CN109096023B - 一种乳化炸药用多核中空含能微球及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种乳化炸药用含能敏化剂，更具体地说是乳化炸药用中空微球包覆的含能添加剂，属于含能材料领域。乳化炸药用多核中空含能微球，按重量份数主要由下述组分组成：聚合物单体10～50份、膨胀剂5～15份、含能添加剂5～80份。首先将聚合物单体、引发剂、交联剂、发泡剂混合成油相，然后在油相加入含能添加剂，混合均匀后在水相中分散并在高压反应釜中悬浮聚合，随后升温熟化后得到热可膨胀型多核复合含能微球，最后经加热发泡膨胀并冷却处理后得到多核中空含能微球。多核中空含能微球在乳化炸药中可以起到“热点”和含能添加剂的双重作用，其外壳不仅可以提高含能添加剂的储存稳定性，而且可以提高高威力乳化炸药的安全性。

Description

一种乳化炸药用多核中空含能微球及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种乳化炸药用含能敏化剂，更具体地说是乳化炸药用中空微球包覆的含能添加剂，属于含能材料领域。
背景技术
乳化炸药因其良好的抗水性、安全性、无毒性、环保性，成为最受欢迎的工业炸药之一，广泛应用于工程爆破中。乳化炸药主要成分是乳胶基质和敏化剂，乳胶基质自身没有雷管感度，它必须通过加入敏化剂来提高起爆感度。敏化剂在乳化炸药中提供炸药起爆所需要的“热点”，从而使乳化炸药被稳定可靠起爆。然而，由于传统乳化炸药中含有10％左右的水分，其爆炸威力较低。传统敏化方式有化学敏化(化学发泡剂)、物理敏化(常用玻璃微球和珍珠岩敏化)，但这些敏化材料不是含能材料，对提高炸药能量没有帮助；研究人员通过在乳化炸药中加入含能添加剂(如：铝粉、镁粉、储氢材料)来提高乳化炸药的爆炸威力，但是含能添加剂的加入也提高了炸药的感度，使得乳化炸药在生产、运输、储存过程中的危险性增加，而且含能添加剂在乳化炸药中也存在着变性失效的问题。如何在提高乳化炸药爆炸威力的同时，不影响其安全性和储存稳定性是亟待解决的问题。
在提高乳化炸药爆炸能量方面，研究人员做出了大量工作。钱海等在论文《铝粉含量和粒径对乳化炸药作功能力的影响》(火炸药学报,2017,40(1):40-44.)中，提出乳化炸药中加入铝粉可以提高乳化炸药的作功能力，但是铝粉的加入会使乳化炸药的热稳定性降低，同时铝粉在乳胶基质中会发生氧化；马宏昊等在专利(CN102432407A和CN102432408A)中提出了两种储氢合金型乳化炸药(MgH2和TiH2)，两种储氢合金粉末在乳化炸药中充当了敏化剂和含能添加剂的双重角色，但是由于储氢合金水解反应的不可控性，易造成氢气泡大小不一，并且氢气泡容易逸出，容易引发安全事故；程扬帆等在论文《The effectofenergetic additive of coated MgH2 on the power of emulsion explosivessensitized by glass microballoons》(Central European Journal of EnergeticMaterials,2016,13(3):349-356.)中，将玻璃微球和包覆的储氢合金MgH2同时加入到乳化炸药中，二者分别起到“热点”和含能添加剂的作用，但是包覆材料种类和质量比不易控制，包覆过于密实则使储氢合金无法起到含能添加剂的作用，而包覆过于松散则容易使其包覆作用失效，影响乳化炸药的安全性；专利(CN108358733A)公布了一种热膨胀中空微球包覆含能添加剂的方法，该方法以固体膨胀剂为发泡材料，其加热分解过程产生的气体使微球膨胀，形成中空结构使含能添加剂能包覆于内，但是中空微球膨胀效果不明显，并且固体膨胀剂会遗留在微球内且为钝感材料，影响含能敏化剂的增能效果，而且该方法的制作过程多且繁琐。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，目的之一在于提供一种乳化炸药用多核中空含能微球。
本发明的另外一个目的在于提供一种乳化炸药用多核中空含能微球的制备方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种乳化炸药用多核中空含能微球，按重量份数主要由下述组分组成：聚合物单体20～50份、膨胀剂5～30份、含能添加剂25～80份。
优选地，聚合物单体为丙烯腈类单体、乙烯类单体、丙烯酸酯类单体、丙烯酰胺类单体、含氟丙烯酸酯类单体等一种或几种的组合。
优选地，膨胀剂为丙烷、(异)丁烷、(异)戊烷、(异)己烷、(异)庚烷、(异)辛烷、(异)壬烷、(异)癸烷、(异)十一烷、(异)十二烷、(异)十三烷、氯甲烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳等一种或几种的组合。
优选地，含能添加剂为储氢合金粉、铝粉、钛粉、镁粉、硼粉、RDX颗粒、TNT颗粒等一种或几种的组合，含能添加剂的粒径控制在0.1～50μm之间。
优选地，所述乳化炸药用多核中空含能微球的制备方法，具体步骤如下：
St1：首先混合溶解聚合物单体、引发剂、交联剂、膨胀剂形成油相，再加入一定比例的含能添加剂并充分搅拌，使含能添加剂与油相混合均匀。
St2：在去离子水中，加入分散剂和表面活性剂形成水相分散介质。
St3：将St1制备的含能添加剂与油相混合物加入到St2的水相分散液中，在100～1500rpm/min的转速下搅拌分散3～10min后形成稳定的悬浮溶液；随后立刻将悬浮溶液注入高压反应釜中，通氮气替换空气，并对反应釜增压以达到0.1～1MPa的初始压力；然后，在60～100℃下进行聚合反应5～24h，聚合完成后经过滤、洗涤、干燥，得到热可膨胀型多核含能微球。
St4：将St3中热可膨胀型多核含能微球在80～200℃下加热1～10min，含能微球中的膨胀剂蒸发汽化，微球内部压力增大，使聚合物壳向外膨胀，聚合物壳冷却固化后得到乳化炸药用多核中空含能微球。
优选地，St1中使用的油溶性引发剂为过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈、过氧化二烷基、叔胺、环烷酸盐、硫醇中的一种。
优选地，St1中交联剂为聚乙二醇(200/400)二甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、过氧化二异丙苯、二叔丁基过氧化己烷中的一种。
优选地，St1中聚合物单体20～50份，引发剂0.5～2份，交联剂0.05～0.5份，膨胀剂15～50份。
优选地，St2中使用的分散剂为纳米二氧化硅、聚乙烯醇、氢氧化镁、聚乙烯吡罗烷酮中的一种。
优选地，St2中使用的表面活性剂为硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠、甘胆酸钠中的一种。
优选地，St2中去离子水80～95份，分散剂5～10份，表面活性剂0～1份。
本发明采用上述技术方案具有的有益效果：
1.多核中空含能微球在乳化炸药中可以起到“热点”和含能添加剂的双重作用，中空含能微球的外壳可以提高含能添加剂的储存稳定性，防止含能添加剂的氧化，并提高了含能添加剂与乳胶基质的相容性，防止乳胶基质破乳。
2.利用微球内部空腔容纳金属粉末，其体积较相同质量的敏化剂和含能添加剂显著减小，从而可以增加高威力乳化炸药的装药密度，增强爆破效果。
3.通过选用不同沸点的液体膨胀剂或者将几种不同沸点液体膨胀剂组合，可制备不同初始膨胀温度的多核中空含能微球，实现初始膨胀温度可控。
4.通过调整液态膨胀剂和待包覆含能添加剂的用量可以控制微球的膨胀率，制备膨胀率不同的多核中空含能微球，实现含能微球中空结构的可控。
5.多核中空含能微球制备完成后，其内部的液态膨胀剂变成气态并具有可燃性，可以参与炸药的爆轰反应，有助于提高乳化炸药的爆炸威力。
6.多核中空含能微球制备工艺简单，原材料来源广泛、成本低廉，对乳胶基质没有特殊要求，适合在不同乳化炸药企业推广，因而具有良好的市场前景。
本发明乳化炸药用多核中空含能微球的作用机理：
本发明的多核中空含能微球加入到乳胶基质以后制成高威力乳化炸药，该微球的中空外壳起到敏化剂的作用，当爆炸冲击波扫过乳化炸药时，压缩微球中空外壳形成“热点”；含能微球中的含能添加剂和气态膨胀剂可以参与爆轰反应，通过与爆轰产物的二次反应放出大量的能量，从而延缓了冲击波的衰减，增强炸药的作功能力。
附图说明
图1是热可膨胀型多核含能微球，是制备多核中空含能微球的中间体，图1中1是液态的膨胀剂，2是含能添加剂，3是聚合物外壳。
图2是多核中空含能微球，是制备多核中空含能微球的最后一步。图2中1是气态的膨胀剂，2是含能添加剂，3是聚合物外壳。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步解释说明，但并不构成对本发明的任何限制。
实施例1
氢化钛型多核中空含能微球：该多核中空含能微球按重量份数主要由下述组分组成：甲基丙烯酸甲酯单体40份、膨胀剂戊烷20份、含能添加剂TiH2粉末40份。
所述乳化炸药用多核中空含能微球的制备方法，具体步骤如下：
St1：将40份的甲基丙烯酸甲酯、0.8份的偶氮二异丁腈、0.08份的聚乙二醇200二甲基丙烯酸酯和20份的戊烷混合溶解形成油相，再加入40份的TiH2粉末，充分搅拌，使含能添加剂与油相混合均匀。
St2：在90份的去离子水中，加入9份的纳米氢氧化镁和1份1％的十二烷基硫酸钠水溶液混合均匀，将其作为水相分散介质。
St3：将St1制备的混合油相加入到St2的水相分散液中，通过在1200rpm/min的转速下搅拌分散3min形成稳定的悬浮溶液；随后立刻将悬浮溶液注入高压反应釜中，通氮气替换空气，并对反应釜增压以达到0.5MPa的初始压力；然后，在75℃下进行聚合反应5h；聚合完成后经过滤、洗涤、干燥，得到热可膨胀型多核含能微球。
St4：将St3中热可膨胀型多核复合含能微球在120℃下加热2min，含能微球中的膨胀剂戊烷蒸发汽化，微球内部压力增大，使聚合物壳向外膨胀，聚合物膜冷却固化后得到氢化钛型多核中空含能微球。
实施例2
铝粉型多核中空含能微球：该多核中空含能微球按重量份数主要由下述组分组成：丙烯腈单体30份、膨胀剂辛烷10份、含能添加剂铝粉60份。
所述乳化炸药用多核中空含能微球的制备方法，具体步骤如下：
St1：将30份的丙烯晴、0.7份的过氧化二苯甲酰、0.2份的三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯和10份的辛烷混合溶解形成油相，再加入60份的含能添加剂铝粉，充分搅拌，使含能添加剂与油相混合均匀。
St2：在95份的去离子水中，加入5份的聚乙烯醇混合均匀，将其作为水相分散介质。
St3：将St1制备的混合油相加入到St2的水相分散液中，在500rpm下搅拌2min制备稳定的悬浮溶液；随后立刻将悬浮溶液注入高压反应釜中，通氮气替换空气，并对反应釜增压以达到0.5MPa的初始压力；然后，在80℃下进行聚合反应5h，聚合完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到热可膨胀型多核含能微球。
St4：将St3中热可膨胀型多核含能微球在150℃下加热3min，含能微球中的膨胀剂辛烷蒸发汽化，微球内部压力增大，使聚合物壳向外膨胀，聚合物壳冷却固化后得到铝粉型多核中空含能微球。
实施例3
硼粉型多核中空含能微球：该多核中空含能微球按重量份数主要由下述组分组成：丙烯酰胺类单体40份、膨胀剂癸烷20份、含能添加剂硼粉40份。
所述乳化炸药用多核中空含能微球的制备方法，具体步骤如下：
St1：将40份的丙烯酰胺类单体、0.9份的过氧化苯甲酰、0.15份的过氧化二异丙苯和20份的癸烷混合溶解形成油相，再加入40份的硼粉，充分搅拌，使含能添加剂硼粉与油相混合均匀。
St2：在90份的去离子水中，加入8份的纳米二氧化硅和2份的1％的二辛基琥珀酸磺酸钠水溶液混合均匀，将其作为水相分散介质。
St3：将St1制备的混合油相加入到St2的水相分散液中，在500rpm下搅拌2min制备稳定的悬浮溶液；随后立刻将悬浮溶液注入高压反应釜中，通氮气替换空气，并对反应釜增压到0.5MPa初始压力；然后在60℃下进行聚合反应5h，聚合完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到热可膨胀型多核含能微球。
St4：将St3中热可膨胀型多核含能微球在200℃下加热2min，含能微球中的膨胀剂癸烷蒸发汽化，微球内部压力增大，使聚合物壳向外膨胀，聚合物壳冷却固化后得到硼粉型多核中空含能微球。
实施例4
添加多核中空含能微球的乳化炸药：将多核中空含能微球加入到乳胶基质中，并加热至60℃，然后搅拌混合均匀，即可制得多核中空含能微球敏化的乳化炸药。
利用水下爆炸实验，对添加多核中空含能微球的乳化炸药和单纯添加玻璃微球的乳化炸药的爆轰性能进行了测试。实验中，所有乳化炸药样品所含乳化基质的质量都是10g，乳化炸药样品距离压力传感器的距离为120cm，利用数字示波器记录信号，实验结果见表1。由表1可知，多核中空含能微球能够显著提高乳化炸药的比冲量、比冲击波能和比气泡能。
表1不同配方乳化炸药水下爆炸性能对比
Figure GDA0002601086890000061

Claims (4)

1.一种乳化炸药用多核中空含能微球，按重量份数主要由下述组分组成：聚合物单体20～50份、膨胀剂5～30份、含能添加剂25～80份；
所述乳化炸药用多核中空含能微球制备的方法步骤如下：
St1：首先混合溶解聚合物单体、引发剂、交联剂、膨胀剂形成油相，再加入一定比例的含能添加剂并充分搅拌，使含能添加剂与油相混合均匀；
St2：在去离子水中，加入分散剂和表面活性剂形成水相分散介质；
St3：将St1制备的含能添加剂与油相混合物加入到St2的水相分散液中，在100～1500rpm/min的转速下搅拌分散3～10min后形成稳定的悬浮溶液；随后立刻将悬浮溶液注入高压反应釜中，通氮气替换空气，并对反应釜增压以达到0.1～1MPa的初始压力；然后，在60～100℃下进行聚合反应5～24h，聚合完成后经过滤、洗涤、干燥，得到热可膨胀型多核含能微球；
St4：将St3中热可膨胀型多核含能微球在80～200℃下加热1～10min，含能微球中的膨胀剂蒸发汽化，微球内部压力增大，使聚合物壳向外膨胀，聚合物壳冷却固化后得到乳化炸药用多核中空含能微球。
2.根据权利要求1所述的一种乳化炸药用多核中空含能微球，其特征在于：聚合物单体为丙烯腈类单体、乙烯类单体、丙烯酸酯类单体、丙烯酰胺类单体、含氟丙烯酸酯类单体中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的一种乳化炸药用多核中空含能微球，其特征在于：膨胀剂为丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷、异戊烷、己烷、异己烷、庚烷、异庚烷、辛烷、异辛烷、壬烷、异壬烷、癸烷、异癸烷、十一烷、异十一烷、十二烷、异十二烷、十三烷、异十三烷、氯甲烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种乳化炸药用多核中空含能微球，其特征在于：含能添加剂为储氢合金粉、铝粉、钛粉、镁粉、硼粉、RDX颗粒、TNT颗粒中的一种或几种的组合，含能添加剂的粒径控制在0.1～50μm之间。
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