FOX-7基PBX藥漿的流變特性研究

祝 青,謝 虓,蔣全萍,鄭保輝

(中國工程物理研究院 化工材料研究所， 四川 綿陽 621999)

澆注聚合物粘接炸藥(PBX)是實現(xiàn)高能鈍感炸藥的一條主要途徑，而在PBX中使用高能鈍感炸藥替代或部分替代高敏感性炸藥是炸藥配方中最易實現(xiàn)的方法。FOX-7(1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯)是一種爆轟性能良好的高能炸藥，且由于其具有好的機械感度、沖擊波感度和與其他含能組分良好相容特性，使得其在不敏感炸藥中的應用成為研究熱點[1-4]。由于FOX-7是一種化學惰性物質(zhì)，可與大多數(shù)常用的含能材料、黏結劑和功能組分相容，也易與這些組分混合制備成澆注PBX，因此FOX-7基PBX鈍感彈藥的主要候選品種之一[5-9]。

在澆注PBX中，澆注預聚體的流變特性是澆注工藝中最值得關注的關鍵問題[10]，它直接影響預聚體的工藝可行性和藥柱成型質(zhì)量等關鍵技術和指標。因此，在研究澆注FOX-7基PBX的安全性能前應對其預聚體的流變特性進行詳細研究與分析，為后續(xù)工藝和藥柱質(zhì)量分析提供科學可靠的研究基礎[11]。本文以常用澆注PBX的預聚體HTPB(端羥基聚丁二烯)為液相載體，以兩種不同顆粒粒徑的FOX-7和奧克托今(HMX)為固相填料，通過澆注體中固相含量、溫度和固相顆粒級配等方面的變化，對FOX-7基PBX藥漿的流變特性進行了詳細研究。

1 實驗部分

HMX，甘肅銀光化學工業(yè)集團有限公司，平均粒徑446.90 μm；FOX-7-X，西安近代化學研究所；FOX-7-Z，中國工程物理研究院化工材料研究所；HTPB預聚體，工業(yè)品，羥值0.75 mmol/g，黎明化工研究院。

臺式掃描電鏡，荷蘭飛納Phenon One；激光粒度儀，美國貝克曼LS13320；粒子界面特性分析儀，美國XigGo Nanotools Acorn area；流變儀，奧地利安東帕MCR102。

以FOX-7-X、FOX-7-Z和HMX按不同需求稱取一定質(zhì)量，將固體顆粒混合于一定質(zhì)量的HTPB中，充分攪拌分散均勻后進行測試。

2 結果與討論

2.1 FOX-7形貌及粒徑分布

研究中使用兩種不同粒徑尺寸的FOX-7，通過掃描電鏡觀察其表面表面形貌，如圖1所示。由圖1可看出，F(xiàn)OX-7-X樣品為分散顆粒狀，晶體呈不規(guī)則顆粒或片狀形貌，晶體中分布較多風化巖石狀的空洞使得晶體結構較為疏松，而FOX-7-Z樣品形貌較為接近HMX晶體形狀，但表面仍有較多微裂紋。

圖1 兩種FOX-7樣品的SEM照片

對兩種樣品的粒度及分布進行了測試與分析，如圖2所示。由圖2分析可知，F(xiàn)OX-7-X樣品D50為17.73μm，F(xiàn)OX-7-Z樣品D50為345.50 μm。

圖2 四種樣品的粒徑分布曲線

對兩種樣品進行比表面積測試，發(fā)現(xiàn)FOX-7-X樣品BET值為0.41 m2/g，而FOX-7-Z樣品BET值過小無法檢測，說明FOX-7樣品從形貌上觀察雖然存在較多孔洞，但存在微孔(小于100 nm)并不多，因此比表面積均較小。同時采用微核磁脈沖技術對FOX-7-X材料在HTPB中的濕式比表面積進行測試，樣品平行測試3次，得到的粉末在HTPB中的弛豫時間分別為19.8 ms、19.2 ms和19.3 ms，計算得到的濕式比表面值分別為0.589、0.45和0.244。FOX-7粉末在HTPB中得到的濕式比表面積與BET測試得到的值差異較小，說明FOX-7在液相中表面幾乎均被HTPB浸潤包裹，兩相間相親性較好。

2.2 FOX-7-X與黏結劑體系的流變特性研究

以FOX-7-X為固相，HTPB為液相，將固相與液相按不同質(zhì)量比進行混合并攪拌均勻，配置成質(zhì)量分數(shù)分別為10%、30%和50%固相含量的分散體系，在室溫條件下對分散體系進行剪切應力和黏度隨剪切速率變化趨勢的測試，對其數(shù)據(jù)進行分析，考察固相含量對樣品流變性能的影響規(guī)律。由圖3可知，在室溫25 ℃環(huán)境下，當分散體系中FOX-7-X固含量為10%～30%時，分散體系的剪切應力與剪切速率成正比，其黏度值呈恒定狀態(tài)，固含量為10%時黏度值約為15 Pa·s，固含量為30%時黏度值約為30 Pa·s，分散體系具有穩(wěn)定的牛頓流體特性；而當FOX-7-X固含量增加為50%時，分散體系的剪切應力隨剪切速率增大而先增大后減小，黏度呈現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢，最后呈現(xiàn)黏度趨近于0的狀態(tài)，此時分散體系屬于典型的假塑性流體，具有剪切變稀特性。

對FOX-7-X固含量為30%和50%的分散體系進行變溫測試，分別測試了在55 ℃和85 ℃環(huán)境下體系的剪切應力隨剪切速率的變化曲線和黏度曲線。由圖4可知，固含量為30%時，隨著溫度的升高，一直保持牛頓流體特性，在55 ℃時黏度值約為6.5 Pa·s，在85 ℃時黏度值約為2.2 Pa·s；固含量為50%時，在55 ℃時分散體系仍然呈假塑性流體，具有剪切變稀特征，但黏度值在低剪切速率下較室溫時有較大的減小幅度，在85 ℃時分散體系黏度進一步下降，呈現(xiàn)接近牛頓流體特征，只有在高剪切速率下(大于80 s-1)出現(xiàn)非線性段，體系黏度值保持在10 Pa·s左右。

圖3 不同固含量分散體系在室溫下的應力和黏度測試曲線

圖4 不同固含量分散體系在高溫下的應力和黏度測試曲線

2.3 FOX-7顆粒級配對體系流變特性的影響

圖5是總固含量為30%時，使用FOX-7-X和FOX-7-Z兩種不同粒徑顆粒進行級配，與黏結劑HTPB形成的分散體系的表觀流變特性曲線。由圖可知FOX-7-Z與FOX-7-X顆粒進行級配時，體系的流變特性變化較小，但當配比為1∶1時，體系黏度最低，為約28.5 Pa·s，其次是配比為2∶1的黏度較低，為約29 Pa·s，而配比為1∶2時黏度最高，為約30 Pa·s，與純FOX-7-X體系的黏度相當。說明大顆粒在藥漿中有利于體系的內(nèi)部滾動，但也并非大顆粒越多越好，粗細顆粒保持在一定比例可實現(xiàn)最佳藥漿流變性能，利于藥漿的澆注工藝。

圖5 FOX-7兩級級配體系的應力與黏度測試曲線

圖6和圖7為FOX-7與HMX進行3級級配體系的表觀流變特性曲線。圖6是保持總固含量為40%，其中HMX粒徑為446.90μm粗顆粒，質(zhì)量保持不變?yōu)榧s14%，F(xiàn)OX-7質(zhì)量為約26%，改變FOX-7-X與FOX-7-Z配比，研究其藥漿的流變特性。由圖6可知，在體系中加入粗顆粒HMX后，體系的剪切應力和剪切速率仍然保持規(guī)律變化趨勢，當其中FOX-7-X與FOX-7-Z配比為1∶1時，藥漿的表觀黏度值最低，黏度波動性最小。說明HMX與FOX-7-Z和FOX-7-X進行復配時，顆粒匹配最佳，間隙填充最優(yōu)，使得藥漿體系在外界剪切速率發(fā)生變化時一直保持較穩(wěn)定的狀態(tài)。圖7是保持總固含量為50%，其中粗顆粒HMX質(zhì)量占比約為28%保持不變，F(xiàn)OX-7質(zhì)量占比約為22%，改變FOX-7-X與FOX-7-Z配比，研究其藥漿的流變特性。由圖7可知，增加了體系中粗顆粒HMX質(zhì)量含量后，體系呈現(xiàn)假塑性流體特性，其中FOX-7-Z和FOX-7-X配比為1∶2和1∶1時黏度下降趨勢基本一致，而當其配比為2∶1時，體系黏度下降趨勢變快。說明體系中粗顆粒和中顆粒質(zhì)量占比變大后，體系從穩(wěn)定的理想流體過度為非理想的假塑性流體，呈現(xiàn)剪切變稀特征。但從以上級配體系測試曲線可知，無論HMX和FOX-7進行何種級配，其形成的藥漿剪切應力-速率曲線均會通過原點，說明此藥漿沒有屈服點。

圖6 固含量為40%時FOX-7與HMX三級級配的黏度測試曲線

圖7 固含量為50%時FOX-7與HMX三級級配的黏度測試曲線

3 結論

FOX-7-X在HTPB中固含量為10%和30%時，藥漿呈現(xiàn)牛頓流體特性，黏度值分別為15Pa·s和30Pa·s，固含量為50%時，藥漿呈現(xiàn)剪切變稀特性；隨著環(huán)境溫度的升高，F(xiàn)OX-7-X與HTPB形成的藥漿體系黏度呈現(xiàn)大幅度降低，其中固含量在50%時在85 ℃條件下由假塑性流體特性轉變?yōu)槌尸F(xiàn)接近牛頓流體特征；總固含量為30%時，F(xiàn)OX-7兩種粒徑顆粒進行級配時，質(zhì)量比為1∶1時，藥漿表觀黏度最低；總固含量為40%時，HMX與兩種FOX-7進行三級級配時，藥漿呈現(xiàn)穩(wěn)定的牛頓流體特性，當FOX-7-Z：FOX-7-X為1∶1時，藥漿表觀黏度最低；總固含量為50%時，HMX和兩種FOX-7進行三級級配時，藥漿呈現(xiàn)假塑性流體特性，當FOX-7-Z：FOX-7-X為2∶1時，藥漿表觀黏度下降速率最大。