TATB／HMX基PBX的水懸浮包覆工藝研究

雷英春，王晶禹

（1.中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051；2.太原工業學院環境與安全工程系，山西 太原 030008）

引 言

TATB是目前熱安定性最好的高能鈍感炸藥，理論爆速為8 000m／s，理論密度為1.938g／cm3，晶體優先取向會導致其力學性能各向異性，可通過超細化進行緩解［1］。HMX是當前綜合性能最好的軍用炸藥，但其感度較高，不滿足高能鈍感炸藥的要求。將HMX與TATB混合可降低HMX感度，滿足現代戰爭對鈍感彈藥的需求［2］。

目前國外常用的鈍感傳爆藥均為壓裝藥，如LX－17、超細 TATB、PBX－9502、PAX－2A、PBXN－7、BX 系 列、PBXW－14 等。因此，需要 對 TATB／HMX炸藥用黏結劑包覆形成造型粉，才能用于壓裝。目前含能材料常用的包覆降感方法主要有泥漿法和水懸浮法等。泥漿法工藝簡單，用水較少，黏結劑無需滴加，直接混合即可，常用于工業生產。水懸浮法料水比通常為1∶5～1∶10，且黏結劑溶液必須滴加，限制了懸浮液中固體炸藥的含量，導致生產效率較低，常用于實驗室制備。Heinz Hofmann等［3］采用無水包覆技術制備TATB基PBX，該法對反應器要求較高，適用于工業生產TATB基鈍感炸藥。雷瑞琛等［4］采用水懸浮法和溶劑蒸發法用HTPB包覆RDX。李俊龍等［5］用EPDM 包覆CL－20，包覆后的 CL－20鈍感效果明顯。黃斌等［6］在超聲輔助下制備出HMX／TATB核殼粒子，其撞擊感度與摩擦感度及熱分解峰溫均降低。J.D.Yeager等［7］通過濕度控制的蒸發滴加包覆工藝將RDX涂覆在硅板上，然后浸在不同濃度的黏結劑中，制備了A－3炸藥，并研究了界面特性隨微觀結構的變化。

本研究采用水懸浮法制備了TATB／HMX基PBX，研究了料液比（TATB／HMX與純凈水的質量比）、溫度、真空壓力、顆粒成熟時間等因素對包覆效果的影響規律，以期為TATB／HMX基PBX制備及放大生產提供參考。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

TATB，甘肅銀光化學工業集團有限公司；HMX，甘肅銀光化學工業集團有限公司；VitonA，四川晨光商貿有限公司；乙酸乙酯，天津市科密歐化學試劑有限公司；Span－80，天津天大化工實驗廠；Tween－80，天津天大化工實驗廠。

Hitachi S－4700冷場發射掃描電子顯微鏡（FESEM），日本株式會社日立制作所，電壓為5.0kV；Hydro 2000Mu馬爾文激光粒度分析儀，英國馬爾文儀器有限公司，采用超純水作為分散介質。

1.2 TATB／HMX基PBX的制備

分別取6.8gTATB和7.5g HMX放入500mL廣口瓶中；加入150mL純凈水，滴加復配的表面活性劑（Span－80與 Tween－80質量比為6∶4），攪拌速率為200r／min，使炸藥充分分散于水中，依次開啟冷凝回流系統、真空系統、分液漏斗旋塞，控制真空壓力和滴加速度，將27mL黏結劑溶液（VitonA質量分數為3%的乙酸乙酯溶液）滴入廣口瓶；反應完成后，過濾、干燥，得到產物14.7g。

2 結果與討論

2.1 料液比對TATB／HMX基PBX形貌的影響

在溫度為60℃、真空壓力為0.045MPa、黏結劑溶液滴加速率為25mL／min、攪拌速率為500r／min、成熟時間為3min，料液比（TATB／HMX與純凈水的質量比）為1∶3和1∶10條件下所得TATB／HMX基PBX樣品的形貌見圖1。

由圖1可看出，料液比為1∶3時，TATB／HMX基PBX顆粒表面粗糙，包覆不完全；料液比為1∶10時，顆粒表面光滑。分析原因認為，水越多，水力打磨作用越明顯，形成的顆粒表面更加光滑且有光澤，包覆更完全。因此，料液比選1∶10為佳。

1 料液比對TATB／HMX基PBX包覆樣品形貌的影響ig.1 Effects of ratio of material to liquid on morphology of TATB／HMX based PBX

2.2 溫度對包覆過程的影響

在黏結劑溶液滴加速率為25mL／min、攪拌速率為500r／min、成熟時間為3min、料液比為1∶10、真空壓力為0.045MPa時，考察了不同溫度對包覆過程的影響，結果如表1所示。

表1 溫度對包覆過程的影響Table 1 Effects of temperature on coating process

由表1可看出，溫度55℃時，低于乙酸乙酯／水恒沸物［8］的沸點較多，易于通過真空壓力控制恒沸物不沸騰，但需要較長的反應時間；60℃時，略低于恒沸物沸點，易于通過控制真空壓力，避免恒沸物沸騰，且反應時間較短，可提高效率；65℃時，高于恒沸物沸點，恒沸物沸騰，體系處于紊態，產生較大的水力剪切，不利于黏結劑附著，同時溶劑餾出速度太快，不利于成膜，影響顆粒形貌。因此，選60℃為最佳反應溫度。

2.3 真空壓力對TATB／HMX基PBX形貌的影響

在溫度為60℃、黏結劑溶液滴加速率為25mL／min、攪拌速率為500r／min、成熟時間為3min、料液比為1∶10時，無真空壓力及真空壓力為0.045、0.050MPa條件下所得TATB／HMX基PBX樣品的SEM照片見圖2。

由圖2可看出，無真空壓力時，TATB／HMX基PBX顆粒為扁平狀；真空壓力為0.045MPa時，顆粒呈球形；真空壓力為0.050MPa時，出現大量空腔，顆粒被破壞。分析認為，在一定的攪拌速率下，合適的真空壓力可以使懸濁液中的TATB／HMX團塊懸浮于水面，當黏結劑溶劑在某個瞬間迅速離開炸藥固體時，即可形成造型粉顆粒。因此，本研究真空壓力取0.045MPa。

圖2 不同真空壓力下TATB／HMX基PBX樣品的SEM照片Fig.2 SEM images of TATB／HMX based PBX under different vacuum pressures

2.4 成熟時間對TATB／HMX基PBX形貌的影響

在溫度為60℃、真空壓力為0.045MPa、黏結劑溶液滴加速率為25mL／min、攪拌速率為500r／min、成熟時間分別為1、3、5min的條件下所得TATB／HMX基PBX樣品的SEM照片見圖3。

由圖3可看出，成熟時間為1min時，TATB／HMX基PBX形貌不規則，同時由于顆粒內部的空腔未被消除，導致顆粒不密實；成熟時間為3min時，顆粒呈球形，表面光滑，沒有較大空腔，顆粒堆積密度較大，為0.8240g／cm3；成熟時間為5min時，成熟時間過長，可能導致部分顆粒被打碎，造成形貌不規整，也可能導致炸藥與黏結劑脫粘。因此，選擇較佳的成熟時間為3min。

圖3 成熟時間對TATB／HMX基PBX形貌的影響Fig.3 Effects of maturing time on morphology of TATB／HMX based PBX

2.5 表面活性劑對TATB／HMX基PBX形貌的影響

圖4為滴加表面活性劑與不滴加表面活性劑時制備的TATB／HMX基PBX照片。

圖4 表面活性劑對TATB／HMX基PBX形貌的影響Fig.4 Effects of surfacant on morphology of TATB／HMX based PBX

由圖4可以看出，未滴加表面活性劑時，由于炸藥分散不均勻，形成懸濁液，局部攪拌不均勻，導致部分TATB／HMX被包覆。另外，黏結劑溶液分散也不均勻，部分TATB／HMX基PBX顆粒形成后又脫粘，形成碎屑；加入表面活性劑后，顆粒包覆完全，且粒徑分布較均勻。

TATB、HMX的表面能 （γc）分別為 51.8、44.7mN／m，二者都是低表面能材料，且低于水的表面能。加入表面活性劑后，可以適當縮小炸藥與水之間的表面能差，使炸藥與水能更好地潤濕。

非離子表面活性劑在水中不發生電離，穩定性高，與其他類型表面活性劑相容性好，便于混合復配使用。Span－80和Tween－80的親水疏水平衡值（HLB）分別為4.3、15.0，兩者以質量比6∶4混合后HLB值為8.58，符合表面活性劑作為潤濕劑時HLB值應為8～10的要求［9］。因此，加入復配Span－80／Tween－80表面活性劑后，在攪拌作用下，TATB／HMX炸藥可以快速并充分分散在水中形成水懸浮液。溶有VitonA的乙酸乙酯也均勻分散在水懸浮液中，使互不相溶的3種物質能夠互相接近，均勻混合，形成造型粉顆粒。

3 結 論

（1）用水懸浮法制備TATB／HMX基PBX的最佳工藝條件為：溫度60℃、料液比為1∶10、真空壓力0.045MPa、黏結劑溶液滴加速率為25mL／min、攪拌速率為500r／min、成熟時間為3min，此時TATB／HMX基PBX的最大堆積密度為0.8240g／cm3，顆粒呈球形，表面光滑。

（2）將Span－8／Tween－80（質量比6∶4）復配形成復合表面活性劑可使TATB／HMX基PBX的形貌得到明顯改善。

［1］ 李志鵬，龍新平，向松偉，等.復合載荷作用下TATB基PBX藥柱的損傷試驗研究［J］.火炸藥學報，2014，37（6）：20－23.LI Zhi－peng，LONG Xin－ping，HE Song－lin，et al.Experimental study on the TATB－based PBX explosive damage in combined load［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2014，37（3）：20－23.

［2］ Scott W，Barry T.Navy qualification testing of PBXW－14 Explosive［R］.NDIA（National Defense Industrial Association）.IM／EM Technology Symposium，2007.

［3］ Heinz H，Schnaittach，Karl R，et al.Insensitive explosive molding powders，paste process：US，6884307 B1［P］.2005－4.

［4］ 雷瑞琛，田亮.HTPB包覆RDX效果影響因素研究［J］.山西化工，2014，34（1）：28－30.LEI Rui－chen.TIAN Liang.Research on influencing factors of HTPB coated with RDX［J］.Shanxi Chemical Industry，2014，34（1）：28－30.

［5］ 李俊龍，王晶禹，安崇偉，等.EPDM對CL－20的包覆及表征［J］.火炸藥學報，2012，35（1）：23－26.LI Jun－long，WANG Jing－yu，AN Chong－wei，et al.Coating of CL－20by EPDM and its characterization［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2012，35（1）：23－26.

［6］ HUANG Bin，HAO Xiao－fei，ZHANG Hao－bin，et al.Ultrasonic approach to the synthesis of HMX＠TATB core－shell microparticles with improved mechanical sensitivity ［J］.Ultrasonics Sonochemistry， 2014，21：1349－1357.

［7］ Yeager J D，Ramos K J，Pesce－Rodriguez R A，et al.Microstructural effects of processing in the plasticbonded explosive composition A－3 ［J］.Materials Chemistry and Physics，2013，139：305－313.

［8］ 夏清，陳常貴.化工原理［M］.天津：天津大學出版社，2000.

［9］ 陸明.表面活性劑及其應用技術［M］.北京：兵器工業出版社，2007.