双螺杆挤出工艺的研究现状与发展 黄亚峰等 磁 收稿日期 2013- 03- 21 作者简介 黄亚峰(1978 ~),男,副研究员,硕士,研究方向为混合炸药配方及工艺研究。 E- mailhuangyafeng204@163. com 硫橡胶公司为生产 LOVA 发射药于 1982 年开始研 究双螺杆挤压工艺;该公司与西德 W&P 公司利用 联合设计的 ZSK 同向旋转双螺杆挤出机于 1989 年 开始进行多种含能材料的生产加工 [11] 。 20 世纪 90 年代末,美国陆军 RDECOM- ARDEC 皮卡汀尼兵工厂采用双螺杆挤出技术制备了 PAX- 2 炸药(85%HMX,9%BDNPA- F,6%CAB),在此技术 基础上,随后研究制备含铝炸药 PAX- 3(64%HMX, 20%Al,9. 5%BDNPA- F,6. 5%CAB) [12] ,该双螺杆 挤出装置具有以下优点制备过程连续化,产能可以 达到15. 876kg/ h,可以同时输入多种物料;混合过 程物料接触紧密并且过程可控,溶剂使用量较传统 工艺减少 50%,减少了溶剂对环境的污染;在线处 理物料量较传统工艺显著降低,只有 0. 907kg,增加 了安全性。 通过对设备的调整,可以制备一系列不 同性能的炸药,如美国陆军的 PAX- 2、PAX- 2A、PAX- 3、PAX- 4、PAX- 5、PAX- 30 和美国海军的 PAX- 9、 PAX- 11、PAX- 18 等炸药。 2004 年前后,美国海军地面武器研究中心与德 国火炸药研究所(ICT)通过联合攻关将在线监测仪 器应用到了 37mm 双螺杆挤出机上,实现了在线检 测温度、压力等参数,显著提高了双螺杆挤出机生产 安全性,并成功制备了海军用的两种塑料粘结炸药 PBXN- 106 和 PBXN- 109 [13] 。 由于双螺杆挤出工艺对纳米材料具有优良的混 合效果,近年来国外开展了含有纳米材料的含能材 料的混合效果研究。 美国史蒂文斯科技学院的 S. Ozkan 设计了一种螺距为 7. 5mm 的双螺杆挤出机, 用来研究含有凝胶型粘结剂的纳米铝基含能材料模 拟 物的混合效果 。通过 宽角 X 射线衍 射技术 ( wideangle X- ray diffraction)以及混合后物料的扫 描电镜(SEM)对比,发现纳米铝基含能材料模拟物 采用双螺杆挤出工艺比传统工艺制备的混合均匀 效 果更好。图1为其设计的7. 5mm的双螺杆挤出 机,图2为双螺杆挤出工艺与传统工艺制备纳米 图1 7. 5mm 双螺杆挤出机 Fig. 1 7. 5mm twin screw extruder (a) (b) (a)双螺杆挤出工艺;(b)传统工艺 图2 双螺杆挤出工艺与传统工艺制备纳米材料的 SEM Fig. 2 SEM of nano- materials produced by twin screw extruder and traditional technology 材料的 SEM [14] 。 2. 2 国内火炸药双螺杆挤出工艺研究现状 国内对双螺杆的研究工作开始于 20 世纪 90 年 代,主要分析了双螺杆工艺制备火药推进剂的安全 性问题 [15- 16] 。 近年来,国内对双螺杆挤出工艺的研 究主要集中在发射药及推进剂中单基药、双基药以 及复合药的挤出工艺研究,对于军用炸药的双螺杆 挤出工艺研究鲜见报道。 席海军 [17] 采用正交试验方法研究了发射药双 螺杆挤出过程中溶剂比、模具形式、螺杆组合方式、 模具水温、螺杆水温等各种工艺参数与发射药成型 性能的关系。 试验结果发现对发射药密度的影响 作用最大的是模具形式,对机头压力影响最大的是 溶剂比,对主机扭矩影响作用最显著的是螺杆组合 方式,而且各种工艺参数之间彼此影响,其中,机头 压力随着螺杆转速的增加而变大,扭矩随着加料频 率的增加而增大。 何吉宇等 [18- 19] 的研究发现对于推进剂药浆温 度影响显著性由强到弱的排列顺序为机筒温度、螺 杆转速、螺杆结构、药料自身的性质,而对于推进剂 药料混合优度影响显著的因素主要是第一段机筒温 度、螺杆转速和螺杆混合元件及组合结构。 李晓东等 [20] 研究了多孔超高燃速推进剂代替 料的双螺杆挤出工艺,结果表明该工艺适用于多孔 超高燃速推进剂的制备,并且制备效果明显优于手 工混合。 虽然双螺杆技术可以实现炸药制备过程的全流 程自动化,但是,双螺杆技术在我国炸药领域至今还 没有广泛推广。 国内炸药领域最先使用到双螺杆技 术的是乳化炸药的自动化包装机 [21- 24] 。 2. 3 国内外火炸药双螺杆挤出工艺研究水平 国外各军事强国对于火炸药双螺杆挤出工艺研 究设备及手段齐全。 现在国外已经完成了火炸药双 螺杆挤出自动化试制线的建设,具体见图 3,并且进 行了 PAX- 3 炸药的试制。 24 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 42 卷第4 期 图 3 PAX- 3 炸药自动化生产线 Fig. 3 Automatic production line of PAX- 3 explosive 与国外火炸药双螺杆挤出工艺研究水平相比, 国内仍处于较低的研究水平,存在较大的差距。 2. 3. 1 双螺杆挤出工艺的研究面较窄 双螺杆挤出工艺的研究面较窄主要表现在两个 方面一是只研究发射药和推进剂的双螺杆挤出工 艺,没有开展炸药双螺杆挤出工艺的研究;二是发射 药和推进剂的双螺杆挤出工艺研究仅仅关注工艺参 数的研究,未进行双螺杆挤出机螺杆结构对火炸药 质量、工艺参数的影响研究。 2. 3. 2 双螺杆挤出工艺的研究手段缺乏 国内双螺杆挤出工艺研究只关注双螺杆机挤出 工艺参数的研究,研究方法通常采用代替料试验后, 直接用火炸药研究挤出工艺,根本不关注、也不关心 代替料与火炸药的流变特性是否一致,火炸药本身 的流变特性是否适应双螺杆挤出等方面的研究。 此 种研究方法直接导致的后果之一就是双螺杆挤出工 艺制备火炸药时经常出现事故。 2. 3. 3 缺乏对双螺杆挤出机的研究 双螺杆挤出机螺纹结构的不同直接影响物料的 混合效能、混合质量以及混合的工艺参数,双螺杆挤 出工艺的核心设备是双螺杆挤出机,但至今国内缺 乏火炸药用双螺杆挤出机设计方面的人才。 2. 4 双螺杆挤出工艺在火药、炸药中的应用前景 双螺杆挤出技术作为一种安全的可实现连续 化、自动化的火炸药制备技术一直是国外各军事强 国研究的热点,如果我国科研人员能够缩短以上三 方面的差距,将实现我国军用火炸药的连续化、自动 化的安全制备。 双螺杆不同的螺纹元件组合可以赋 予双螺杆机输送、混合、塑炼、反应等各种不同功能。 因此,如能设计合理的螺纹元件并选择合适的材质 用于制造双螺杆螺纹元件,双螺杆挤出机完全可以 实现乳化炸药、凝胶炸药自动化制备和包装,降低劳 动强度和生产成本,提高生产效率。 3 结束语 由以上评述国内外在双螺杆挤出工艺制备火炸 药方面的研究现状可见,国内双螺杆挤出工艺研究 水平较国外存在较大的差距。 为实现高质量自动 化、连续化安全制备火炸药,必须全面开展双螺杆挤 出工艺方面的研究,培养双螺杆挤出机结构、安全、 工艺技术研究等方面的人才。 参 考 文 献 [1] 塔德莫尔,高戈斯. 聚合物成型加工原理[M]. 2 版. 任 冬云,译. 北京化学工业出版社,20091- 2. 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For the sake of better development of the twin- screw extruder technology in propellants and explosives , it is advised that the study on the structure design , safety measures and manufacture process of the twin screw extruder be carried out and the professionals be educated . [KEY WORDS] physical chemistry, twin screw extruder, explosives, propellants, gun propellants 44 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 42 卷第4 期