CN111170814A - 一种cl-20基含能薄膜喷涂材料及微喷直写成型方法 - Google Patents

一种cl-20基含能薄膜喷涂材料及微喷直写成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种CL‑20基含能薄膜喷涂材料及其微喷直写成型方法。喷涂材料配方重量分数为：CL‑20，5~20份；粘结剂，0.5~2份；有机溶剂Ⅰ，20~48份；有机溶剂Ⅱ，20~48份；CL‑20晶种，0~5份；助剂，0~2份。成型工艺参数：喷涂材料进料速度0.1~1ml/min，微喷直写速度1~100mm/s，喷头距基板高度20~50mm，基板温度20~70℃，进气压力0.01~0.10MPa。本发明喷涂材料配方中含有少量超细ε型CL‑20晶种，易获得了ε型CL‑20基含能薄膜；喷涂材料进料速度0.1~10ml/min可调，比喷墨打印工艺具有更高的成型速度，可以实现含能薄膜的高效、快速制备。

Description

一种CL-20基含能薄膜喷涂材料及微喷直写成型方法
技术领域
本发明属于高能含能材料制备技术领域，具体为一种CL-20基含能薄膜喷涂材料及微喷直写成型方法。
背景技术
微机电系统（Micro-Electromechanical System，MEMS）技术具有集成化、微型化、数字化、智能化等特点，在多个领域都得到了广泛应用。MEMS技术与火工技术的有机融合颠覆了火工技术的发展模式，促进了MEMS火工品的出现和发展。MEMS火工品装药量在毫克级，装药尺寸在亚毫米级，传统的火工药剂配方、装药方法已不再适用，开发与MEMS工艺兼容的含能药剂配方和装药方法是本领域的研究热点。针对MEMS火工品结构特点，国内外学者也积极的将一些先进技术如微笔直写成型、喷墨打印成型等工艺用于MEMS火工品领域，通过前沿技术的融合交叉，实现了基本上可以实现微结构含能器件的精确装药，展现了良好的应用前景。然而，和其他领域微纳制造技术相比，适用于火工领域的微纳制造方法却少之又少，因此，进一步将新型微纳制造技术与MEMS火工技术融合，探索新型微尺度装药方法是一项很有意义的研究工作。微喷直写技术是将微喷涂技术与直写技术相结合，可实现喷涂功能材料在微区域内的薄膜的精准成型。
近年来，微喷涂技术在微纳结构功能材料制造领域应用广泛，在新能源领域、如薄膜太阳能电池、燃料电池等，该技术可提供均匀、致密且高效率生产的纳米级和微米级薄膜；在生物医药领域，用于制备微喷涂生物传感器；在功能材料制造方面，可以制备多种纳米级功能性玻璃涂层等等。
发明内容
本发明目的是提供一种适用于微喷涂工艺的CL-20喷涂材料配方及快速、高效、多模式的微喷直写成型方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种CL-20基喷涂材料，配方其由以下重量分数的物质制成：CL-20，5~20份；粘结剂，0.5~2份；有机溶剂Ⅰ，20~48份；有机溶剂Ⅱ，20~48份；ε型CL-20晶种，0~5份；助剂，0~2份。
优选的，喷涂材料配方质量分数为：CL-20，8~18份；粘结剂，0.8~1.8份；有机溶剂Ⅰ，25~40份；有机溶剂Ⅱ，25~40份；ε型CL-20晶种，0.5~3份；助剂，0.4~1份。
喷涂材料可以是一种，做成CL-20/粘结剂/溶剂混合体系，使用单喷管喷头进行喷涂成型；也可以分成两种：一种是CL-20/溶剂喷涂材料，一种是粘结剂/溶剂喷涂材料，使用双喷管喷头进行喷涂成型。
一种CL-20基含能薄膜喷涂材料，包括炸药喷涂材料和粘接剂喷涂材料。炸药喷涂材料包括以下质量分数原料：CL-20，8~18份；有机溶剂Ⅰ，25~40份；ε型CL-20晶种，0.5~3份；助剂，0.4~1份。粘接剂喷涂材料包括以下质量分数原料：粘结剂，0.8~1.8份；有机溶剂Ⅱ，25~40份。
所述粘结剂为与CL-20有良好相容性的粘结剂，包括硝化纤维素、乙基纤维素、乙酸丁酸纤维素、六氟丙烯共聚物（F2602）、聚氨基甲酸乙酯弹性纤维（Estane）、聚叠氮缩水甘油醚、氟橡胶、硅橡胶等一种或几种复配物。
所述有机溶剂Ⅰ为低沸点有机溶剂，能溶解CL-20炸药，包括丙酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、甲基乙基酮等。
所述有机溶剂Ⅱ为低沸点有机溶剂，能溶解粘结剂，包括乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、甲苯等。
所述有机溶剂Ⅰ和有机溶剂Ⅱ可以为同一种溶剂，也可以为两种溶剂。
所述ε型CL-20晶种为超细CL-20颗粒，中值粒径要求500nm以下。
所述助剂包括表面活性剂、流平剂、附着力促进剂等一种或几种复配物。
一种CL-20基含能薄膜微喷直写成型方法，包括以下步骤：
（1）、原材料的配取：将喷涂材料按配比称量后备用。
（2）、喷涂材料配置：在常温下将各组分添加到有机溶剂中，在搅拌或超声作用下辅助溶解，溶解完全后加入晶种，配制出一种或两种微喷涂材料。
（3）、微喷涂成型：将喷涂材料装入到喷涂材料注射器针筒中，设定工艺参数和喷涂模式，利用微喷涂直写装置在基板上进行喷涂直写成型，形成CL-20基含能薄膜。重复喷涂程序，实现喷涂材料的层层组装，得到规定厚度的含能薄膜。
喷涂直写成型装置如图1所示，由三轴运动平台1、运动喷头温度一体化控制器2、加热平台3、超声微细喷涂喷头4、两个喷涂材料针筒（喷涂材料针筒Ⅰ5、喷涂材料针筒Ⅱ6）、两台注射泵（注射泵Ⅰ7、注射泵Ⅱ8）、注射泵控制器9、空气压缩机10组成。
喷涂模式包括单喷管进料喷涂模式、双喷管进料同时喷涂模式和双喷管进料交替喷涂模式。
微喷涂直写成型工艺参数如下：喷涂材料进料速度，0.1~1ml/min；
微喷直写速度，1~100mm/s；喷头距基板高度，20~50mm；基板温度，20~70℃；进气压力，0.01~0.10MPa。
优选的，微喷涂直写成型工艺参数为：喷涂材料进料速度，0.4~0.8ml/min；微喷直写速度，10~30mm/s；喷头距基板高度，30~45mm；基板温度，30~50℃；进气压力，0.01~0.04MPa。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明的喷涂材料配方中含有少量超细ε型CL-20晶种，在含能薄膜成型过程中有效地对CL-20的晶型进行了控制，获得了ε型CL-20基含能薄膜。
2、本发明喷涂材料进料速度0.1~10ml/min可调，比喷墨打印工艺具有更高的成型速度，可以实现含能薄膜的高效、快速制备。
3、本发明具有多种喷涂成型模式，既有单喷管进料喷涂模式，又有双喷管进料协同喷涂模式，不但可实现一种材料的逐层喷涂，也可实现两种材料的交替层层堆积，满足了不同微观结构含能薄膜制备需求。
本发明设计合理，适用于微喷涂工艺的CL-20基含能喷涂材料，采用微喷直写工艺制备出能够实现微尺度传爆的CL-20基薄膜，为MEMS微结构器件高质装药提供了一种新方法，具有很好的实际应用和推广价值。
附图说明
图1表示微喷直写成型装置组成示意图。
图中：1-三轴运动平台，2-运动喷头温度一体化控制器，3-加热平台，4-超声微细喷涂喷头，5-喷涂材料（注射器）针筒Ⅰ，6-喷涂材料（注射器）针筒Ⅱ，7-注射泵Ⅰ，8-注射泵Ⅱ，9-注射泵控制器，10-空气压缩机。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
实施例1
一种CL-20基含能薄膜喷涂材料，包括炸药喷涂材料和粘结剂喷涂材料，各组分质量分数如下：
炸药喷涂材料：CL-20，17.6份；ε型CL-20晶种，0.6份；附着力促进剂PN-700（南京品宁偶联剂有限公司），0.46份；乙酸乙酯，40份。
粘结剂喷涂材料：EC（乙基纤维素），0.38份；GAP（聚叠氮缩水甘油醚），0.96份；乙醇，40份。
该炸药油墨的制备与成型包括以下步骤：
（1）、原材料的配取：将油墨原料按上述配比称量后备用。
（2）、喷涂材料配置：在常温下，将CL-20和附着力促进剂PN-700添加到乙酸乙酯中，在搅拌或超声作用下辅助溶解，溶解完全后加入ε型CL-20晶种，制成炸药喷涂材料备用；在常温下，将EC和GAP加入乙醇中，在搅拌或超声作用下辅助溶解，制成粘结剂喷涂材料备用。
（3）、微喷涂成型：将炸药喷涂材料装入到喷涂材料针筒Ⅰ中，将粘结剂喷涂材料装入到喷涂材料针筒Ⅱ中，设定工艺参数如下：炸药喷涂材料进料速度0.6ml/min，粘结剂喷涂材料的进料速度0.4ml/min，微喷直写速度20mm/s，喷头距基板高度45mm，基板温度50℃，进气压力0.02MPa；喷涂模式选择双喷头交替进料微喷，利用微喷涂直写装置在基板上进行喷涂直写成型，形成CL-20基含能薄膜。
重复喷涂程序，实现喷涂材料的层层组装，得到规定厚度的含能薄膜。
喷涂材料成型后，复合物的单层厚度为2μm，炸药颗粒呈球形，尺寸小于1μm，成型密度达到理论密度的80%，当装药线宽为1mm时，该油墨成型样品可在0.1mm以下传爆。
实施例2
一种CL-20基含能薄膜喷涂材料，各组分质量分数为：CL-20，11份；ε型CL-20晶种，1份；粘结剂，1份；助剂，0.5份；有机溶剂，86.5份。
其中，粘结剂为硝化纤维素与氟橡胶复合物，质量比为1:1。
有机溶剂为乙酸乙酯。
助剂为氟碳表面活性剂YTY-70（ 陕西驭腾实业有限公司）和流平剂AKN-1131（千佑化工）混合物，质量比为1:1。
该炸药油墨的制备与成型包括以下步骤：
（1）、原材料的配取：将油墨原料按上述配比称量后备用。
（2）、喷涂材料配置：在常温下将各组分添加到有机溶剂中，在搅拌或超声作用下辅助溶解，配制出微喷涂材料。
（3）、微喷涂成型：将喷涂材料装入到喷涂材料针筒中，喷涂模式选择单喷头进料微喷，利用微喷涂直写装置在基板上进行喷涂直写成型，形成CL-20基含能薄膜。其中，单喷头微喷涂直写成型工艺具体参数如下：喷涂材料进料速度，0.5ml/min；微喷直写速度，15mm/s；喷头距基板高度，35mm；基板温度，40℃；进气压力，0.025MPa。
重复喷涂程序，实现喷涂材料的层层组装，得到规定厚度的含能薄膜。
喷涂材料成型后，复合物的单层厚度约为3μm，炸药颗粒呈类球形，尺寸小于2μm，成型密度达到理论密度的76.09%，当装药线宽为1mm时，该喷涂材料成型样品的临界传爆厚度为0.09mm。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (9)

1.一种CL-20基含能薄膜喷涂材料，其特征在于：包括以下质量分数原料：CL-20，5~20份；粘结剂，0.5~2份；有机溶剂Ⅰ，20~48份；有机溶剂Ⅱ，20~48份；ε型CL-20晶种，0~5份；助剂，0~2份。
2.根据权利要求1所述的一种CL-20基含能薄膜喷涂材料，其特征在于：包括以下质量分数原料：CL-20，8~18份；粘结剂，0.8~1.8份；有机溶剂Ⅰ，25~40份；有机溶剂Ⅱ，25~40份；ε型CL-20晶种，0.5~3份；助剂，0.4~1份。
3.根据权利要求1或2所述的一种CL-20基含能薄膜喷涂材料，其特征在于：所述粘结剂包括硝化纤维素、乙基纤维素、乙酸丁酸纤维素、六氟丙烯共聚物、聚氨基甲酸乙酯弹性纤维、聚叠氮缩水甘油醚、氟橡胶、硅橡胶中一种或几种复配物；
所述有机溶剂Ⅰ用于溶解CL-20，包括丙酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、甲基乙基酮；
所述有机溶剂Ⅱ用于溶解粘结剂，包括乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、甲苯；
所述ε型CL-20晶种为超细CL-20颗粒，中值粒径要求500nm以下；
所述助剂包括表面活性剂、流平剂、附着力促进剂中一种或几种复配物。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种CL-20基含能薄膜喷涂材料的微喷直写成型方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、原材料的配取：将喷涂材料按配比称量后备用；
（2）、喷涂材料配置：在常温下，将CL-20和助剂添加到有机溶剂Ⅰ中，将粘结剂添加到有机溶剂Ⅱ中，在搅拌或超声作用下将有机溶剂Ⅰ和有机溶剂Ⅱ混合均匀，溶解完全后加入CL-20晶种，配制出微喷涂材料；
（3）、微喷涂成型：将喷涂材料装入到喷涂材料针筒中，设定工艺参数，利用微喷涂直写装置在基板上进行喷涂直写成型，形成CL-20基含能薄膜，其中微喷涂直写成型工艺参数如下：喷涂材料进料速度0.1~1ml/min，微喷直写速度1~100mm/s，喷头距基板高度20~50mm，基板温度20~70℃，进气压力0.01~0.10MPa；
重复喷涂程序，实现喷涂材料的层层组装，得到规定厚度的含能薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种CL-20基含能薄膜喷涂材料的微喷直写成型方法，其特征在于：步骤（3）中，微喷涂直写成型工艺参数为：喷涂材料进料速度0.4~0.8ml/min，微喷直写速度10~30mm/s，喷头距基板高度30~45mm，基板温度30~50℃，进气压力0.01~0.04MPa。
6.一种CL-20基含能薄膜喷涂材料，其特征在于：包括炸药喷涂材料和粘接剂喷涂材料；
所述炸药喷涂材料包括以下质量分数原料：CL-20，8~18份；有机溶剂Ⅰ，25~40份；ε型CL-20晶种，0.5~3份；助剂，0.4~1份；
所述粘接剂喷涂材料包括以下质量分数原料：粘结剂，0.8~1.8份；有机溶剂Ⅱ，25~40份。
7.根据权利要求6所述的一种CL-20基含能薄膜喷涂材料，其特征在于：所述粘结剂包括硝化纤维素、乙基纤维素、乙酸丁酸纤维素、六氟丙烯共聚物、聚氨基甲酸乙酯弹性纤维、聚叠氮缩水甘油醚、氟橡胶、硅橡胶中一种或几种复配物；
所述有机溶剂Ⅰ用于溶解CL-20，包括丙酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、甲基乙基酮；
所述有机溶剂Ⅱ用于溶解粘结剂，包括乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、甲苯；
所述ε型CL-20晶种为超细CL-20颗粒，中值粒径要求500nm以下；
所述助剂包括表面活性剂、流平剂、附着力促进剂中一种或几种复配物。
8.根据权利要求6或7所述的一种CL-20基含能薄膜喷涂材料的微喷直写成型方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、原材料的配取：将喷涂材料按配比称量后备用；
（2）、喷涂材料配置：在常温下，将CL-20和助剂添加到有机溶剂Ⅰ中，将粘结剂添加到有机溶剂Ⅱ中，在搅拌或超声作用下分别辅助溶解，溶解完全后在有机溶剂Ⅰ中加入CL-20晶种，分别配制出炸药喷涂材料和粘接剂喷涂材料；
（3）、微喷涂成型：将炸药喷涂材料装入到喷涂材料针筒Ⅰ中，将粘接剂喷涂材料装入到喷涂材料针筒Ⅱ中，设定工艺参数，利用微喷涂直写装置在基板上进行喷涂直写成型，形成CL-20基含能薄膜，其中微喷涂直写成型工艺参数如下：喷涂材料进料速度0.1~1ml/min，微喷直写速度1~100mm/s，喷头距基板高度20~50mm，基板温度20~70℃，进气压力0.01~0.10MPa；
重复喷涂程序，实现喷涂材料的层层组装，得到规定厚度的含能薄膜。
9.根据权利要求8所述的一种CL-20基含能薄膜喷涂材料的微喷直写成型方法，其特征在于：步骤（3）中，微喷涂直写成型工艺参数为：喷涂材料进料速度0.4~0.8ml/min，微喷直写速度10~30mm/s，喷头距基板高度30~45mm，基板温度30~50℃，进气压力0.01~0.04MPa。
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