FOX-7基PBX药浆的流变特性研究

祝 青,谢 虓,蒋全萍,郑保辉

(中国工程物理研究院 化工材料研究所， 四川 绵阳 621999)

浇注聚合物粘接炸药(PBX)是实现高能钝感炸药的一条主要途径，而在PBX中使用高能钝感炸药替代或部分替代高敏感性炸药是炸药配方中最易实现的方法。FOX-7(1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯)是一种爆轰性能良好的高能炸药，且由于其具有好的机械感度、冲击波感度和与其他含能组分良好相容特性，使得其在不敏感炸药中的应用成为研究热点[1-4]。由于FOX-7是一种化学惰性物质，可与大多数常用的含能材料、黏结剂和功能组分相容，也易与这些组分混合制备成浇注PBX，因此FOX-7基PBX钝感弹药的主要候选品种之一[5-9]。

在浇注PBX中，浇注预聚体的流变特性是浇注工艺中最值得关注的关键问题[10]，它直接影响预聚体的工艺可行性和药柱成型质量等关键技术和指标。因此，在研究浇注FOX-7基PBX的安全性能前应对其预聚体的流变特性进行详细研究与分析，为后续工艺和药柱质量分析提供科学可靠的研究基础[11]。本文以常用浇注PBX的预聚体HTPB(端羟基聚丁二烯)为液相载体，以两种不同颗粒粒径的FOX-7和奥克托今(HMX)为固相填料，通过浇注体中固相含量、温度和固相颗粒级配等方面的变化，对FOX-7基PBX药浆的流变特性进行了详细研究。

1 实验部分

HMX，甘肃银光化学工业集团有限公司，平均粒径446.90 μm；FOX-7-X，西安近代化学研究所；FOX-7-Z，中国工程物理研究院化工材料研究所；HTPB预聚体，工业品，羟值0.75 mmol/g，黎明化工研究院。

台式扫描电镜，荷兰飞纳Phenon One；激光粒度仪，美国贝克曼LS13320；粒子界面特性分析仪，美国XigGo Nanotools Acorn area；流变仪，奥地利安东帕MCR102。

以FOX-7-X、FOX-7-Z和HMX按不同需求称取一定质量，将固体颗粒混合于一定质量的HTPB中，充分搅拌分散均匀后进行测试。

2 结果与讨论

2.1 FOX-7形貌及粒径分布

研究中使用两种不同粒径尺寸的FOX-7，通过扫描电镜观察其表面表面形貌，如图1所示。由图1可看出，FOX-7-X样品为分散颗粒状，晶体呈不规则颗粒或片状形貌，晶体中分布较多风化岩石状的空洞使得晶体结构较为疏松，而FOX-7-Z样品形貌较为接近HMX晶体形状，但表面仍有较多微裂纹。

图1 两种FOX-7样品的SEM照片

对两种样品的粒度及分布进行了测试与分析，如图2所示。由图2分析可知，FOX-7-X样品D50为17.73μm，FOX-7-Z样品D50为345.50 μm。

图2 四种样品的粒径分布曲线

对两种样品进行比表面积测试，发现FOX-7-X样品BET值为0.41 m2/g，而FOX-7-Z样品BET值过小无法检测，说明FOX-7样品从形貌上观察虽然存在较多孔洞，但存在微孔(小于100 nm)并不多，因此比表面积均较小。同时采用微核磁脉冲技术对FOX-7-X材料在HTPB中的湿式比表面积进行测试，样品平行测试3次，得到的粉末在HTPB中的弛豫时间分别为19.8 ms、19.2 ms和19.3 ms，计算得到的湿式比表面值分别为0.589、0.45和0.244。FOX-7粉末在HTPB中得到的湿式比表面积与BET测试得到的值差异较小，说明FOX-7在液相中表面几乎均被HTPB浸润包裹，两相间相亲性较好。

2.2 FOX-7-X与黏结剂体系的流变特性研究

以FOX-7-X为固相，HTPB为液相，将固相与液相按不同质量比进行混合并搅拌均匀，配置成质量分数分别为10%、30%和50%固相含量的分散体系，在室温条件下对分散体系进行剪切应力和黏度随剪切速率变化趋势的测试，对其数据进行分析，考察固相含量对样品流变性能的影响规律。由图3可知，在室温25 ℃环境下，当分散体系中FOX-7-X固含量为10%～30%时，分散体系的剪切应力与剪切速率成正比，其黏度值呈恒定状态，固含量为10%时黏度值约为15 Pa·s，固含量为30%时黏度值约为30 Pa·s，分散体系具有稳定的牛顿流体特性；而当FOX-7-X固含量增加为50%时，分散体系的剪切应力随剪切速率增大而先增大后减小，黏度呈现连续下降的趋势，最后呈现黏度趋近于0的状态，此时分散体系属于典型的假塑性流体，具有剪切变稀特性。

对FOX-7-X固含量为30%和50%的分散体系进行变温测试，分别测试了在55 ℃和85 ℃环境下体系的剪切应力随剪切速率的变化曲线和黏度曲线。由图4可知，固含量为30%时，随着温度的升高，一直保持牛顿流体特性，在55 ℃时黏度值约为6.5 Pa·s，在85 ℃时黏度值约为2.2 Pa·s；固含量为50%时，在55 ℃时分散体系仍然呈假塑性流体，具有剪切变稀特征，但黏度值在低剪切速率下较室温时有较大的减小幅度，在85 ℃时分散体系黏度进一步下降，呈现接近牛顿流体特征，只有在高剪切速率下(大于80 s-1)出现非线性段，体系黏度值保持在10 Pa·s左右。

图3 不同固含量分散体系在室温下的应力和黏度测试曲线

图4 不同固含量分散体系在高温下的应力和黏度测试曲线

2.3 FOX-7颗粒级配对体系流变特性的影响

图5是总固含量为30%时，使用FOX-7-X和FOX-7-Z两种不同粒径颗粒进行级配，与黏结剂HTPB形成的分散体系的表观流变特性曲线。由图可知FOX-7-Z与FOX-7-X颗粒进行级配时，体系的流变特性变化较小，但当配比为1∶1时，体系黏度最低，为约28.5 Pa·s，其次是配比为2∶1的黏度较低，为约29 Pa·s，而配比为1∶2时黏度最高，为约30 Pa·s，与纯FOX-7-X体系的黏度相当。说明大颗粒在药浆中有利于体系的内部滚动，但也并非大颗粒越多越好，粗细颗粒保持在一定比例可实现最佳药浆流变性能，利于药浆的浇注工艺。

图5 FOX-7两级级配体系的应力与黏度测试曲线

图6和图7为FOX-7与HMX进行3级级配体系的表观流变特性曲线。图6是保持总固含量为40%，其中HMX粒径为446.90μm粗颗粒，质量保持不变为约14%，FOX-7质量为约26%，改变FOX-7-X与FOX-7-Z配比，研究其药浆的流变特性。由图6可知，在体系中加入粗颗粒HMX后，体系的剪切应力和剪切速率仍然保持规律变化趋势，当其中FOX-7-X与FOX-7-Z配比为1∶1时，药浆的表观黏度值最低，黏度波动性最小。说明HMX与FOX-7-Z和FOX-7-X进行复配时，颗粒匹配最佳，间隙填充最优，使得药浆体系在外界剪切速率发生变化时一直保持较稳定的状态。图7是保持总固含量为50%，其中粗颗粒HMX质量占比约为28%保持不变，FOX-7质量占比约为22%，改变FOX-7-X与FOX-7-Z配比，研究其药浆的流变特性。由图7可知，增加了体系中粗颗粒HMX质量含量后，体系呈现假塑性流体特性，其中FOX-7-Z和FOX-7-X配比为1∶2和1∶1时黏度下降趋势基本一致，而当其配比为2∶1时，体系黏度下降趋势变快。说明体系中粗颗粒和中颗粒质量占比变大后，体系从稳定的理想流体过度为非理想的假塑性流体，呈现剪切变稀特征。但从以上级配体系测试曲线可知，无论HMX和FOX-7进行何种级配，其形成的药浆剪切应力-速率曲线均会通过原点，说明此药浆没有屈服点。

图6 固含量为40%时FOX-7与HMX三级级配的黏度测试曲线

图7 固含量为50%时FOX-7与HMX三级级配的黏度测试曲线

3 结论

FOX-7-X在HTPB中固含量为10%和30%时，药浆呈现牛顿流体特性，黏度值分别为15Pa·s和30Pa·s，固含量为50%时，药浆呈现剪切变稀特性；随着环境温度的升高，FOX-7-X与HTPB形成的药浆体系黏度呈现大幅度降低，其中固含量在50%时在85 ℃条件下由假塑性流体特性转变为呈现接近牛顿流体特征；总固含量为30%时，FOX-7两种粒径颗粒进行级配时，质量比为1∶1时，药浆表观黏度最低；总固含量为40%时，HMX与两种FOX-7进行三级级配时，药浆呈现稳定的牛顿流体特性，当FOX-7-Z：FOX-7-X为1∶1时，药浆表观黏度最低；总固含量为50%时，HMX和两种FOX-7进行三级级配时，药浆呈现假塑性流体特性，当FOX-7-Z：FOX-7-X为2∶1时，药浆表观黏度下降速率最大。