CN116283450B - 一种高热安全性混合炸药及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高热安全性混合炸药及其制备方法，包括造型粉，造型粉具有三层核壳结构，从内到外依次为内核结构、第二层核壳结构，第三层核壳结构，按重量百分比计内核结构包括单质炸药85％～95％、粘结剂2％～4％，第二层核壳结构包括热安全型降感剂3％～8％，第三层核壳结构包括热安全型气体置换剂1％～5％。本发明采用上述的一种高热安全性混合炸药及其制备方法，可有效提高混合炸药在火灾和高温等热刺激条件下的安全性，提高弹药在复杂战场条件下的生存能力。
Description
技术领域
本发明涉及复合含能材料技术领域，特别是涉及一种高热安全性混合炸药及其制备方法。
背景技术
弹药在热刺激、外力撞击、冲击波以及射流等外界刺激作用下，可能会发生燃烧、爆炸或爆轰等不同程度的意外事故。一旦武器系统中装载的弹药发生意外事故，无论是武器装备还是周围环境必定遭受到严重的破坏，而且会导致巨大的人员伤亡和经济损失。在这些外界刺激中，最为常见的便是高温和火灾等环境对弹药造成的热刺激。因此，研究与发展具有高热安全特性的炸药，将有效提高弹药在贮存、运输和使用过程中的安全与可靠性，并有效保证人员和武器装备的战场生存能力。
目前，在各国武器弹药中服役的炸药，绝大部分是由炸药组分、粘结剂及其他添加剂等所组成的混合炸药。研究人员通常认为，炸药组分是影响混合炸药热安全性的关键，因此常采用在混合炸药中使用大量的具有高热安全特性单质炸药(如TATB和DNAN)的方法来提高混合炸药热安全性。
然而，现阶段所使用的高热安全性单质炸药的能量水平较低，将其大量使用于以HMX或CL-20基的高能炸药配方中，将必然大幅牺牲混合炸药整体的能量水平，限制其在高能武器中的应用，而使用少量的高热安全性单质炸药则无法达到相应效果。因此，如何通过混合炸药中其他组份的改变，解决混合炸药热安全性的问题，是混合炸药发展的最新方向，也是现阶段混合炸药发展的新趋势。
发明内容
本发明的目的是提供一种高热安全性混合炸药及其制备方法，可有效提高混合炸药在火灾和高温等热刺激条件下的安全性，提高弹药在复杂战场条件下的生存能力。
为实现上述目的，本发明提供了一种高热安全性混合炸药，包括造型粉，造型粉具有三层核壳结构，从内到外依次为内核结构、第二层核壳结构，第三层核壳结构，按重量百分比计内核结构包括单质炸药85％～95％、粘结剂2％～4％，第二层核壳结构包括热安全型降感剂3％～8％，第三层核壳结构包括热安全型气体置换剂1％～5％。
优选的，单质炸药为CL-20、HMX、RDX、TKX-50、NTO中的一种或几种。
优选的，粘结剂为聚氨酯、氟橡胶、硝化纤维素、醋酸纤维素中的一种或几种。
优选的，热安全型降感剂为氯化石蜡-42、氯化石蜡-52、氯化石蜡-60、氯化石蜡-70中的一种或儿种。
优选的，热安全型气体置换剂为粒度小于100微米的碳酸钠或碳酸钙。
一种高热安全性混合炸药的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制炸药水悬浮液
室温下，按上述百分比取一种或儿种单质炸药投入去离子水中，充分搅拌，获得炸药水悬浮液；
(2)配制粘结剂溶液
按上述百分比取粘结剂放入锥形瓶中，加入适量乙酸乙酯，在一定温度下搅拌，使其充分溶解，配制成粘结剂溶液；
(3)配制热安全型降感剂溶液
按上述百分比取热安全型降感剂放入锥形瓶中，加入适量石油醚，在一定温度下搅拌，使其充分溶解，配制成热安全型降感剂溶液；
(4)制备内核结构
将单质炸药水悬浮液升温，在一定搅拌速率下向其中滴加步骤(2)所配制好的粘结剂溶液，滴加完毕保温一段时间后，将体系升温至60℃驱散乙酸乙酯，待乙酸乙酯除尽后，获得粘结剂包覆炸药所形成的内核结构；
(5)包覆第二层核壳结构
向步骤(4)所获得的体系中滴加步骤(3)所制得的热安全型降感剂，滴加完毕保温一段时间后，将体系升温至75℃驱散石油醚，待石油醚除尽后，将悬浮液温度降至20℃以下，经过滤，乙醇洗涤、干燥后，得到由热安全型降感剂包覆的第二层核壳结构；
(6)包覆第三层核壳结构
将步骤(5)所制备的第二层核壳结构放入水浴烧杯中，在一定温度下逐步加入热安全型气体置换剂，并轻摇或滚动烧杯使得热安全型气体置换剂充分并均匀地包裹在核壳结构表面，形成第三层核壳结构，即高热安全性混合炸药。
优选的，步骤(1)中，单质炸药与去离子水的质量比为1∶5～15。
优选的，步骤(2)中，粘结剂与乙酸乙酯的固液比为1∶10～25，温度为20～40℃。
优选的，步骤(3)中，热安全型降感剂与石油醚的固液比为1∶5～25，温度为20～40℃。
优选的，步骤(6)中，温度为40～75℃。
本发明的有益效果：
1、本发明所涉及的高热安全性混合炸药中加入了氯化石蜡，并选用碳酸钠或碳酸钙作为气体置换剂，这两组份的组合对混合炸药热安全性的提高起到主要作用。炸药在贮存、运输或使用过程中，当遇到火灾或强烈的外界热刺激时，氯化石蜡将缓慢发生热分解，释放出氯化氢气体并在空气中遇水形成稀盐酸，随后稀盐酸经过与碳酸钠或碳酸钙发生反应，缓慢生成二氧化碳气体。大量二氧化碳气体的生成使弹药内部的压力逐渐上升并达到弹药壳体的疲劳极限。此时，由于未到达炸药组份热分解或点火温度，弹药壳体将只发生较为温和的破裂，而不会发生由炸药组份直接分解所导致的猛烈的破裂即爆炸或爆轰现象。与现役常用混合炸药相比，本发明所涉及的高热安全性混合炸药具有较高的热安全性，降低了弹药热反应的剧烈程度，减少了弹药发生意外事故的概率。
2、本发明所涉及的高热安全性混合炸药中，使用碳酸钠或碳酸钙作为气体置换剂，可以将氯化石蜡分解释放出的有毒有害气体氯化氢转化为相对绿色环保的气体二氧化碳，从而提高了本发明所涉及的高热安全性混合炸药的环保特性。
3、本发明所涉及的高热安全性混合炸药中使用的氯化石蜡具有一定的塑化作用，因此其在起到降低炸药机械感度的同时，提高了炸药造型粉的增塑效果，有利于混合炸药压制成型获得密度较高的药柱，有利于混合炸药能量性能的体现。
4、本发明所涉及的高热安全性混合炸药，由内外三层的核壳结构组成，大幅降低了处于内核的单质炸药晶体暴露于造型粉表面的概率，可显著降低混合炸药对外界机械刺激的敏感程度，从而提高混合炸药的安全性。
5、本发明的制备工艺简单、操作简便、实验条件温和、生产成本低，易于实现大规模生产。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种高热安全性混合炸药的制备流程图；
图2是本发明一种高热安全性混合炸药的造型粉示意图；
图3是本发明高热安全性混合炸药所制得的药柱的示意图；
图4为本发明实施例1和实施例2的慢速烤燃结果示意图；
图5为本发明对比例1和对比例2的慢速烤燃结果示意图；
图6为本发明实施例3的慢速烤燃结果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步描述。
实施例1
室温下，取58g CL-20和30g NTO投入450mL去离子水中，充分搅拌，获得炸药水悬浮液。取3.5g Estane(聚氨酯)放入锥形瓶中，加入55mL乙酸乙酯，在30℃下搅拌，放置一段时间使其充分溶解，配制成粘结剂溶液。取5g氯化石蜡-52放入锥形瓶中，加入30mL石油醚，在40℃下搅拌，放置一段时间使其充分溶解，配制成热安全型降感剂溶液。
将炸药水悬浮液升温至50℃，以320r/min的搅拌速率向其中滴加配制好的粘结剂溶液，滴加完毕保温15分钟后，将体系升温至60℃挥发乙酸乙酯。除尽乙酸乙酯后，开始逐渐滴加热安全型降感剂溶液，滴加完毕保温15分钟后，将体系升温至75℃，待石油醚除尽后，将悬浮液温度降至20℃以下，随后过滤，乙醇洗涤、干燥。将干燥后的样品放入65℃水浴的烧杯中，分批次加入3.5g碳酸钙(粒度为10微米)，同时轻摇烧杯使碳酸钙均匀地包裹在核壳结构表面，得到高热安全性混合炸药，形貌如图2所示。
实施例2
室温下，取62g HMX和28g RDX投入900mL去离子水中，充分搅拌，获得炸药水悬浮液。取2.4g F2311放入锥形瓶中，加入36mL乙酸乙酯，在35℃下搅拌，放置一段时间使其充分溶解，配制成粘结剂溶液。取4.6g氯化石蜡-60放入锥形瓶中，加入50mL石油醚，在35℃下搅拌，放置一段时间使其充分溶解，配制成热安全型降感剂溶液。
将炸药水悬浮液升温至50℃，以300r/min的搅拌速率向其中滴加配制好的粘结剂溶液，滴加完毕保温15分钟后，将体系升温至60℃挥发乙酸乙酯。除尽乙酸乙酯后，开始逐渐滴加热安全型降感剂溶液，滴加完毕保温15分钟后，将体系升温至75℃，待石油醚除尽后，将悬浮液温度降至20℃以下，随后过滤，乙醇洗涤、干燥。将干燥后的样品放入65℃水浴的烧杯中，分批次加入3.0g碳酸钙(粒度为10微米)，同时轻摇烧杯使碳酸钙均匀地包裹在核壳结构表面，得到高热安全性混合炸药。
实施例3
室温下，取64g TKX-50和30g NTO投入580mL去离子水中，充分搅拌，获得炸药水悬浮液。取2g硝化纤维素放入锥形瓶中，加入20mL乙酸乙酯，在40℃下搅拌，放置一段时间使其充分溶解，配制成粘结剂溶液。取2g氯化石蜡-70放入锥形瓶中，加入45mL石油醚，在40℃下搅拌，放置一段时间使其充分溶解，配制成热安全型降感剂溶液。
将炸药水悬浮液升温至50℃，以250r/min的搅拌速率向其中滴加配制好的粘结剂溶液，滴加完毕保温15分钟后，将体系升温至60℃挥发乙酸乙酯。除尽乙酸乙酯后，开始逐渐滴加热安全型降感剂溶液，滴加完毕保温15分钟后，将体系升温至75℃，待石油醚除尽后，将悬浮液温度降至20℃以下，随后过滤，乙醇洗涤、干燥。将干燥后的样品放入65℃水浴的烧杯中，分批次加入2g碳酸钠(粒度为10微米)，同时轻摇烧杯使碳酸钙均匀地包裹在核壳结构表面，得到安全性混合炸药。
对比例1
与实施例1的不同之处在于未添加实例1中热安全型降感剂和热安全型气体置换剂。
对比例2
与实施例2的不同之处在于未添加实例2中热安全型降感剂和热安全型气体置换剂。
性能测试
取实施例1-3，对比例1-2所制得的样品进行慢速烤燃试验。慢速烤燃试验是研究混合炸药热安全性的最常用方法，利用该试验可评估弹药在受到高温、火灾或战场暗火等环境时的反应剧烈程度。步骤如下：
将实施例1-3，对比例1-2所制得的样品分别通过万能材料试验机压制成Φ60×60mm的药柱，见图3，图3(1)为实施例1所得到的高热安全性混合炸药药柱，图3(2)为实施例1所得到的高热安全性混合炸药药柱。将Φ60×60mm药柱依次装填入烤燃弹壳体(材质为45#钢，内径为Φ60×240mm，壁厚为3mm)内，并用带螺纹的金属端盖对烤燃弹两端进行密封，通过弹体外壁的加热装置以1℃/min的恒定升温速率加热烤燃弹，当烤燃弹发生响应或温度达到400℃时停止试验。试验结果如图4。
图4(1)为实施例1的慢速烤燃结果，图4(2)为实施例2的慢速烤燃结果，结果均显示烤燃弹两个端盖被冲飞，壳体未破裂并出现膨胀现象。试验结果表明实例1、实施例2制得的混合炸药具有良好的热安全性。
图5(1)为对比例1的慢速烤燃结果，图5(2)为对比例2的慢速烤燃结果，结果均显示烤燃弹完全破碎形成多个破片，发生了剧烈的爆炸反应，热安全性较低，由此可表明本发明大幅提高了混合炸药的热安全性。
图6为实施例3的慢速烤燃结果，其燃烧弹仅有一个端盖飞出，并伴随着混合炸药的喷出，表明其仅仅发生了分解或燃烧反应，具有很好的热安全性。
使用GJB772A中的爆炸百分数法分别测定了实施例1-2和实施例3中高热安全性混合炸药的机械感度(撞击感度和摩擦感度)，结果列于表1。实施例1～3所获的高热安全性混合炸药的撞击感度和机械杆度均小于40％，均符合使用的安全标准。
表1本发明所涉混合炸药造型粉的机械感度
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对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种高热安全性混合炸药，其特征在于：包括造型粉，造型粉具有三层核壳结构，从内到外依次为内核结构、第二层核壳结构，第三层核壳结构，按重量百分比计内核结构包括单质炸药85％～95％、粘结剂2％～4％，第二层核壳结构包括热安全型降感剂3％～8％，第三层核壳结构包括热安全型气体置换剂1％～5％；
单质炸药为CL-20、HMX、RDX、TKX-50、NTO中的一种或几种；
粘结剂为聚氨酯、氟橡胶、硝化纤维素、醋酸纤维素中的一种或几种；
热安全型降感剂为氯化石蜡-42、氯化石蜡-52、氯化石蜡-60、氯化石蜡-70中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种高热安全性混合炸药，其特征在于：热安全型气体置换剂为粒度小于100微米的碳酸钠或碳酸钙。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的一种高热安全性混合炸药的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配制炸药水悬浮液
室温下，按上述百分比取一种或几种单质炸药投入去离子水中，充分搅拌，获得炸药水悬浮液；
(2)配制粘结剂溶液
按上述百分比取粘结剂放入锥形瓶中，加入适量乙酸乙酯，在一定温度下搅拌，使其充分溶解，配制成粘结剂溶液；
(3)配制热安全型降感剂溶液
按上述百分比取热安全型降感剂放入锥形瓶中，加入适量石油醚，在一定温度下搅拌，使其充分溶解，配制成热安全型降感剂溶液；
(4)制备内核结构
将单质炸药水悬浮液升温，在一定搅拌速率下向其中滴加步骤(2)所配制好的粘结剂溶液，滴加完毕保温一段时间后，将体系升温至60℃驱散乙酸乙酯，待乙酸乙酯除尽后，获得粘结剂包覆炸药所形成的内核结构；
(5)包覆第二层核壳结构
向步骤(4)所获得的体系中滴加步骤(3)所制得的热安全型降感剂，滴加完毕保温一段时间后，将体系升温至75℃驱散石油醚，待石油醚除尽后，将悬浮液温度降至20℃以下，经过滤，乙醇洗涤、干燥后，得到由热安全型降感剂包覆的第二层核壳结构；
(6)包覆第三层核壳结构
将步骤(5)所制备的第二层核壳结构放入水浴烧杯中，在一定温度下逐步加入热安全型气体置换剂，并轻摇或滚动烧杯使得热安全型气体置换剂充分并均匀地包裹在核壳结构表面，形成第三层核壳结构，即高热安全性混合炸药。
4.根据权利要求3所述的一种高热安全性混合炸药的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，单质炸药与去离子水的质量比为1:5～15。
5.根据权利要求3所述的一种高热安全性混合炸药的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，粘结剂与乙酸乙酯的固液比为1：10～25，温度为20～40℃。
6.根据权利要求3所述的一种高热安全性混合炸药的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，热安全型降感剂与石油醚的固液比为1：5～25，温度为20～40℃。
7.根据权利要求3所述的一种高热安全性混合炸药的制备方法，其特征在于：步骤(6)中，温度为40～75℃。
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