韓民園，朱開金，2，陳亞麗

(1.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司，太原 030008;2.太原工業(yè)學(xué)院，太原 030008)

0 引言

隨著現(xiàn)代兵器技術(shù)的快速發(fā)展，“高效毀傷、精確打擊”已成為世界各國(guó)競(jìng)相追逐的目標(biāo)，這對(duì)與之配套使用的火炸藥制品提出了越來(lái)越高的要求。螺壓改性雙基推進(jìn)劑以其高能、低特征信號(hào)、自由裝填等諸多優(yōu)點(diǎn)，滿足了新型武器發(fā)展的需要[1]。然而，由于改性雙基推進(jìn)劑中常加入大量的固體炸藥組分，使傳統(tǒng)的螺壓工藝難于適應(yīng)，且限于其易燃易爆的特性，在產(chǎn)品研制過(guò)程中不可避免地存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，迫切需要研制與真料加工性能相似的改性雙基代用料用于預(yù)先工藝研究，從而可大幅降低真料工藝摸索實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高實(shí)驗(yàn)效率，降低盲目實(shí)驗(yàn)所造成的安全風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)驗(yàn)成本，有利于新型火藥產(chǎn)品的安全試制。不同于一般代用料的研制，改性雙基推進(jìn)劑代用料要與真料加工性能相似，主要以正常加工溫度下二者的流變性能相似為主要原則。采用相似代用料實(shí)驗(yàn)，有利于預(yù)先充分考察設(shè)備的承載能力和物料的加工工藝狀態(tài)。其次，研究確定適用于不同品號(hào)推進(jìn)劑生產(chǎn)的螺壓機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，也離不開大量的工藝實(shí)驗(yàn)[2]，直接選用制品配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既不安全，也不經(jīng)濟(jì)。目前，在改性雙基推進(jìn)劑新配方的研制中，仍主要借助于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在同一結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺壓機(jī)上進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，其盲目性很高，潛在問(wèn)題很多。通過(guò)充分實(shí)驗(yàn)改性雙基推進(jìn)劑代用料，將初步確定出螺壓機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后再用真料進(jìn)行擠出工藝驗(yàn)證，以進(jìn)一步修正螺壓機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，這樣就可最大限度地在提高實(shí)驗(yàn)安全性的前提下，使螺壓機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)得以優(yōu)化，并有效拓寬同一結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺壓機(jī)對(duì)不同物料的適用性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 代用料基本組分的選擇

以典型改性雙基推進(jìn)劑的配方為基礎(chǔ)，確定以硝化棉(NC)為基本骨架體系，主要研究選擇對(duì)真料中的液體炸藥組分A(GY)、固體炸藥組分B(GG)的適宜的惰性替代物。

1.2 代用料的制作

根據(jù)改性雙基推進(jìn)劑產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)際，選擇采用無(wú)溶劑法吸收、光輥壓延塑化造粒工藝，制得改性雙基推進(jìn)劑代用料(粒料)，用于實(shí)驗(yàn)研究。

1.3 加工性能研究

進(jìn)行聚合物加工流變性研究，可有效解決物料加工工藝的問(wèn)題[3]。采用德國(guó)進(jìn)口的brabender PLV-151型流變儀(配置φ5 mm圓形口模)研究組分改變對(duì)改性雙基推進(jìn)劑代用料配方的加工性影響規(guī)律。根據(jù)實(shí)際需要，研制了典型的改性雙基推進(jìn)劑代用料，并對(duì)其進(jìn)行流變性研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 替代組分的選擇

2.1.1 惰性增塑劑的選擇

對(duì)于以硝化棉為主要骨架的配方體系，選擇適宜的增塑劑是實(shí)現(xiàn)配方具有良好加工性能的重要基礎(chǔ)。因此，需根據(jù)不同配方對(duì)應(yīng)的不同型號(hào)的硝化棉，有針對(duì)性地選擇與之相適應(yīng)的增塑劑。首先，為提高配方實(shí)驗(yàn)的安全性，選擇惰性增塑劑替代液體炸藥組分及輔助含能溶劑;其次，為使代用料配方可加工性與真料接近，所選擇的惰性增塑劑與硝化棉的溶解性(溶度參數(shù))及與主要液體炸藥組分A(GY)的物理特性(如粘度)要相近;第三，要確保配方組分間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，組分間應(yīng)具有良好的化學(xué)相容性;第四，為使配方加工性能穩(wěn)定，所選擇增塑劑應(yīng)具有較高的沸點(diǎn)、較低的揮發(fā)性[4]。

按照上述原則，并結(jié)合配方研制實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇出替代液體炸藥組分A的適用惰性增塑劑(DZ-1)。

2.1.2 固體填料的選擇

固體填料對(duì)配方的加工性有重要影響[5]。固體填料組分的適用性是研制改性雙基推進(jìn)劑相似代用料的關(guān)鍵。若配方只是用作一般的代用料研制，無(wú)機(jī)或有機(jī)填料均可選擇;若配方是用作相似性代用料研制，則替代物的類別、化學(xué)結(jié)構(gòu)及物理性能宜相似。固體填料組分的選擇主要從晶形、粒徑、密度、非水溶性、無(wú)毒或低毒、熔點(diǎn)、分解溫度、不含能量及經(jīng)濟(jì)性方面予以綜合考慮。由于固體炸藥組分B(GG)為有機(jī)物，其替代填料主要選擇有機(jī)物類，在兼顧上述原則的基礎(chǔ)上，還要考慮能否與NC之間形成氫鍵，化學(xué)結(jié)構(gòu)是否相似，與NC是否相容等因素。作為對(duì)比，在配方研制中，對(duì)無(wú)機(jī)類填料也作了初步選擇。采用DTA差熱分析儀對(duì)初選出的7種物料與NC的相容性進(jìn)行了分析研究。其中，無(wú)機(jī)填料WT-3、有機(jī)填料YT-1與NC的相容性分別達(dá)到二級(jí)和一級(jí)，滿足使用要求，可作進(jìn)一步的配方研制。

為此，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，采用無(wú)溶劑法吸收、光輥壓延塑化造粒工藝分別制得2種填料的改性雙基推進(jìn)劑代用料(D-YT-1、D-WT-3)粒料，并用Brabender流變儀對(duì)其進(jìn)行了流變性研究。測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 2種不同固體填料代用料流變數(shù)據(jù)Table 1 The rheological data of the two kinds of different solid substitutematerial

從表1可知，與無(wú)機(jī)填料WT-3相比，用YT-1有機(jī)填料制得的改性雙基代用料具有較好的加工性，用于替代固體炸藥組分B是適宜的。

2.2 增塑劑溶解能力的變化對(duì)NC代用料體系流變性的影響

基于同一真料配方，保持NC含量不變，以YT-1有機(jī)物作為固體填料，研究惰性增塑劑(DZ-1)、惰性增塑劑(DZ-2)以不同比例組成的混合溶劑對(duì)相應(yīng)配方代用料流變性的影響規(guī)律。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 不同混合溶劑的代用料流變數(shù)據(jù)Table 2 The rheological data of the substitutematerial of the differentm ix solvents

惰性增塑劑(DZ-2)、惰性增塑劑(DZ-1)的溶度參數(shù)不同，粘度不同。其中，前者的溶度參數(shù)較高，粘度較小。將二者分別按4∶1、1∶1、1∶4不同的溶劑比制得混合溶劑，然后按同一配方要求以固定比例分別與NC、YT-1填料等制成3種不同代用料的試樣。由表2可知，1#試樣的混合溶劑溶度參數(shù)雖然最高，但DZ-2含量最大，其揮發(fā)性也最大，影響對(duì)硝化棉的溶解性。3#試樣的混合溶劑溶度參數(shù)最低，因而對(duì)硝化棉的溶解性也不理想。這從同一轉(zhuǎn)速下的流變數(shù)據(jù)可看出，1#與3#試樣的測(cè)試值十分接近。而以1∶1混合溶劑制得的2#試樣的表觀粘度最高。此外，在較高的螺桿轉(zhuǎn)速下(15、20 r/min)，試樣擠出物料的表觀粘度差別不大，隨著轉(zhuǎn)速的提高，3種物料的表觀粘度接近一致;而在低轉(zhuǎn)速(5 r/min)下，而 1#、3#試樣的表觀粘度接近一致，2#試樣的表觀粘度最大?？梢?，只有適當(dāng)比例的混合溶劑，才能對(duì)代用料體系的流變性產(chǎn)生最大的影響。隨著轉(zhuǎn)速的提高，剪切速率逐漸加大，物料的剪切應(yīng)力基本呈增加趨勢(shì)，但較低轉(zhuǎn)速下的物料剪切應(yīng)力不一定最小。

2.3 不同含量的固體填料對(duì)NC代用料體系流變性的影響

基于同一真料配方，保持NC含量不變，增塑劑選用單一的DZ-1，且溶棉比(DZ-1/NC)為1∶1的條件下，研究不同比例的固體填料YT-1對(duì)相應(yīng)配方的代用料流變性的影響規(guī)律。測(cè)試結(jié)果見表3。

從表3可明顯看出，在一定的固體填料含量范圍內(nèi)，在溶棉比不變的條件下，隨著固體填料含量的增加，擠出物料的表觀粘度呈增加的趨勢(shì)，特別是高轉(zhuǎn)速下的變化更明顯。對(duì)于同一固含量配方，其擠出物的表觀粘度隨著轉(zhuǎn)速的提高而下降。剪切應(yīng)力、表觀粘度隨剪切速率的變化規(guī)律同2.2節(jié)分析。

2.4 不同溶棉比對(duì)NC代用料體系流變性的影響

基于同一真料配方，保持YT-1含量不變，研究溶棉比(DZ-1/NC)對(duì)相應(yīng)配方代用料的流變性影響規(guī)律。測(cè)試結(jié)果見表4。

分析表4數(shù)據(jù)可知，在YT-1固體含量一定情況下，隨著溶棉比(DZ-1/NC)的減小，同一轉(zhuǎn)速下的擠出物料表觀粘度呈增大趨勢(shì)，且以低轉(zhuǎn)速下擠出物料相應(yīng)的表觀粘度增加的幅度較大。同一溶棉比配方的物料表觀粘度隨轉(zhuǎn)速提高而下降，這是符合高分子物料加工規(guī)律的。剪切應(yīng)力、表觀粘度隨剪切速率的變化規(guī)律同2.2節(jié)分析。溶棉比對(duì)物料表觀粘度的影響是顯著的。

2.5 典型改性雙基推進(jìn)劑代用料的研制

根據(jù)實(shí)際需要，按照上述代用料配方調(diào)試規(guī)律，研制出了典型的改性雙基推進(jìn)劑代用料配方(YT-1固體含量為55%)。為驗(yàn)證改性雙基推進(jìn)劑代用料(9#)與真料(10#)的流變相似性，采用毛細(xì)管法(毛細(xì)管L/D=10 mm/2 mm)，測(cè)試了兩者樣品在90℃下的流變性數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)擬合后，分別作出剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系圖(圖1)、表觀粘度與剪切速率關(guān)系圖(圖2)。

表3 不同含量固體填料(YT-1)的代用料流變性數(shù)據(jù)Table 3 The rheological data of the substitutematerial of the different content solid fillers(YT-1)

表4 不同溶棉比的代用料的流變性測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 The rheological data of the substitutematerial of the different ratios of solvent and nitrocellulose

圖1 剪切應(yīng)力τ與剪切速率γ·的關(guān)系Fig.1 The relations between shearing stress and shearingrate of the substitutematerial

從圖1、圖2可知，隨著轉(zhuǎn)速提高，物料的剪切應(yīng)力呈增加趨勢(shì)，且隨剪切速率的變化呈拋物線形狀，并彎向剪切速率軸;物料的表觀粘度隨剪切速率的變化呈下降趨勢(shì)。上述變化是符合假塑性物料的加工規(guī)律的。此外，在相同剪切速率下，研制典型的改性雙基推進(jìn)劑代用料對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力與表觀粘度均與真料十分接近?？梢?，二者物料的流變性是相似的。

圖2 表觀粘度ηa與剪切速率γ·的關(guān)系Fig.2 The relations between apparent viscosity and shearing rate of the substitutem aterial

3 結(jié)論

(1)以真料配方組成為基礎(chǔ)，選擇適宜的配方骨架體系、配用組分和加工工藝是改性雙基推進(jìn)劑代用料研制的關(guān)鍵。綜合考慮配方組分的分子結(jié)構(gòu)形式、理化特性、組分間的相容性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及配方的加工性能等因素，確定以NC、惰性增塑劑(DZ-1)及惰性固體填料(YT-1)為改性雙基推進(jìn)劑代用料的主要組分。根據(jù)實(shí)際需要，研制出了典型的改性雙基推進(jìn)劑相似代用料。

(2)通過(guò)調(diào)整增塑劑的溶解能力、固體填料的含量及溶棉比，可有效改變代用料的流動(dòng)性。其中，溶棉比對(duì)物料的流動(dòng)性影響最為顯著。上述因素的影響規(guī)律，對(duì)不同工藝要求的改性雙基推進(jìn)劑相似代用料的研制有一定指導(dǎo)作用。

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