一種改性有機過氧化物的降感及爆炸性能試驗研究

章文義，李 芳，潘 峰，潘炎輝，樊武龍，張冀峰，錢 華,4

(1．江蘇警官學院警察體育教研部，江蘇省反爆破技術工程實驗室，江蘇 南京 210031；2．國家民用爆破器材質量監督檢驗中心，江蘇 南京210094；3．公安部物證鑒定中心，北京100038；4.南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094)

引 言

含能材料的儲能方式包括爆炸性基團、環張力、高勢能化學健等，相應的釋能方式為自身基團氧化還原反應、高張力鍵斷裂[1]、熵驅動自身快速分解產生氣體小分子[2]。由此對應的典型含能材料有TNT/RDX/CL-20、全氮/高氮化合物和有機過氧化物。與前兩種釋能方式的炸藥相比，有機過氧化物通過位于環形骨架中的高勢能化學鍵O—O單鍵來儲存能量，爆炸時釋放O2，類似于壓縮氣體膨脹作功，無明顯的后燃效應，是一種瞬間的熵增加過程[3-4]。

由于絕大部分有機過氧化物炸藥均具有機械感度高、安全性差的弊端[5]，因而未得到廣泛應用。本研究通過改性劑與有機過氧化物共混包覆來降低一種有機過氧化物炸藥的機械感度，同時形成的“密實效應”和“后燃效應”可進一步提高爆炸威力。制備的改性有機過氧化物炸藥感度適中，爆炸性能顯著提高，有望應用于低特征信號及綠色含能材料領域。此外，“降感增能”的改性機理為后續拓展該類改性有機過氧化物的應用提供了理論基礎和方法依據。

1 實 驗

1.1 樣品和儀器

有機過氧化物參照文獻[6]制備，產品為白色粉末，純度≥99%。利用懸浮造粒法，將改性劑與有機過氧化物按質量比1∶10包覆在有機過氧化物表面，得到具有一定黏彈性的固體改性物。

DSC-1型差示掃描量熱儀，瑞士Mettler Toledo公司；TraNET 404S8型數據采集儀，瑞士Elsys公司；113B21型壓力傳感器，美國PCB公司，量程0～1.4MPa；Fastcam UX100高速攝像機,日本Phron公司；A615紅外成像儀,上海熱像機電科技股份有限公司。

1.2 性能測試

撞擊感度依據國軍標GJB772A-97“方法601.2撞擊感度-特性落高法”[7]進行測試，落錘質量2kg。

摩擦感度依據標準WJ/T 9038.2-2004方法[8]進行測試，擺角75°。

火焰感度依據國軍標GJB770B-2005中“方法604.1火焰感度-黑火藥法”[9]進行測試。

熱感度依據國軍標GJB772A-1997“方法502.1安定性和相容性差熱分析和差式熱掃描量熱法”進行測試，坩堝為密閉鍍金坩堝，升溫速率為10K/min。利用高速攝像機及紅外熱成像儀，記錄爆炸瞬間的火球圖片和溫度參數[10-11]。

1.3 沖擊波超壓試驗

沖擊波超壓和沖量可直觀體現爆炸物的能量水平[12]，本研究利用壓力測試系統測試樣品爆炸瞬間周邊的壓力變化。將500g樣品置于Φ80mm的圓柱形薄紙管內，自然堆積。樣品離地0.5m，8#雷管起爆。3組地面壓力傳感器距樣品中心的水平距離分別為1、2和3m，實物布局如圖1所示。

圖1 壓力傳感器布局圖Fig.1 Layout of pressure sensor device

2 結果與討論

2.1 降感機理分析

“降感增能”通過以下4種效應實現：

(1)隔離效應：通過懸浮造粒法包覆有機過氧化物，達到隔離降感的作用。包覆越均勻，降感效果越明顯。

(2)潤滑效應：改性劑是具有自潤滑特性的長鏈低熔點有機物，在過氧化物表面形成的黏彈性柔性膜具有潤滑降感的作用。

(3)密實效應：被弱極性長鏈改性劑包覆的過氧化物具有粘結傾向，樣品密度高，爆炸威力大。

(4)后燃效應：有機過氧化物爆炸屬于“熵爆炸”[4]，溫度效應弱。改性劑屬于高熱值還原劑，易與有機過氧化物爆炸產生的O2發生后燃作用，大幅度提高爆溫，具有更強的破壞效果。

2.2 機械感度

原樣撞擊感度(特性落高)為9.9cm，摩擦感度為76%；改性后，撞擊感度增至13.8cm，摩擦感度降至4%。這是由于改性后，當體系受到外部機械作用時，改性劑的包覆和潤滑作用使樣品顆粒之間不會發生直接擠壓和摩擦，避免了能量的聚集[13]，從而降低了樣品的機械感度。然而，由于改性并不影響主體炸藥的晶型及顆粒形貌，故改性后樣品仍具有較高的撞擊感度。

2.3 火焰感度

該有機過氧化物改性前后的火焰感度分別為29.2cm和24.6cm。由于改性劑的包覆，既降低了原樣與火星的接觸概率，又分散了火星的能量，從而降低了混合物對火焰的敏感程度。

2.4 熱感度

該有機過氧化物改性前后的DSC曲線如圖2所示。

圖2 改性前后樣品的DSC曲線Fig.2 DSC curves of samples before and after modification

由圖2可知，原樣放熱區間為150.40～267.92℃，起始分解溫度為182.03℃，放熱量為3586.56J/g；改性后放熱區間為120.26～252.47℃，起始分解溫度為183.86℃，放熱量為3620.68J/g。改性后樣品放熱段前移，放熱區間變寬，這可能與改性劑本身的熱穩定性有關。同時，改性前后該有機過氧化物的起始分解溫度相差不大，說明改性前后熱穩定性無明顯變化。

2.5 沖擊波超壓和沖量

距爆炸中心不同距離處地面沖擊波超壓及沖量參數見表1。

表1 距爆心不同距離處地面沖擊波超壓及沖量參數

注：p為沖擊波超壓；Isp為沖擊波沖量。

由表1可知，改性后樣品的堆積密度增加10%，進而提高了爆炸威力。改性樣品爆炸后的沖擊波超壓及其沖量在1、2、3m處的數值均有所提高，其中1m處的超壓提高了約50%，沖擊波沖量提高了20%，顯示出優異的爆炸性能。

2.6 爆炸過程及火球溫度

改性前后有機過氧化物爆炸過程高速攝影照片如圖3所示。

圖3 改性前后有機過氧化物爆炸過程高速攝影照片Fig.3 High speed photography of the organic peroxide explosionbefore and after modification

由圖3(a)可知，未改性的有機過氧化物爆炸形成的火球小且持續時間短，這與文獻報道的“有機過氧化物爆炸類似于壓縮氣體爆炸，是一種瞬間的熵增加過程”一致[4]。由圖3(b)可知，改性有機過氧化物爆炸時存在明顯的后燃效應。混合物中過氧化物先爆炸形成火球，引爆/燃被拋灑出的改性物，繼而形成更大的破壞作用。

改性前后爆炸火球溫度隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 爆炸火球溫度—時間曲線Fig.4 Temperature—time curves of explosive fireball

由圖4可知，改性前過氧化物的最高火球溫度為301℃，改性后的最高火球溫度為1501℃，溫度很高且持續時間更長，具有更強的破壞效果。

3 結 論

(1)改性后有機過氧化物撞擊感度(特性落高)由9.9cm增至13.8cm，摩擦感度(爆炸概率)由76%降至4%，機械感度大幅度下降；火焰感度和熱感度無顯著變化，整體安全性有明顯提高。

(2)有機過氧化物經改性后，地面距爆炸中心1m處的沖擊波超壓及沖量分別上升約50%和20%，最高火球溫度增加1200℃，整體爆炸性能顯著提高。

(3)通過共混包覆改性，達到了表面隔離、表面潤滑、自密實和后燃的設計要求，提高了樣品的安全性能和能量性能，實現了“降感增能”的目標。