吴娜娜1，鲁志艳2，金韶华3，张争争2，王建龙1，高建峰1*
（1.中北大学理学院，山西太原030051;2．甘肃银光化学工业集团有限公司科研所，甘肃白银730900;3．北京理工大学，北京100081）
摘要：为了获得安全性能较好的压装高聚物粘结炸药( PBX)，以3-硝基-1，2，4-三唑-5-酮(NTO)和奥克托今(HMX)为主体炸药，采用水悬浮法制备了NTO/HMX基压装PBX，测定了NTO在水中的溶解度，考察了水药比、搅拌速度对包覆效果的影响和主炸药粒度对撞击感度的影响，测定了产品的爆速。结果表明：NTO在水中的溶解度较大，在常温下制备，用NTO饱和水
溶液代替水作分散介质；最佳工艺条件为：水药比（体积质量比）为1. 6:1，搅拌速度为500 r/min;主炸药粒度细化后产品的撞击感度下降了43%，只有15.3%；产品的爆速为8 200 m/s，达到了理论爆速的95%以上。
关键词：3-硝基-1，2，4-三唑-5-酮(NTO)；奥克托今；压装PBX;水悬浮法
中图分类号：TJ55 文章编号：0253 -4320(2016)03 -0075 -04
DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 03. 018
NTO是近年来受到人们普遍关注的一种高能量密度化合物，其密度高达1. 93g/cm3，与常用炸药相比，爆速比TATB高6%，其安全性接近TATB，远远优于高能炸药HMX和RDX。而且NTO与TNT、RDX、HMX等常用炸药，以及HTPB、E stan、含氟高聚物、BDNPA/F、GAP、聚NIMMO、蜡、铝、石墨等添加剂的相容性良好，最为突出的是NTO合成工艺简单安全，毒性小，原材料价廉易得，成本低，具有可大规模在弹药中应用的优势。
国外研究NTO/HMX基压装PBX较早。1997年，瑞士和挪威合作开发了一系列NTO/HMX基压装炸药配方，并对其能量水平和钝感程度进行了评价。美国海军开发了PBXW系列粘结炸药，但对具体性能没有更进一步报道，其中B3021爆炸性能好，感度低，当时由于制造成型成本昂贵而停止研究。国内对NTO/HMX基压装炸药的研究仍处在探索阶段。2004年，王金英等采用水悬浮法制备了5种NTO/HMX基压装炸药，主要考察了5种配方的感度及其影响因素，推测了钝感机理；2005年，柴涛等采用超临界CO2包覆法代替传统的水悬浮法，制备了NTO/HMX基压装炸药。2014年，高元元等采用溶液重结晶法用NTO包覆HMX，相比于单质HMX，机械感度降低。但至今还未有文献报道NTO/HMX基压装炸药制备工艺方面的研究。笔者采用水悬浮法制备了一种NTO/HMX基压装PBX，常温下造粒，并对其制备工艺进行了研究，考察了水药比（水的体积与单质炸药质量之比）、搅拌速度对包覆效果的影响和主炸药粒度对压装炸药感度的影响。
1实验部分
1.1 实验药品与仪器
药品：NTO、HMX，甘肃银光化学工业集团有限公司生产；粘结剂、增塑剂、表面活性剂、钝感剂，工业品；乙酸乙酯，工业品。
仪器：电子天平；蒸发皿；烧杯；数显恒温水浴；搅拌电机；真空烘箱；标准检验筛10目(2. 00 mm)、20目(0. 850 mm)、40目(0.425 mm)；撞击感度仪；爆速仪。
1.2实验方法
1.2.1 溶解度实验
利用平衡法进行溶解度实验。将过量的固体溶质加入液体溶剂中，密封并加热到一定的温度后恒温一段时间，其间连续或间歇搅拌以促进固体的溶解，使其尽量接近真正的固-液相平衡状态。静置后，吸取上层饱和清液，用合适的手段分析其组成，从而获得固体溶质在液体溶剂中的溶解度数据。
先准备蒸发皿若干，编号，称量质量为a g。向烧杯中加入200 m L水和30 g NTO，恒温至5℃，搅拌3 h；静置后取少量上层清液加入1#蒸发皿中，称量蒸发皿和清液总质量为b g。然后将蒸发皿放入真空烘箱中50℃下干燥，NTO逐渐析出，干燥完全后再称量蒸发皿和NTO的总质量为cg。根据式(1)计算对应温度下NTO的溶解度S[g/( 100 g水)-1}。然后将温度升至10 0C恒温搅拌，取上清液加入2#蒸发皿称量并干燥，以此类推，每次升高5℃恒温，可得到不同温度下NTO的溶解度：
1.2.2造型粉的制备
利用水悬浮法制备造型粉。将2g粘结剂和3g增塑剂溶解在30 m L乙酸乙酯中形成粘结剂溶液；在装有搅拌和加热的混合器中按比例加入NTO、HMX单质共97.5 g，加人事先溶解好的NTO饱和水溶液280~ 340 m L和微量的水溶性表面活性剂，搅拌20 min使单质炸药均匀分散开，形成悬浮液，室温下向混合器中滴加溶解好的粘结剂溶液，搅拌速度为300~ 600 r/min，5 min滴加完，搅拌2h使体系中的乙酸乙酯挥发完，过滤干燥后进行筛分，保留粒度在10~ 40目之间，最后得到表面光滑、具有一定粒度的造型粉，这个过程也叫造粒。再包覆适量钝感剂即可得到产品。
2 结果与讨论
2.1 NTO在水中的溶解度
NTO在水中的溶解度较大，溶于水后呈现为明显的黄色，因此采用水悬浮法制备混合炸药时存在NTO溶于水中而造成的原料损耗问题。因此，笔者先对NTO在不同温度水中的溶解度进行了测定，结果如图1所示。
乙酸乙酯的沸点为77.2℃，一般水悬浮法是在低于有机溶剂沸点的较高温度下造粒。由图1可以看出，NTO在水中的溶解度较大，温度为30℃时的溶解度已达到2. 00g/100 g水），随着温度的升高，溶解度增加较大，若在较高温度下造粒，造成的原料损失将很大。常温( 200C)下，NTO在水中的溶解度为1.43g/100 g水），为了避免NTO的损耗，笔者采用的方法是在常温下造粒，并将过量NTO溶于水中制成过饱和溶液，代替水作分散介质，NTO饱和水溶液可以循环使用。
2.2单因素实验
水悬浮法制备PBX，水药比(V/m)、加料温度、搅拌速度是影响包覆效果的主要因素。因制备过程在常温下进行，这里只考察水药比和搅拌速度对包覆效果的影响。
2.2.1 水药比对粒度的影响
在搅拌速度为500 r/min，不同水药比对应的造型粉粒度分布如表1所示。
水主要作为分散介质，水药比的大小影响炸药在水中的分散效果。水量越少，分散效果越不好，且炸药粒子之间的距离太近，会造成产品颗粒大小不均匀、团聚和黏壁现象；反之水量太多，炸药粒子之间由于距离太远，加之炸药表面吸附水的表面张力作用而不容易聚集，得到的产品粒度偏细，包覆不完全。所以必须选择合适的水药比才能得到粒度适合的造型粉。由表1可以看出，水药比为1.4时，出现团聚现象，粒度在10目以上的造型粉占到总产品质量的36. 5%，粒子偏大；水药比为1.7时，粒度在40目以下的造型粉占总产品质量的27. 7%，粒子偏细，这2种水药比的产品收率（10目~ 40目）均很低；水药比为1.6时，产品粒度较均匀，且产品收率最高，达到了96.7%，故选择水药比为1.6较为合适。
2.2.2搅拌速度对粒度和堆积密度的影响
在水药比为1.6，搅拌速度对造型粉的堆积密度和粒度分布的影响如表2所示。产品堆积密度的测定方法是：将产品称重，倒人200 m L量筒中轻晃使上表面平整，读取体积，质量与体积相除即可得到堆积密度。
由表2可以看出，当搅拌速度为300 r/min，10目以上的大粒子占总量的47. 6%，粒度分布较分散，粗细不均匀，有大量团聚物形成。这是因为包覆过程中逐渐形成的造型粉颗粒之间没有足够的流动速度，达不到颗粒之间相互打磨的目的，导致颗粒之间粘结成团。造型粉堆积密度小是由于颗粒之间的相互挤压的作用力太小，颗粒内部的气孔无法消除，导致粒子不密实。当搅拌速度为600 r/min时，40目以下的粒子占总量的23. 7%，其中还有一部分
粉末状炸药未参与包覆。这是因为搅拌液具有较大的剪切力，将刚形成表面包覆的颗粒打碎，以至于达不到包覆的目的。溶剂的蒸发速度越快，造型粉粒度越小。搅拌速度越大，体系裸露在空气中的表面积越大，越有利于乙酸乙酯的挥发。当搅拌速度为500 r/min时，造型粉粒度分布较集中，粗细较均匀，且收率最高，达到了96. 8%。综合产品的堆积密度和粒度，选择搅拌速度为500 r/min较为合适。
2.3 主炸药粒度对撞击感度的影响
为考察主炸药粒度对撞击感度的影响，选择3种不同的粒度级配，分别为NT0 120μm/HMX100μm(1#)、NT0 1201μm/HMX 60μm(2#)、NTO30μm/HMX 60 μm(3#)，每1种级配分别制备3组产品，测定其撞击感度。撞击感度执行GJB 772A-97方法601.1中的爆炸概率法，测试条件为：10 kg落锤，25 cm落高，50 mg药量。结果如表3所示。
由表3可以看出，当NTO的粒度为120 μm时，HMX粒度为100μm和60μm这2种情况下产品的撞击感度均较高，且相差不大；当NTO的粒度为30μm，HMX粒度为60μm时，产品的撞击感度明显降低，降低了43%，只有15.3%。
一方面，NTO和HMX的粒度减小至30μm和60μm，使得体系的比表面积迅速增长，当炸药受到外界冲击载荷时，作用力沿颗粒表面传递到更多表面上，单位面积承受的作用力减小，阻止了炸药分解反应放出热量的聚集，且粒度减小后，晶粒尺寸变小，撞击作用下晶粒破碎的机率较小，减少了晶粒间的摩擦，阻止了热点的生成；另一方面，炸药粒度不同，粘结剂的包覆情况也不同。3种粒度级配下产品的扫描电镜照片如图1所示。
由图2(a)和图2(b)可以看出，NTO的粒度为120μm时，造型粉表面有大量的单质炸药晶体裸露在外，炸药晶体之间的粘结不够紧密，缝隙较大。在撞击下，首先受到冲击作用的是敏感的炸药晶体，且粘结剂的缓冲作用较弱，导致产品的撞击感度较高。由图2(c)可以看出，NTO和HMX的粒度小时，只有少数炸药晶体裸露在外，晶体之间粘结的很紧密，造型粉表面较为光滑，粘结剂可有效缓冲外界冲击作用，所以产品的撞击感度较低。
2.4产品的成型性和爆速
对产品进行机械压制后的药柱如图3所示。由图3可以看出，药柱表面较光滑，测定药柱密度为1. 790g/cm3，达到了理论密度的95%以上，说明产品的成型性良好。产品爆速执行GJB 772A-97方法702.1电测法进行测定，需要5个φ20 mm×20 mm的药柱。测得爆速为8 200 m/s，达到了理论爆速的95%以上。
3结论
NTO在水中的溶解度较大，高温下造粒原材料NTO的损耗较大，故采用常温下造粒的方法，并用NTO饱和水溶液代替水作为分散介质，NTO饱和水溶液循环利用，从而避免了原材料的损耗。水悬浮法造粒的最佳工艺条件：水药比为1.6：1，搅拌速度为500 r/min。在此工艺条件下，达到合格粒度的产品得率为96. 8%，堆积密度为0.803g/cm3。主炸药粒度细化后，由于改善了造型粉表面的包覆情况，产品的撞击感度下降了43%，只有15.3%。
采用水悬浮法制备的NTO/HMX基压装炸药，经压制成型后，密度达到理论密度的95%以上，爆速达到理论爆速的95%以上。产品的成型性和爆炸性能均较好，感度性能较突出。
