纳米RDX的热性能及感度研究磁.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001- 8352. 2013. 06. 003 纳米 RDX 的热性能及感度研究 磁 王龙祥 ① 刘 杰① 曾江保① 李 青① 刘巧娥② 王 毅① 姜 炜① 李凤生① ①南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心(江苏南京,210094) ②甘肃银光化学工业集团有限公司科研所(甘肃白银,730900) [摘 要] 采用激光粒度仪跟踪粒度分布,用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察颗粒大小和 形貌;通过热重(TG)和差示扫描量热法(DSC)分析了使用 HLGB- 10 型粉碎机批量制备纳米黑索今 (RDX)的热分 解特性,并测定了 5 s 爆发点和感度。 研究结果表明,制备的纳米RDX 粒度分布窄;与原料RDX 相比,活化能和5 s 爆发点稍有降低,热安定性基本不变,静电感度与火焰感度与原料 RDX 相当;摩擦、撞击和冲击波感度分别比原料 RDX 降低了 37. 5%、 92. 8%和51. 0%。 [关键词] 纳米 RDX 批量制备 热性能 感度 [分类号] TJ55 TQ564. 4 +2 引言 以 RDX 为代表的硝胺类炸药具有爆速高、爆热 大、爆轰稳定等优点,能够满足高能混合炸药和固体 推进剂的潜在要求 [1- 5] 。 然而,普通 RDX 感度高,受 到外界刺激时易发生燃烧或爆炸,限制了其应用。 研究表明,RDX 粒度对其机械感度有明显的影响, 随着粒度的减小,其机械感度降低 [4- 6] ,将 RDX 超细 化甚至纳米化是提高其安全性的重要途径。 在纳米 RDX 制备方面,国内外学者做了很多工作 [7- 9] 。 赵 雪等 [10] 用环己酮作为重结晶的溶剂制备出球形的 纳米 RDX;芮久后等 [11] 通过控制搅拌强度等因素, 利用 HNO3重结晶制备了纳米 RDX;Qiu 等 [12] 和陈 厚和等 [13] 将普通的 RDX 溶于特定的混合溶剂中, 利用喷雾干燥法制备得到纳米 RDX;Qiu 等 [12] 和 Spitzer 等 [14] 运用超临界流体扩张技术制备了纳米 RDX,并对其性能进行了表征;何得昌等 [15] 利用高 速碰撞技术制备出了纳米级的 RDX,并研究了不同 碰撞次数对粒径的大小。 然而,这些方法制备纳米 RDX 时产量小,产率 较低,产品粒径分布较宽,对工艺参数的依赖性太 高,实验重复性较差,生产成本高,并且对环境的污 染较大。 采用机械球磨法通过控制浆料浓度、转速、 研磨介质填充量、研磨时间等因素,可以制备出颗粒 大小均匀的纳米 RDX,且其产量大,产率高,能耗 低,能够满足工业化生产的需求。 本文研究了机械 粉碎法制备的纳米 RDX 的热性能和感度,为其实际 应用奠定基础。 1 试验 1. 1 仪器与设备 Tecnai G2 F30S- Twin 透射电子显微镜,荷兰 Philips 公司; Malven Zetasizer 3000 激光粒度分析仪 和 Malven MasterSizer 激光粒度仪,英国 Marlven 公 司;S- 4800Ⅱ扫描电子显微镜,日本日立公司;STD Q600 同步热分析仪,美国 TA 公司;HLGB- 10 型粉 碎机,南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研 究中心设计。 1. 2 材料及试剂 原料工业级 RDX,甘肃银光化学工业集团有限 公司生产,d50= 20 ~ 30 μ m;去离子水电导率≤2. 0 μ S/ cm。 1. 3 纳米 RDX 的制备 将原料 RDX 用去离子水配制成质量分数为 15%的悬浮液浆料,把该浆料加入 HLGB- 10 型粉碎 机内,控制内轴转速为 120 r/ min,筒体转速为 70 r/ min,研磨介质填充量为 70%,待粉碎 6 h 后将 RDX 浆料取出,使用冷冻干燥将样品干燥为分散性 良好的粉末,其含水率低于 0. 5%。 对干燥好的样 品进行粒度检测、热性能分析和感度测试,其中测试 前样品分别放到55 ℃下干燥4 h。 试验过程中原料 41 爆 破 器 材 Explosive Materials 第42 卷第6 期 磁 收稿日期 2013- 07- 02 基金项目 国家自然科学基金(51206081) 作者简介 王龙祥(1990 ~ ),男,硕士研究生,主要从事含能材料超细化研究。 E- maillxwang112@163. com 通信作者 姜炜(1973 ~ ),男,副研究员,主要从事纳米含能材料的研究。 E- mailclimentjw@126. com RDX 的每批处理量为 1000 g。 1. 4 感度测试 根据国军标 GJB 772A1997. 606. 1 方法对 RDX 样品进行 5 s 爆发点测试药量为 30 mg,铝平 底雷管壳。 根据国军标 GJB 772A1997. 604. 1 导火索法 对 RDX 样品进行火焰感度测试标准导火索 7 cm, 药量为20 mg。 根据国军标 GJB 21782005 静电安全性对 RDX 样品进行静电感度测试电极间隙 0. 18 mm, 放电电压20 kV,储能电容2000 pF,激发能量0. 4 J。 根据国军标 GJB 772A1997. 602. 1 对 RDX 样 品进行摩擦感度测试,测试条件摆角 90 ,3. 92 MPa,药量为20 mg。 试验分两组,每组 25 发,计算 其爆炸百分数,并以两组试验的平均爆炸百分数表 征样品的摩擦感度,用其相对百分比表征摩擦感度 的变化,即(P2- P1)/ P1 100%。 根据国军标 GJB 772A1997. 601. 2 对原料 RDX 样品进行撞击感度测试,测试条件落锤质量 为2. 5 kg,药量为 35 mg。 根据测试结果计算样品 的特性落高 H50高度值越大,炸药的撞击作用越 强,即激发炸药样品发生爆炸的能量越高,炸药的感 度越低;反之,高度越小,炸药感度越高。 以特性落 高法的相对变化百分比表征撞击感度的变化,即 (H′ 50- H50)/ H50 100%。 根据国军标 GJB 2178. 1A2005 第 1 部分对 RDX 样品进行小隔板试验,测试条件为丙酮精制 的 RDX 所制成的药柱,密度为 1. 48 g/ cm 3;隔板为 PMMA 片;RDX 样品药柱密度为 1. 63 g/ cm 3。 隔板 厚度的相对变化百分比表征冲击波感度的变化,即 (δ1- δ2) / δ1 100%。 2 结果与讨论 2. 1 粒度分布图和电镜照片 原料及纳米 RDX 的粒度分布和电镜照片如图 1、图2 所示。 (a) (b) (a) 原料 RDX;(b)纳米 RDX 图1 原料 RDX 及纳米 RDX 粒度分布图 Fig. 1 Particle size distributions of raw RDX and nano- RDX (a) (b) (a)原料 RDX; (b) 纳米 RDX 图2 原料 RDX 的 SEM 照片和纳米 RDX 的 TEM 照片 Fig. 2 SEM of raw RDX and TEM of nano- RDX 由图1、图 2 可知,原料 RDX 颗粒为不规则的 多面体形,表面凹凸不平,且大小很不均匀,d50为 25. 3 μ m,大部分颗粒在15 μ m 以上,粒度分布范围 很宽;纳米 RDX 颗粒为球形或类球形,大部分在 100 nm 以下,大小均匀,粒度分布范围较窄。 2. 2 热性能分析 原料及纳米 RDX 的 TG- DTG 和 DSC 曲线如图 3、图 4 所示。 由图3、图4可知,与原料RDX相比,在相同升 温速率下,纳米RDX的热分解峰温稍有提前,并且 512013 年12 月 纳米 RDX 的热性能及感度研究 王龙祥等 (a) (b) (a) 原料 RDX;(b) 纳米 RDX 图3 原料 RDX 和纳米 RDX 的 TG- DTG 曲线 Fig. 3 TG- DTG curves of raw RDX and nano- RDX rate of raw and nano RDX (a) (b) (a) 原料 RDX;(b) 纳米 RDX 图4 原料 RDX 和纳米 RDX 在不同 升温速率下的 DSC 曲线 Fig. 4 DSC curves of raw RDX and nano- RDX under different heating rates 当升温速率为 20 K/ min 时,纳米 RDX 的最大质量 损失温度比原料 RDX 提前了 1. 6 K。 这是因为原 料 RDX 纳米化后,比表面积增大,在一定的加热速 率下,一段时间内所吸收的外界能量增加,导致其最 大质量损失温度、热分解峰温均有所降低。 采用式 (1)计算原料及纳米 RDX 的表观活化能 [16] ln[T s p Φ] = A Ea RTp + C。(1) 式中Ea为表观活化能,kJ/ mol;Tp为热分解峰温, K;Φ为升温速率,K/ min;C 为常数;R 为气体常数, 8. 314 J/ (K mol);S 为常数。 Kissinger 方法A 为 1, S 为 2;Starink 方法A 为 1. 0518,S 为 0;Ozawa 方法A 为1. 0070 - 1. 2 10 - 8E a,S 为1. 8。 计算结果如表1 所示。 表1 原料及纳米 RDX 的表观活化能 Tab. 1 Apparent activation energy of raw RDX and nano- RDX kJ mol - 1 样品 Kissinger 方法 Starink 方法 Ozawa 方法 平均值 原料 RDX139N. 5901406. 8691396. 471139 . 977 纳米 RDX130N. 7701326. 4551306. 705131 . 310 由表1 可知,分别用 Kissinger、Starink 和 Ozawa 方法计算得到的表观活化能基本一致,取三者的平 均值表示原料及纳米 RDX 的表观活化能,分别为 139. 977 kJ/ mol 和131. 310 kJ/ mol。 与原料 RDX 相 比,纳米 RDX 的 Ea降低 8. 667 kJ/ mol,变化仅为 6. 61%。 炸药的热安定性可以用自发火温度 [17] (Tb)来 表示 Tb= E - E 2 - 4ERTp 2R 。(2) 式中E 为活化能, J/ mol;R 为气体常数,8. 314 J/ (K mol), Tp为热分解峰温,K。 表 2 为原料 RDX 和纳米 RDX 的自发火温度计 算值。 由表 2 可知,与原料 RDX 相比,纳米 RDX 的 自发火温度仅降低了0. 99 K,说明 RDX 纳米化后热 表2 原料及纳米 RDX 的自发火温度 Tab. 2 Self- ignition temperature of raw RDX and nano- RDX K 样品热分解峰温(Tp)自发火温度(Tb) 原料 RDX505M. 52521c. 68 纳米 RDX503M. 52520c. 69 61 爆 破 器 材 Explosive Materials 第42 卷第6 期 安定性基本不变。 爆发点是衡量炸药热稳定性的直观数据,其测 试结果如表 3。 表3 5 s 延滞期爆发点试验 Tab. 3 Results of explosion temperature(Tc) in five seconds delay test K 样品原料 RDX纳米 RDX 5s 爆发点554-. 05546C. 55 由表 3 可知,与原料 RDX 相比,纳米 RDX 的 5 s 爆发点降低了7. 5 K,仅变化1. 35%。 与活化能和 自发火温度计算结果基本一致,说明原料 RDX 纳米 化后热稳定性基本不变。 与原料 RDX 相比,纳米 RDX 的比表面积大,传 热速率快,因而导致活化能降低,自发火温度和 5 s 爆发点提前。 然而,决定 RDX 热性能的因素是其基 本属性。 RDX 纳米化后,其本质属性未变,因此 E、 Tp和 Tc变化较小。 2. 3 感度测试 2. 3. 1 静电感度和火焰感度测试结果 表4 为试样的静电和火焰感度测试数据。 表4 原料及纳米 RDX 的静电感度和火焰感度 Tab. 4 Static- electric sensitivity and flame sensitivity of raw RDX and nano- RDX 样品静电感度/ %火焰感度 H50 原料 RDX0D零距离不发火 纳米 RDX0D零距离不发火 由表 4 可知,在现有的极限条件下,纳米 RDX 和原料 RDX 的静电感度均为 0,且在零距离下均不 发火。 说明 RDX 纳米化后比表面积的显著增加不 会影响其静电感度和火焰感度。 2. 3. 2 摩擦、撞击和冲击波感度测试结果 表5 为试样的摩擦、撞击和冲击波感度测试数 据。 表5 原料及纳米 RDX 的摩擦、撞击 和冲击波感度 Tab. 5 Friction, impact and shock wave sensitivity of raw RDX and nano- RDX 样品 摩擦感度 / % 撞击感度 (H50)/ cm 冲击波感度 (90%TMD)/ mm 原料 RDX80牋51 . 412D. 60 纳米 RDX50牋99 . 16-. 17 由表 5 可知,与原料 RDX 相比,纳米 RDX 的摩 擦感度、撞击感度、冲击波感度分别降低了 37. 5%、 92. 8%和 51. 0%。 RDX 经过纳米化后,机械感度明 显降低,安全性大大增加。 由于原料 RDX 内部存在缺陷,其塑性屈服强度 比结构密实的纳米炸药小,更容易发生黏塑性变形 并形成热点;另一方面,工业级炸药所形成的内部孔 穴半径较大,而纳米炸药所形成的内部孔穴半径较 小,形成热点的几率较低。 因此,当受到冲击作用 时,纳米 RDX 比原料 RDX 产生热点的几率低,表现 为撞击和冲击波感度降低。 3 结论 1)用 HLGB- 10 球磨制备的纳米 RDX 颗粒大部 分在 100 nm 以下,呈球形或类球形。 2)与原料 RDX 相比,纳米 RDX 的活化能和 5 s 爆发点稍有提前,热安定性基本不变。 3) 纳米 RDX 的静电感度和火焰感度与原料 RDX 相当。 4)纳米 RDX 的摩擦、撞击和冲击波感度分别比 原料 RDX 降低了37. 5%、92. 8%和 51. 0%。 参 考 文 献 [1] 焦清介,李江存,任慧,等.RDX 粒度对改性双基推进 剂性能影响[J].含能材料,2007,15(3) 220- 223. 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Study on Thermal Properties and Sensitivities of Nano- RDX WANG Longxiang ①,LIU Jie①,ZENG Jiangbao①,LI Qing①,LIU Qiao摧 e②,WANG Yi①,JIANG Wei①,LI Fengsheng① ① National Special Superfine Powder Engineering Research Center of China , Nanjing University of Science and Technology (Jiangsu Nanjing, 210094) ② Research Institute of Gansu Yinguang Chemical Industry Group Co . , Ltd.(Gansu Baiyin, 730900 ) [ABSTRACT] The particle size distribution of nano- RDX was traced by the laser particle size analyzer.At the same time, the particle size and the morphology of nano - RDX were characterized through the SEM and the TEM .The thermal decomposition of nano- RDX which was prepared in batches by the pulverized machine HLGB - 10 was examined by the TG / DSC simultaneous thermal analyzer. Furthermore, the explosion temperature in five seconds and the sensitivities were meas - ured.Results show that the nano- RDX gets a narrow particle size distribution.Compared with the coarse counterpart , the activation energy and the explosion temperature in five seconds decrease slightly , and the thermal stability remains unchanged.The electrostatic sensitivity and the flame sensitivity of nano- RDX are the same as that of the coarse counterpart.while friction, impact and shock wave sensitivity of nano - RDX respectively decrease by 37. 5%, 92. 8% and 51. 0%. [KEY WORDS] nano- RDX, batched preparation,thermal properties, sensitivities 81 爆 破 器 材 Explosive Materials 第42 卷第6 期