CN102010276A

CN102010276A - 气动喷雾细化制备微球低感hmx工艺

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Publication number: CN102010276A
Application number: CN 201010500786
Authority: CN
Inventors: 刘玉存; 刘登程; 柴涛; 于雁武; 王建华; 袁俊明; 郭峰波; 王美秋; 张包民; 常双君; 韵胜; 杨宗伟
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2030-09-28
Also published as: CN102010276B

Abstract

本发明涉及一种含能材料结晶细化技术，具体为一种气动喷雾细化制备微球低感HMX工艺。解决现有制备HMX微粒技术中存在的成本较高，工艺复杂，颗粒较大，粒度不均，难以降感等问题。步骤是首先将HMX溶解于二甲基亚砜溶剂得到炸药溶液，然后将炸药溶液和高速压缩气体，经过喷嘴加速，喷射在水中将炸药溶液雾化成小液滴，最后生成HMX结晶颗粒。本发明制备出的HMX晶体颗粒呈均匀的球形，80％以上的晶体粒度分布在400～500nm之间，平均粒径在450nm左右，具有良好的分散性；经撞击感度实验，结果表明：细化后撞击感度较细化前降低了87％。

Description

气动喷雾细化制备微球低感HMX工艺

技术领域

本发明涉及一种含能材料结晶细化技术，具体为一种气动喷雾细化制备微球低感HMX工艺。

背景技术

对于炸药而言，随着科学技术的发展及武器对抗的日益激烈，国内外火炸药超细技术方兴未艾。HMX炸药也称奥克托金、奥托金，目前全球军事上最强力的炸药，可用于火箭燃料及爆破炸药，具有八元环的硝胺结构，命名为“1，3，5，7-四硝基-1，3，5，7-四氮杂环辛烷”，化学名“环四亚甲基四硝胺”。近几年，国内外已研制出了微米、亚微米HMX粉体炸药，并正进行着新的超细技术研究，开辟了一些新的应用领域。例如高能钝感传爆起爆炸药，安全、准确、高可靠度的多点起爆元件，能够满足不同感度、性能要求的冲击片雷管和半导体桥式爆炸雷管及网络、索类火工品装药的细化传爆药等，显示了超细炸药的生命活力。它本身给炸药的理论和技术以革命性的发展，也给武器的设计和发展提供了高新技术。因为超细炸药具有以下几个优点：①爆轰历程接近理想爆轰规律，把爆炸的潜在内能开发出来。②热导性能好，容易进行热传导，使爆炸热点不易形成。③分散性能好，促进装药密度均匀。④受冲击载荷时，冲击力很快均匀分散到整个药柱中，降低撞击感度。因此，超细炸药在实际应用中将起到更重要的作用。

从当前的发展情况看，制备超细颗粒有多种方法：机械研磨法、高速射流粉碎法、化学法、微乳状液法、超临界流体重结晶法等，但各有其优缺点。

例如，高速射流粉碎法，是利用撞击流在极窄的管道中高速相向流动碰撞时产生的强冲击、挤压、剪切力、强湍流作用和强高压声波作用，使得外加载机械功能够较充分地转化为颗粒粉碎和分散的能量，从而达到颗粒超细化目的。但其缺点是①由于溶液通过相互撞击形成雾化液滴，这就需要对液体做较大的功；②液体在管道中高速流动需要很大的压力，这对装置密封性及耐压性等条件要求很高。

化学法是用化学溶剂溶解炸药成为液体，加入各种添加剂，然后用非溶剂惰性液体稀释分散，使炸药以超细颗粒晶体状态重结晶出来。该方法所制得的超细炸药颗粒粒径分布在1～7um范围内。其缺点是①混合精细度(两流体团之间的切同液厚度)和混合时间难易精确控制；②由于晶粒和溶液间表面作用，该方法制造出的颗粒晶体晶形对溶液有很强的依赖性。目前，使用本方法还难以使炸药粒径超细到亚微米、纳米尺寸。

微乳状液法是以单体炸药分子结构和性质为研究特征，采用专用的表面活性剂改善炸药表面特征，连续超细乳化，在分子尺度量级上超高细分，在一定的温度梯度条件及一定的工艺条件下使其成为流动物性良好的均匀纳米粉体炸药。该方法与气流粉碎相比，其优点有：①在制备过程中一步完成超细分散及分级、表面处理、造粒等后序工艺，减免了气流粉碎后序系统技术及设备；②投资费用相对较少；③细化后粒度可达到纳米级；④乳化方法对炸药较为温和，整个制备过程安全可靠。⑤所用设备简单、工艺操作容易掌握。其缺点是：后处理比较复杂，至今，国内外还未有成功完成该后处理工作的报道。

总之，上述方法不同程度地存在着工艺复杂，成本高，条件苛刻，特别是制得的HMX颗粒粒径较大，均在微米级左右，粒度分布较宽，效果不够理性，限制了其在国防、工矿业生产中的大规模生产和应用。《火炸药学报》2003年第1期HMX炸药喷射结晶超细化实验研究一文，记载了为改善HMX炸药的重结晶细化效果，提出了一种基于重结晶和流体喷射原理的喷射结晶超细化技术.通过实验，对影响细化效果的4个工艺条件进行了优化设计，制备出亚微米级的HMX炸药超细粒子。该文献介绍利用二甲基亚砜作为HMX的溶剂，去离子水作为非溶剂，然后在一定条件下对喷，利用在高速剪切分散和强湍流搅拌的环境下，可以获得粒径细(0.4μm左右)而均匀的颗粒，但是我们发现，该种方法获得的颗粒形状不规则，而这种不规则影响炸药的感度。

发明内容

本发明为了解决现有制备HMX微粒技术中存在的成本较高，工艺复杂，颗粒较大，粒度不均，难以降感等问题，提出了一种气动喷雾细化制备微球低感HMX工艺。

本发明是由以下技术方案实现的，一种气动喷雾细化制备微球低感HMX工艺，步骤是首先将HMX溶解于二甲基亚砜溶剂得到炸药溶液，然后将炸药溶液和高速压缩气体，经过喷嘴加速，喷射在水中将炸药溶液雾化成小液滴，最后生成HMX结晶颗粒。

本发明的详细工艺步骤如下：

(1)先把水浴锅中的水加热到40-90℃，再称取HMX，在三口烧瓶中溶于二甲基亚砜使浓度为0.1-0.5g.mL^-1，将其放于水浴中加热。

(2)在喷射桶中灌入一定量水，水温1-20℃，再在水中加入0.01-0.5％的晶型控制剂，水中加入的晶型控制剂为span20和或黄糊精，水和溶液的体积比为20-100∶1。

(3)将喷射装置的软管末端插入三口烧瓶中的HMX溶液中，喷射装置的铜管接入真空压力泵，开始喷射，喷射压力0.1-1.0MPa；进药速度20～40mL.min^-1待HMX溶液全部喷入到喷射桶中，停止喷射试验。

(4)打开出料阀门将喷射桶中的炸药溶液放入抽滤漏斗，然后用循环水式真空泵抽滤滤干，然后放入冷冻干燥器进行干燥，得到炸药细化的粉末产物。最后收集细化产物并在扫描电镜下对其进行表征。上述方案可以采用三流体空气雾化喷嘴，其型号为ST-5型，生产厂家为广州捷奥工业喷雾设备有限公司，该精密喷嘴的雾化效果较好，雾化液滴直径较小，该型喷嘴是在气/液俩相旋流式喷嘴结构的基础上，增加了一路侧向进气，侧向进气由喷管外夹层引入，夹层出口环上开有一定数目孔径的小孔，出口环设置在旋流器出口下游附近，在出口环前后压差的作用下二次进气经小孔喷出形成高速射流与中心进气孔和进液孔进入混合腔里流进旋流槽形成的气液俩相雾化流进行强烈掺混。旋转雾化的气液俩相雾滴在高速气流作用下发生剪切破碎变为更为细小的雾滴，实现了雾滴的二次雾化。

其原理是当溶质从溶剂相进入非溶剂相结晶成核析出时，借助高速气体在水中形成强湍流，形成的初始粒子马上被分散于非溶剂水中，大大减弱了晶粒继续生长的条件，使晶体生长得到有效抑制，剧烈的气动喷雾作用使粒子间发生剧烈碰撞，将已经凝聚在一起的分子晶体打碎，这一过程有利于获得超细微球形粒子。

正交试验结果

初步确定影响HMX粒径大小和分布的主要因素有喷射压力、溶液浓度、水温、溶液温度、进药速度、水和溶液的体积比、晶型控制剂。表1为正交实验的因素和水平，表2为正交实验结果。

表1正交实验的因素和水平

表2正交实验结果

由极差R可知影响气动喷雾细化HMX的工艺条件因素大小顺序为：水温＞喷射压力＞水和溶液体积比＞晶型控制剂＞进药速度＞溶液温度＞溶液浓度；综合工艺条件影响因素和正交实验，分析得出：最佳工艺条件为A₂B₃C₃D₃E₁F₁G₂，即喷射压力为0.5MPa，溶液浓度为0.2g.mL^-1，水温为10℃，溶液温度为50℃，进药速度为40mL.min^-1，水和溶液的体积比为80∶1，晶型控制剂为黄糊精。

其得到的产物见图2所示意，本发明制备出的HMX晶体颗粒呈均匀的球形，80％以上的晶体粒度分布在400～500nm之间，平均粒径在450nm左右，具有良好的分散性；经撞击感度实验，结果表明：细化后撞击感度较细化前降低了87％，实验数据如表3所示。

表3HMX撞击感度试验结果

样品	晶体粒度/nm	特性落高H₅₀/cm	S标准偏差
				原始HMX	120000	42.45	0.25
细化后HMX	450	78.52	0.034
				对喷法得到HMX	400	67.25	0.35

附图说明

图1为气动喷雾细化装置；

图2为最优化工艺条件下制备的HMX晶体SEM照片；

图3为实施例1所得到产物的HMX晶体SEM照片；

图4为实施例2所得到产物的HMX晶体SEM照片；

图5为实施例3所得到产物的HMX晶体SEM照片；

图中：1-空压机压缩气、2-水槽、3-喷头、4-水浴锅、5-HMX溶液、6-软管、7-铜管。

具体实施方式

实施例1、一种气动喷雾细化制备微球低感HMX工艺，步骤为，

(1)首先，把水浴锅中的水加热到70℃，称取50gHMX溶于装有100ml的二甲基亚砜三口烧瓶中，然后将三口烧瓶放入水浴锅中加热。

(2)在喷射桶中加入2000ml水，再在水中加入0.2g晶型控制剂黄糊精。

(3)开始试验：将喷射装置软管末端插入三口烧瓶中的HMX溶液中，铜管接入真空压力泵，设置喷射压力为0.1MPa，进药速度为20ml/min然后开始喷射试验。待HMX溶液全部喷入到喷射桶中，停止喷射试验。所使用的喷头为精密三流体空气雾化喷嘴。

(4)打开出料阀门将喷射桶中的炸药溶液放入抽滤漏斗，然后用循环水式真空泵抽滤滤干，放入冷冻干燥器进行干燥，得到炸药细化的粉末产物。

(5)收集细化产物并在扫描电镜下对其进行表征。

产品用扫描电镜观察如图3所示。

实施例2、一种气动喷雾细化制备微球低感HMX工艺，步骤为，

(1)首先，把水浴锅中的水加热到50℃，称取10gHMX溶于装有100ml的二甲基亚砜三口烧瓶中，然后将三口烧瓶放入水浴锅中加热。

(2)在喷射桶中加入1000ml水，再在水中加入1g晶型控制剂黄糊精。

(3)开始试验：将喷射装置软管末端插入三口烧瓶中的HMX溶液中，铜管接入真空压力泵，设置喷射压力为0.4MPa，进药速度为40ml/min然后开始喷射试验。待HMX溶液全部喷入到喷射桶中，停止喷射试验。

(4)打开出料阀门将喷射桶中的炸药溶液放入抽滤漏斗，然后用循环水式真空泵抽滤，得到炸药细化的粉末产物，放入冷冻干燥器进行干燥。

(5)收集细化产物并在扫描电镜下对其进行表征。

产品用扫描电镜观察如图4所示。

实施例3、一种气动喷雾细化制备微球低感HMX工艺，步骤为，

(1)首先，把水浴锅中的水加热到90℃，称取30gHMX溶于装有100ml的二甲基亚砜三口烧瓶中，然后将三口烧瓶放入水浴锅中加热。

(2)在喷射桶中加入500ml水，再在水中加入1g晶型控制剂apan20。

(3)开始试验：将喷射装置软管末端插入三口烧瓶中的HMX溶液中，铜管接入真空压力泵，设置喷射压力为0.6MPa，进药速度为40ml/min然后开始喷射试验。待HMX溶液全部喷入到喷射桶中，停止喷射试验。

(5)收集细化产物并在扫描电镜下对其进行表征。

产品用扫描电镜观察如图5所示。

Claims

1.一种气动喷雾细化制备微球低感HMX工艺，其特征是：步骤是首先将HMX溶解于二甲基亚砜溶剂得到炸药溶液，然后将炸药溶液和高速压缩气体，经过喷嘴加速，喷射在水中将炸药溶液雾化成小液滴，最后生成HMX结晶颗粒。

2.根据权利要求1所述的气动喷雾细化制备微球低感HMX工艺，其特征是：(1)先把水浴锅中的水加热到40-90℃，再称取HMX，在三口烧瓶中溶于二甲基亚砜得到炸药溶液，使溶液浓度为0.1-0.5g.mL^-1，将其放于水浴中加热，

(2)在喷射桶中灌入水，水温1-20℃，再在水中加入0.01-0.5％质量比例的晶型控制剂，水中加入的晶型控制剂为span20和或黄糊精，水和溶液的体积比为20-100∶1，

(3)将喷射装置的软管末端插入三口烧瓶中的HMX溶液中，喷射装置的铜管接入真空压力泵，开始喷射，喷射压力0.1-1.0MPa；进药速度20～40mL.min^-1待HMX溶液全部喷入到喷射桶中，停止喷射，

(4)打开出料阀门将喷射桶中的炸药溶液放入抽滤漏斗，然后用循环水式真空泵抽滤滤干，然后放入冷冻干燥器进行干燥，得到炸药细化的粉末产物。

3.根据权利要求1所述的气动喷雾细化制备微球低感HMX工艺，其特征是：水浴溶液温度为50℃，炸药溶液浓度为0.2g.mL^-1，水温为10℃，晶型控制剂为黄糊精，水和溶液的体积比为80∶1，喷射压力为0.5MPa，进药速度为40mL.min^-1。

4.根据权利要求1或2或3所述的气动喷雾细化制备微球低感HMX工艺，其特征是：使用的喷嘴为三流体空气雾化喷嘴。